啥?多旋翼无人机长这样!(多旋翼无人机组成“机架和螺旋桨”篇)
2023 03篇啥？多旋翼无人机长这样！
多旋翼无人机的组成解析“机架和螺旋桨”篇
01
上一篇我们介绍了无人机的两大分类：固定翼和多旋翼；并以四旋翼无人机为多旋翼无人机的代表，简略介绍了四旋翼无人机的组成。
无人机组成全景图
本篇文章及后续我们将根据上一篇文章的多旋翼无人机组成全景图作一个详细的介绍。
图1 多旋翼无人机组成全景图
02
机架
无人机机架是支撑无人机各种组件的物理结构或框架，是无人机的“骨架”。它通常包括中央机身、机臂、起落架等。
无人机机架要求强度高、稳定性好以及安装方便，根据无人机的具体应用和要求，无人机机架有不同的形状、尺寸和材料。碳纤维机架轻巧且坚固，具有较高的强度和刚度，对抗风力的能力强，同时具备抗腐蚀性能，多应用于无人机机架。
图2 无人机机架
03
无人机的螺旋桨、电机、电调和电池共同组成了无人机的动力系统。
螺旋桨
（1）桨叶是弯曲的
仔细观察可以看出，螺旋桨桨叶与日常生活中的风扇叶片类似，桨叶与转动平面是有一个夹角的，正是因为这个夹角的存在，螺旋桨在转动时才会对空气产生升力。
图3 无人机螺旋桨叶片与转动平面的夹角
（2）螺旋桨数量越多，无人机飞行的动力越足，稳定性也越高，物理尺寸也越大
无人机可以有单旋翼、双旋翼、三旋翼、四旋翼、六旋翼或八旋翼。
图4 旋翼数量不等的多旋翼无人机
⏩ 双旋翼无人机使用两个反向旋转的螺旋桨进行协同工作，只能向朝向马达的两个方向飞行，但是续航时间较长、操作难度相对较高、飞行所需空间大。
⏩ 三旋翼无人机除了使用两个反向旋转的螺旋桨之外，还使用一个额外的螺旋桨，使电机绕轴旋转，避免侧向运动。三旋翼相比双旋翼可飞向更多方向，有一定的稳定性，也能承受更大载荷，但这种无人机结构复杂、较难控制，并且相比四旋翼无人机仍缺乏速度和性能。
⏩ 六旋翼无人机和八旋翼无人机比单旋翼、双旋翼、三旋翼、四旋翼无人机更稳定，抗风性能更好，也能承受更大的载重，并且实现了动力冗余，如果其中单发/双发旋翼失效，六旋翼/八旋翼无人机仍能飞行。
随着旋翼的数量增加，考虑到每个旋翼之间的距离，无人机的物理尺寸也需要做得越大。六旋翼和八旋翼在重型无人机中较为常见，更适合进行农业、应急、城市通勤、军事和货物运输等场景。例如有的八旋翼无人机承载重量甚至可以达到15 公斤。
螺旋桨数量越多，无人机飞行的动力越足，稳定性也越高，物理尺寸也越大。当然，旋翼数量的增加，导致电能消耗更多，无人机也更难学习和控制。综合考虑成本、效率、结构复杂程度以及用户体验，四旋翼无人机较为常见，但它存在一个缺点——没有动力冗余，任何一个电机出现问题停转，四旋翼无人机都将无法控制而摔机。
（3）2叶螺旋桨方案更为折中
单个螺旋桨可以有2个、3个、4个和5个叶片，叶片越多，在空气中产生的阻力越大，我们可以得出结论，仅有一个叶片的单叶螺旋桨使用效率最高，但由于其不平衡，所以不适用。在桨叶直径保持不变的前提下，螺旋桨上的叶片数量越多，可以产生的升力和功率更大，因此在空间有限的情况下，增加叶片数量就合理地替代了增大尺寸的方案。
图5 桨叶数量不等的无人机螺旋桨
由于复杂的物理和流体动力学方面原因，增加叶片数量不如增大尺寸有效。因此，叶片数量加倍的螺旋桨的性能不如两倍尺寸的螺旋桨，但它提供了更大的推力，代价是响应速度和功耗较高。
综上所述，螺旋桨的叶片数量越多，无人机的飞行越平稳，当然电量消耗也越大。因此，2个叶片的螺旋桨方案较为折中。当然结合到具体的需求，2个叶片的螺旋桨也并不是唯一的选择，例如运动型的四轴穿越机就多采用三叶或四叶螺旋桨，以牺牲一定的续航能力来换取更强的机动性。
图6 使用三叶或四叶螺旋桨的无人机
（4）四旋翼螺旋桨相对角一对螺旋桨顺时针旋转，另一对螺旋桨逆时针旋转
四旋翼无人机的四个螺旋桨中，相对的两个螺旋桨顺时针旋转，另一对逆时针旋转，四个螺旋桨的旋转速度均相同，防止无人机产生自旋。
图7 无人机的一对螺旋桨顺时针旋转，另一对螺旋桨逆时针旋转
（5）螺旋桨的材质
大多数无人机的螺旋桨均采用优质软塑料如尼龙。此外，还有碳纤维、玻璃纤维、军工级碳纤维、尼龙碳复合材料和聚碳酸酯（PC）等。
塑料材质的螺旋桨比较灵活，即使发生碰撞，叶片也能完好无损，然而其噪音很大，并不是保持平衡和效率的最佳选择。碳纤维螺旋桨运行安静并能提高飞行性能，是无人机的理想选择，但碳纤维螺旋桨发生碰撞时很容易损坏，经常需要更换。
本篇文章解析了机架和螺旋桨，我们了解到在实际应用中，其实有多种外形的机架、多种桨叶、二到八个螺旋桨的无人机，下篇我们将解析有刷电机、无刷电机和电调。未完待续哈！
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