一天精通无人机:初级篇系列第 10 讲:机架设计

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        今天我们来一起学习关于多旋翼机架的相关知识。机架需要承载无人机的全部设备，包括飞行控制器、电调、电机、螺旋桨、遥控器接收机、电池、电源、云台等等。因此机架设计的好坏直接影响到整个无人机的性能与安全。我们就来看看无人机机架设计中的相关内容：

一、选材

        机架最重要的一个参数就是其自身的重量，为了克服机身的自重，机架需要要被设计的尽可能的轻。因为机身重量越小，就意为着飞机的载重越大，所以在对机身的材料选择上也需要谨慎考虑。常见的机身材料有塑料和碳纤维。

        1.塑料机架：



        塑料的密度较小，重量较轻，但强度和刚度不大，制作比较容易，多个机身部件在组装时通常采用螺丝固定，在桨高速转动时产生的振动可能会使得螺丝变的松动，从而导致机身的轴臂有脱落的危险。而随着3D打印技术的成熟，使用3D打印机一次性将机架打印出来，即节省了螺丝钉的重量又避免了轴臂松动的危险。

        2.碳纤维机架：



        采用碳纤维材料来做为无人机的机架也是比较常用的选择。碳纤维的密度低，强度和刚度都很高，非常适合做为无人机的机架材料。但碳纤维的加工比较困难，需要对整个碳纤维板做切割，打孔，并与起落架等其它部件连接固定，相对来说比较困难。但由于其强度和刚度都较大，所以在飞机飞行过程中会有减振效果，使飞行更加更加稳定。

        因此，塑料材质的机架价格低廉，更适合普通无人机和航模爱好者，而碳纤维材质的机架更多时候被用于商业或工业级无人机的设计当中。

二、布局

        常见的多旋翼布局有三旋翼、四旋翼、六旋翼和八旋翼、当然也有一些比较的奇怪的布局，例如五旋翼，在开源飞行控制程序（以后简称飞控程序或飞控）中通常分为两大类，X型和I型，也就是我们常说的叉型布局和十字型布局。而对于不同的布局有下面的简称：



QUAD + 十字四旋翼



QUAD X 叉型四旋翼



HEXA + 十字六旋翼



HEXA X 叉型六旋翼



OCTO + 十字八旋翼



OCTO X 叉型八旋翼



Y6 共轴六旋翼



X 8 共轴八旋翼

三、轴距

        轴距是多旋翼无人机中非常重要的一个参数，通常被定义为电机轴心轴围成 的外科外接圆周的直径，单位毫米mm，对称多旋翼无人机中轴距即为对角线上的两个电机轴心的距离，轴距的大小确定了螺旋桨的尺寸上限，从而限定了螺旋桨能产生的最大拉力，也就是直接影响到无人机的载重能力，我们来看一下轴距与桨尺寸的图解：







        机身半径R与桨半径r和机轴繴轴臂夹角自用a的关系为：



        其中，

为机架半径，也就是轴距的一半，

为桨的最大半径，

为轴臂夹角，

为轴臂的数量。

四、起落架



        通常在多旋翼机的底部都会装有起落架，起落架的作用是使得机身与地面之间有一个安全距离，使飞机在离地面不远处起飞或降落时由于不稳定因素所造成的机身倾斜而不至于使螺旋桨与地面发生碰撞。另外在起落架使得螺旋桨与地面之间有足够的空间，飞机起飞和降落时，可以有效减小气流与地面产生的气流干扰。当然，起落架的安装加大了飞机自身的重量，也就减小了飞机的载重。

五：涵道



        在螺旋桨一讲中我们已经介绍了关于的作用，涵道可以在保护桨叶的同时也保证人的安全，还可以提高飞行的拉力效率和减少噪声。带有涵道的多旋翼的拉力由两部分组成 ：螺旋桨本身产生的拉力和涵道产生的附加拉力。根据伯努力原理，涵道内侧由于有螺旋桨的高速旋转，带动气流快速下降，涵道外侧气流流动缓慢，所以涵道外侧气压会大于内侧气压，于是空气会产生一部分向上的拉力。也就是会提高飞机的动力。



        但是从机架设计上讲，我们如果增加了四个涵道，也就是增加飞机自身的质量，飞机需要克服飞机自重需要的拉力就更大，因此是否一定使用涵道，或是涵道的的材料如何选择也就需要我们仔细斟酌。



        下期预告：《开源飞控Pixhawk》

        《一天精通无人机：初级篇》主要内容为：基本动力原理、硬件组装、飞控程序下载、编译、校准、调参与试飞。

        《一天精通无人机：中级篇》主要内容为：开源飞控程序PX4架构、精典PID控制原理、路径规划、命令收发、与地面站通讯协议。

        《一天精通无人机：高级篇》主要内容为：动力学建模、半物理仿真、传感器数据融合、扩展卡尔曼滤波、全自动飞行设计、环境感知与视觉建模。