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喬布斯說過:“People don't know what they want until you show it to them.”兩年前,當四軸無人機還處在玩具階段的時候,沒有人知道它能用來干什么。而現(xiàn)在,當成千上萬的四軸飛行器在我們四周盤旋的時候,成千上萬的新想法也隨之起飛了。隨著亞馬遜、DHL和順豐相繼進行多旋翼飛行器測試送快遞,隨著媒體不斷報道四軸飛行器實現(xiàn)各類應用,諸如送快遞、輸電線路勘測、野生動物保護、安防監(jiān)控之類的想法似乎都不算新鮮了。四軸飛行器的市場似乎變得很大。

工作原理

旋翼對稱分布在機體的前后、左右四個方向,四個旋翼處于同一高度平面,且四個旋翼的結(jié)構(gòu)和半徑都相同,四個電機對稱的安裝在飛行器的支架端,支架中間空間安放飛行控制計算機和外部設備。結(jié)構(gòu)形式如圖所示。

對于姿態(tài)測量和控制來說,兩種方式差別不大?紤]到可能會使用圖像相關傳感器,為了使視線不被遮擋,所以大部分采用X模式。

四旋翼飛行器通過調(diào)節(jié)四個電機轉(zhuǎn)速來改變旋翼轉(zhuǎn)速,實現(xiàn)升力的變化,從而控制飛行器的姿態(tài)和位置。四旋翼飛行器是一種六自由度的垂直升降機,但只有四個輸入力,同時卻有六個狀態(tài)輸出,所以它又是一種欠驅(qū)動系統(tǒng)。

微型飛行器的動力學模型如圖所示。飛行器載體坐標系,原點固定于飛行器的重心,以坐標軸,分別指向飛行器的前( 橫滾軸)右( 俯仰軸) 和下( 偏航軸) 方向選取導航坐標系為參考坐標系,分別指向北東和當?shù)卮咕向下方向 和 分別代表飛行器受到轉(zhuǎn)矩和升力圖 ,四旋翼飛行器動力學模型四旋翼飛行器產(chǎn)生基本動作的原理為: 電機1和3逆時針旋轉(zhuǎn)驅(qū)動兩個反槳產(chǎn)生升力,電機2和4順時針旋轉(zhuǎn)驅(qū)動兩個正槳產(chǎn)生升力。反向旋轉(zhuǎn)的兩組電機和槳使其各自對機身產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩相互抵消,保證4個電機轉(zhuǎn)速一致時機身不發(fā)生轉(zhuǎn)動。

機1和4轉(zhuǎn)速減小(增大) 同時電機2和3轉(zhuǎn)速增大(減小), 產(chǎn)生向前(后)方向的運動。電機1和2轉(zhuǎn)速減小( 增大) , 同時電機3和4轉(zhuǎn)速增大( 減小) ,產(chǎn)生向左(右)方向的運動。4個電機轉(zhuǎn)速同時增大(減小)產(chǎn)生向上(向下)的運動。 對角線的電機一組轉(zhuǎn)速增大,另一組轉(zhuǎn)速減小產(chǎn)生自身旋轉(zhuǎn)運動。

四旋翼的基本組成

電機、電調(diào)、正反槳、電池、機架、遙控、飛控  

電機的種類:分為有刷和無刷兩類。有刷主要有空心杯和碳刷型的直流電機,主要是可以體積做到非常小,價格相對來說便宜。無刷的應用一般為稍大型的飛行器,載重大,可以有更廣范的用途。無刷電機的型號說明,例如:2218 KV2000, 22代表電機的外轉(zhuǎn)子直徑22mm,18代表轉(zhuǎn)子的高度為18mm, KV2000,代表電機的轉(zhuǎn)速,代表電壓每增加1V電機的實際轉(zhuǎn)速增加2000rpm/min。

電 調(diào):驅(qū)動電機用的調(diào)速器,無刷驅(qū)動相對來說要復雜需要單獨的控制MCU,控制三相橋驅(qū)動,有刷的一般為一個功率器件去驅(qū)動,都是通過調(diào)節(jié)PWM信號的脈沖寬度來控制各個電機的轉(zhuǎn)速。多大功率的電機要選合適的電調(diào)來驅(qū)動。

正反槳:槳的選用和電機的參數(shù)相關。多大的電機選多大的槳。不可以小馬拉大車。

電 池:四旋翼使用重量輕,容量大的電源,動力型鋰電池是首選,參數(shù)主要包括標稱電壓,容量和瞬間放電能力,例如:2S/1500maH 25C,表明電壓為2*3.7=7.4V 容量1500maH 瞬間放電能力為25*1500ma = 37.5A。

機 架:主要就是固定電機相關的地方,外形可以多種多樣。一般都用超輕,結(jié)實,薄的材料加工而成。

遙控器:主要為發(fā)送各種控制命令,F(xiàn)用的頻段為2.4G,正常的四旋翼至少為四通道,通道數(shù)越多,說明可以控制的功能也就越多。成品商用的遙控器,可控范圍一般是幾百米至上千米。價格也不一致,常用的至少幾百,好一點的上千一臺了。

飛 控:為四旋翼的核心部件,沒有飛控,組裝好的四旋翼相當于無頭、無翅膀的蒼蠅,想飛都飛不起來。飛控主要組成,微處理器,陀螺儀,加速度傳感器,地磁傳感器,氣壓計,空速計,GPS,無線接收模塊組成。微處理器通過從各路傳感器獲取實時的數(shù)據(jù),經(jīng)過捷聯(lián)慣導算法,求出姿態(tài)角,再根據(jù)無線接收機收到的遙控命令數(shù)據(jù)進行比較計算出控制量然后分別對這些 據(jù)無線接收機收到的遙控命令數(shù)據(jù)進行比較,計算出控制量,然后分別對這些控制量進行PID計算,最后將這些輸出量轉(zhuǎn)化為PWM 信號,分別控制各個電機轉(zhuǎn)速達到想要的姿態(tài)和位置 機轉(zhuǎn)速,達到想要的姿態(tài)和位置。

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烈火微型四軸飛行器

飛行器相關部件

遙控器相關部件

焊接相關細節(jié)及試飛

正反槳識別

如何正確安裝槳葉,首先認識一下正反槳,如下圖,順時針轉(zhuǎn)風向向下的為正槳;逆時針轉(zhuǎn),風向向下的為反槳。

遙控器功能

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四軸飛行器做的“幽靈”晚上放出來嚇唬人妥妥的……

四軸飛行器當然不會滿足于當工程師們的玩具。作為四軸飛行器的升級應用,多軸飛行系統(tǒng)已經(jīng)在影視、消防、農(nóng)業(yè)、電力系統(tǒng)等行業(yè)有了廣泛應用,也有了一個高大上的名詞——無人機。

測繪地圖

無人機測繪可以用于繪制高精度3D地圖,或者用于監(jiān)控土地使用許可,確保沒有越界使用土地,或者建筑超高及其他不按城市規(guī)劃的違規(guī)使用土地現(xiàn)象。這樣的高精度3D地圖更可以用于電子導航。

應用于農(nóng)業(yè)

多軸直升機遙控模型已經(jīng)非常成熟,與攝像器材結(jié)合就成為低成本航拍利器。隨時掌握水分、土壤和農(nóng)作物長勢情況。確定播種、補種、澆水、施肥、噴灑農(nóng)藥的需要,或者在大型果園里監(jiān)控每一棵果樹的結(jié)果情況,便于組織有針對性的及時采摘。

勘探和采礦

勘探和采礦是另一個適合使用無人機的地方。用無人機在荒蕪人煙的地方實行航測航探,從多光譜到探地雷達,從磁場異常探測到重力異常探測,可以發(fā)現(xiàn)多種礦藏和其他資源,這當然是最自然的應用。

觀察野生動物

空中的野生動物巡邏可以及時監(jiān)控和預警,既保護人類安全,也避免不必要的獵殺。 英國動保部門已經(jīng)開始采用無人機來防止非法獵殺。

氣象觀察

在氣象觀察,無人機用于臺風眼和龍卷風眼追蹤特別有用。強烈旋風的危害很大,但生成機理和預測依然有很多難題,實際進入風眼收集數(shù)據(jù)十分必要,但危險性也不言而喻,這是無人機不可替代的應用場合。

快 遞

你家在某大廈20樓,有天你在家看電視,忽然手機上來了一條消息:“親,你在亞馬遜上買的Kindle將于10分鐘內(nèi)送達,請打開窗戶或者到陽臺處接收貨物!8分鐘后,一架小型旋翼飛機懸停在你家陽臺,驗證身份,取下快件,無人機返航。

這可不是電影里的場景,亞馬遜真的在推出了無人飛機快遞計劃。CEO 貝索斯親自站臺演示了這個名為Prime Air的無人機項目。

新聞、影視、娛樂

無人機在新聞、影視、娛樂方面也大有可為。廣告、婚紗、慶典攝影也可以用無人機,說不定哪一天私人偵探也會用上無人機。

軍事領域

2001年開始的阿富汗和伊拉克戰(zhàn)爭無疑揭開了無人機革命,MQ-1“捕食 者”無人機開始掛載武器實戰(zhàn)。

警用無人機

無人機尺寸較小,續(xù)航時間超長,不受地形視野限制,不易引起被監(jiān)視對象的注意,攜帶的監(jiān)控設備可以長時間提供穩(wěn)定、高分辨率的實時視頻,對反恐、反毒、反有組織犯罪、刑事調(diào)查、人群監(jiān)控、大面積搜索等方面特別有用。警用無人機可以部分取代警用直升機的功能,有助于節(jié)省警務開支

暢想無人機未來

無人機對于普通人可能比較陌生,但對于廣大的電子工程師來說,一定很熟悉,我們常見的四軸飛行器就屬于無人機的一種。無人機在我們普通人的日常生活中,并不常見,但很多場合都能看到它的身影。比如剛剛過去的世界杯足球場上,我們不止一次看到無人機忙于航拍的身影。

無人機最受重視的領域仍在軍事方面,各國都不斷地加強對無人戰(zhàn)機的研究,改進無人戰(zhàn)機的功能,無人戰(zhàn)機低成本、高效率的特性,都使其成為足以影響戰(zhàn)局的因素。不得不說,未來如果發(fā)生戰(zhàn)爭的話,無人機很有可能充當主角。

目前無人機正在農(nóng)業(yè)、執(zhí)法及搜尋營救等領域發(fā)揮作用,未來其還在校園巡視、巴士駕駛及包裹運送等方面發(fā)揮作用。Cody Willard認為,隨著無人機零部件、科技及相關運轉(zhuǎn)平臺成本的逐步下降,無人機成為未來主流應用的趨勢已無法逆轉(zhuǎn)。

對于現(xiàn)在的我們來說,不管以后科技給我們帶來什么樣的變化,我們都能坦然接受,因為我們看到了太多科幻大片中的想象變成現(xiàn)實?萍荚谧兓,我們的生活方式也在變化。無人機以后會在我們普通人的生活中扮演什么角色呢,我想快遞員的角色它是當定了,以后送快遞的不再是快遞員,無人機運送物品將成為喜聞樂見的事。是不是不管我們走到哪兒都可以隨時隨地帶著無人機,忘了帶什么東西,可以讓它去取。額....是不是把無人機當機器人(管家)了...