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多旋翼无人机知识手册


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V1.1 版

培训 教材

多旋翼无人机知识手册

翎航智能科技工作室

多旋翼无人机知识手册

前 言 随着多旋翼无人机的应用日趋广泛,多旋翼无人机的入 门门槛越来越低, “到手飞” 、个人航拍机等对操作人员的要 求几乎是零,对毫无基本常识

和经验的人来说也可以操作。 但这些都为人身和财产安全埋下了巨大的隐患,出于以上考 虑,本教材阐述了多旋翼无人机的基本原理、总结了飞行过 程中的注意事项、操作方法、以及如何规避风险。这是一本 适合飞行初学者的教材,旨在普及航空知识、和飞行常识等 基本理论,根据经验提出在飞行中应该注意的问题和如何规 避风险、应急处置等。 本教材的材料有些基于无人机方面的书籍,有些则基于 航模飞行的经验,很多都是十分难得的第一手资料,因此可 以作为飞行初学者的基础教程,也可以作为以拓宽知识面、 开拓思路为主要目的的广大无人机爱好者的学习资料。 由于水平有限,时间仓促,书中疏漏之处在所难免,敬 请读者朋友批评指正,以使我们在再版时修订。

作者

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多旋翼无人机知识手册

目 录
前 言 ................................................................................................... - 2 目 录 ................................................................................................... - 3 第一章 绪论 ....................................................................................... - 4 第二章 系统组成及原理 .................................................................... - 7 第三章 飞行器 ................................................................................. - 18 第四章 操作方法实例...................................................................... - 26 第五章 其他细节 ............................................................................. - 45 第六章 多旋翼无人机的作用与意义 .............................................. - 53 第七章 与多旋翼无人机有关的航空法规及航空气象 ................... - 54 总结 ................................................................................................... - 66 参考文献 ........................................................................................... - 66 -

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第一章 绪论
关于无人机系统的发展历史在任何一本讲无人机的书里都有介 绍,在这里不再重复。而关于国内外无人机的发展现状,在所有文章 中也都说的很片面,基于自身水平和对国外无人机的了解有限,也不 再赘述,在本文中只针对多旋翼无人机进行评述。

多旋翼无人机系统概述
无人机英文缩写 UAV,涵盖无人驾驶飞机、遥控飞行器及无人靶 机。由于多旋翼无人机是近几年才发展起来,脱胎于航空模型。航空 模型一般称为无线电控制(RC) ,所以很多人也认为多旋翼无人机是 航模。但是无线电控制是从一个遥远的地点位置制导或控制的,属于 无人机,但是无人机不一定就是无线电控制的,因为无人机可以根据 预先设置的飞行程序来飞行。 不管无人机是以遥控控制的方式还是通过一个预设的导航系统 飞行,它并不一定是被放飞的,即由一个有飞行技能的人来操控。目 前使用的无人机通常有自动驾驶及导航系统,可保持飞行姿态、飞行 高度及机型地面跟踪。 遥控控制无人机通常指通过地面控制站中设置的开关或者操纵 杆来手工调整无人机的方向、高度、速度等,以此来控制无人机的位 置。但当无人机到达指定航线时,无人机中的自动驾驶仪便可保持飞 行稳定及实行操纵。各种类型的导航系统(全球定位系统、无线电控 制系统、惯性系统)可执行事先设定的任务,这些任务可由人工操纵

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完成,也可自动完成。 一架典型的无人机系统至少应该包括飞行器、 一个或多个地面控 制系统和/或任务规划与控制站、有效载荷及数据链路。此外,很多 无人机系统包括发射与回收子系统。一个非常简单的、普通的无人机 系统如图 1.1 所示。

图 1.1 普通无人机系统

飞行器
飞行器是无人机系统中的空中部分,包括飞机机体、推进装置、 飞行操控装置、供电系统。飞行数据终端被安装在飞机上,它是通讯 数据链路的机载部分。有效载荷显然是机载的,但它却被认为是独立 的子系统,能够在不同的飞行器之间通用,并且经过特别设计,能够 完成各种不同人物。飞机可以使固定翼式、旋转翼式或风管式。轻型 飞行器也可称为无人机。某些典型的飞行器如图 1.2 所示。

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图 1.2 典型的飞行器

多旋翼无人机系统分类 按轴数分有三轴、四轴、六轴、八轴甚至十八轴等。 按发动机个数分有三旋翼、四旋翼、六旋翼、八旋翼甚至十八旋 翼等。 要大家明确一点是轴和旋翼一边情况下是相同的, 有时候也是不 同的,比如四轴八旋翼。是将四轴上每个轴上下各安装一个电机构成 八旋翼。本教材只要以四旋翼为主。 多旋翼无人机的任务 多旋翼无人机的任务根据航程、续航时间、速度及有效载荷能力

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来决定, 通常在设计无人机之初主要是依据有效载荷和任务具体要求 来设计。最常见的任务包括航拍、植保、巡线、刑侦、救援等等。任 务不同需求也不同,对性能要求有各自的侧重点,但目前最迫切的需 要是在保证有足够的任务载荷情况下能够提供更长的续航时间。 市场 上可见的多旋翼无人机多应用在民用领域, 在军事上应该有大规模应 用的前景,但尚未普及,这也对多旋翼无人机的稳定性、可靠性和适 应各种复杂环境的能力提出了挑战, 目前多旋翼无人机正朝着模块化 结构迈进,这大大简化了多旋翼无人机的结构,对进一步拓宽市场起 到了一定的推进作用。

第二章 系统组成及原理
四轴 (多轴) 飞行器也叫四旋翼 (多旋翼) 飞行器, 它有四个 (多 个)螺旋桨,四轴(多轴)飞行器也是飞行器中结构最简单的飞行器 了。前后左右各一个,其中位于中心的主控板接收来自于遥控发射机 的控制信号, 在收到操作者的控制后通过数字的控制总线去控制四个 电调,电调再把控制命令转化为电机的转速,以达到操作者的控制要 求。根据所安装的飞控系统来确定电机的转动顺序和螺旋桨的正反, 机械结构上只需保持重量分布的均匀,四电机保持在一个水平线上, 可以说结构非常简单, 做四轴的目的也是为了用电子控制把机械结构 变得尽可能的简单。 对于其组成归纳来说如图所示:

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多旋翼无人机组成

机 身 起 落 架

马 达 , 电 调

电 池

螺 旋 桨

飞 控

遥 控 装 置

G P S 模 块

任 务 设 备

数 据 链 路

机身: 机身是大多数设备的安装位置, 也是多旋翼无人机的主体, 也成为机架。根据机臂个数不同分为:三旋翼,四旋翼,六旋翼,八 旋翼, 十六旋翼, 十八旋翼也有四轴八旋翼等, 结构不同叫法也不同。 出于结构强度和重量考虑,一般采用碳纤维材质。 起落架:多旋翼无人机唯一和地面接触的部位。作为整个机身在 起飞和降落时候的缓冲,也是为了保护机载设备,要求强度高,结构 牢固,和机身保持相当可靠的连接,能够承受一定的冲力。一般在起 落架前后安装或者涂装上不同的颜色, 用来在远距离多旋翼无人机飞 行时能够区分多旋翼无人机的前后。 马达:对于电动无人机来说就是电机,是多旋翼无人机的动力机 构,提供升力,推力等。无刷电机去除了电刷,最直接的变化就是没 有了有刷电机运转时产生的电火花, 这样就极大减少了电火花对遥控 无线电设备的干扰。无刷电机没有了电刷,运转时摩擦力大大减小, 运行顺畅,噪音会低许多,这个优点对于模型运行稳定性是一个巨大 的支持。 电机四个数字的含义: 2212 电机、2018 电机等等,这表示电机 的尺寸。不管什么牌子的电机,具体都要对应 4 位这类数字,其中前

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面 2 位是电机转子的直径,后面 2 位是电机转子的高度。注意,不是 外壳。简单来说,前面 2 位越大,电机越肥,后面 2 位越大,电机越 高。又高又大的电机,功率就更大,适合做大四轴。通常 2212 电机 是最常见的配置了。 无刷电机 KV 值定义:转速/V,意思为输入电压增加 1V,无刷电 机空转转速增加的转速值。例如:1000kv 电机,外加 1v 电压,电机 空转时每分钟转 1000 转,外加 2v 电压,电机空转就 2000 转了。单 从 KV 值,不可以评价电机的好坏,因为不同 KV 值有不同的适用不同 尺寸的浆绕线匝数多的,KV 值低,最高输出电流小,但扭力大,上 大尺寸的浆;绕线匝数少的,KV 值高,最高输出电流大,但扭力小, 上小尺寸的浆 电调:电子调速器,将飞控的控制信号,转变为电流信号,用于 控制电机转速。 因为电机的电流是很大的, 通常每个电机正常工作时, 平均有 3A 左右的电流,如果没有电调的存在,飞控根本无法承受这 样大的电流,而且飞控也没有驱动无刷电机的功能。同时电调在多旋 翼无人机中也充当了电压变化器的作用,将 11.1V 电压变为 5V 电压 给飞控供电。 电池:是电动多旋翼无人机的供电装置,给电机和机载电子设备 供电。最小是 1S 电池,常用的是 3S、4S、6S,1S 代表 3.7V 电压, 螺旋桨:安装在电机上,多旋翼无人机安装的都是不可变总距的 螺旋桨,主要指标有螺距和尺寸。 浆的指标是 4 位数字,前面 2 位代表桨的直径(单位:

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英寸,1 英寸=254 毫米)后面 2 位是桨的螺距。 正反桨 :四轴飞行为了抵消螺旋桨的自旋,相邻的桨旋转方向是不 一样的,所以需要正反桨。正反桨的风都向下吹。适合顺时针旋转的 叫正浆、适合逆时针旋转的是反浆。安装的时候,一定记得无论正反 桨,有字的一面是向上的(桨叶圆润的一面要和电机旋转方向一致) 。 电机与螺旋桨的搭配:这是非常复杂的问题,我自己也在研究当中, 所以建议采用大家常见的配置吧,但原理这里可以阐述一下:螺旋桨 越大, 升力就越大, 但对应需要更大的力量来驱动; 螺旋桨转速越高, 升力越大;电机的 kv 越小,转动力量就越大; 综上所述,大螺旋桨就需要用低 kv 电机,小螺旋桨就需要高 kv 电机(因为需要用转速来弥补升力不足) 。如果高 kv 带大桨,力量不 够,那么就很困难,实际还是低俗运转,电机和电调很容易烧掉。如 果低 kv 带小桨,完全没有问题,但升力不够,可能造成无法起飞。 例如:常用 1000kv 电机,配 10 寸左右的桨。 飞控:包括陀螺仪、加速度计、电路控制板、各外设接口。 陀螺仪:理论上陀螺只测试旋转角速度,但实际上所有的陀螺都 对加速度敏感,而重力加速度在我们地球上又是无处不在,并且实际 应用中,很难保证陀螺不受冲击和振动产生的加速度的影响,所以再 实际应用中陀螺对加速度的敏感程度就非常的重要, 因为振动敏感度 是最大的误差源。 两轴陀螺仪能起到增稳作用, 三轴陀螺仪能够自稳。 加速度计:一般为三轴加速度计,测量三轴加速度和重力。 遥控装置:包括遥控器和接收机,接收机装在机上。一般按照通

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道数将遥控器分成六通道、八通道、十四通道遥控器等,对于通道的 概念在后边章节会有详细介绍。 GPS 模块:测量多旋翼无人机当前的经纬度、高度、航迹方向、 地速等信息。一般在 GPS 模块中还会包含地磁罗盘(三轴磁力计) : 测量飞机当前的航向。 任务设备: 目前最多的就是云台, 常用的有两轴云台和三轴云台; 云台作为相机或摄像机的增稳设备, 提供两个方向或三个方向的稳定 控制。云台可以和控制电机的集成在一个遥控器中,也可以单独的遥 控器控制。 数据链路:数据链路包括数传和图传。数传就是数字传输,数传 终端和地面控制站(笔记本或手机等数据终端) ,接受来自飞控系统 的数据信息。 图传就是图像传输, 接受机载相机或摄像机拍摄的图像, 一般延迟在几十毫秒,目前也有高清数字图传,传输速率和清晰度都 有很大提高。 控制原理 四轴飞行器的控制原理就是,当没有外力并且重量分布平均时, 四个螺旋桨以一样的转速转动, 在螺旋桨向上的拉力大于整机的重量 时, 四轴就会向上升, 在拉力与重量相等时, 四轴就可以在空中悬停。 在四轴的前方受到向下的外力时,前方马达加快转速,以抵消外力的 影响从而保持水平, 同样其它几个方向受到外力时四轴也是可以通过 这种动作保持水平的,当需要控制四轴向前飞时,前方的马达减速, 而后方的马达加速,这样,四轴就会向前倾斜,也相应的向前飞行,

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同样,需要向后、向左、向右飞行也是通过这样的控制就可以使四轴 往我们想要控制的方向飞行了, 当我们要控制四轴的机头方向向顺时 针转动时,四轴同时加快左右马达的转速,并同时降低前后马达的转 速,因为左右马达是逆时针转动的,而左右马达的转速是一样,所以 左右是保持平衡的,而前后马达是顺时针转动的,但前后马达的转速 也是一样的,所以前后左右都是可以保持平衡,飞行高度也是可以保 持的, 但是逆时针转动的力比顺时针就大, 所以机身会向反方向转动, 从而达到控制机头的方向。这也是为什么要使用两个反桨,两个正桨 的原因。 电调 我们平时用的商品电调是通过接收机上的油门通道进行控制的, 这个接收机出来的控制信号一般都是 20mS 间隔的 PPM 脉宽控制信 号,而四轴为了提高响应的速度,需要控制命令的间隔更短-比如说 5mS,所以就需要特殊的电调而不能用普通的商品电调,但是为什么 要使用 I2C 总线跟电调连接呢,这个跟电路设计以及软件编写等有 关,I2C 总线在硬件连接上可以多个设备直接并连在总线上,它有相 应的传输机制保证主机与各个从机之前顺畅沟通, 这样连接就比较的 方便,所以四个电调的控制线是并接在一起连到主控板上就可以了, 这个也跟我们选用的芯片相关,很多单片机都有集成 I2C 总线的,软 件设计起来也得心应手。 陀螺仪 陀螺仪对微小的转动非常敏感, 所以它对飞行器飞行姿态的控制

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起着重要作用,飞机有一点点的偏转陀螺仪就能自动修正,简单的来 说陀螺仪就是帮助飞机保持稳定姿态的, 所以又陀螺仪的飞机飞行稳 定,但是四轴飞行器没有陀螺仪就不能飞了,因为四个螺旋桨的动力 有一点点差别就会侧翻,三轴加速计是用来分析陀螺仪的信号,转了 多少角度,分析此时飞行姿态,它能够记住飞机的姿态,当你操纵杆 回位后,飞机就自动恢复水平。 简单来说,航拍四轴(多轴)飞行器就是利用一个四轴(多轴) 的飞行器搭载一个摄像,再加上一个图传系统实现地面的监控,就组 成了一个航拍四轴(多轴)飞行器了。 结构 如图所示,电机 1 和电机 3 逆时针旋转的同时,电机 2 和电机 4 顺时针旋转,因此当飞行器平衡飞行时,陀螺效应和空气动力扭矩效 应均被抵消。 与电动直升机相比,四旋翼飞行器有下列优势:各个旋翼对机身 所施加的反扭矩与旋翼的旋转方向相反, 因此当电机 1 和电机 3 逆时 针旋转的同时,电机 2 和电 机 4 顺时针旋转,可以平衡 旋翼对机身的反扭矩。四旋 翼飞行器在空间共有 6 个自 由度(分别沿 3 个坐标轴作 平移和旋转动作) ,这 6 个 自由 度的控 制都可以通过

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调节不同电机的转速来实现。 构造 四轴飞行器其构造特点是在它的四个角上各装有一旋翼, 由电机 分别带动, 叶片可以正转, 也可以反转。 为了保持飞行器的稳定飞行, 在四轴飞行器上装有 3 个方向的陀螺仪和 3 轴加速度传感器组成惯 性导航模块,它还通过电子调控器来保证其快速飞行。 技术难点 首先,在飞行过程中它不仅受到各种物理效应的作用,还很容易 受到气流等 外部环境的干扰,很难获得其准确的性能参数。 其次,微型四旋翼无人飞行器是一个具有六个自由度,而只有四个控 制输入的欠驱动系统。它具有多变量、非线性、强耦合和干扰敏感的 特性,使得飞行控制系统的设计变得非常困难。 再次,利用陀螺进行物体姿态检测需要进行累计误差的消除,怎样建 立误差模型和通过组合导航修正累积误差是一个工程难题。 这三个问 题解决成功与否,是实现微型四旋翼无人飞行器自主飞行控制的关 键,具有非常重要的研究价值。 基本运动状态 垂直运动,俯仰运动,滚转运动,偏航运动,前后运动,侧向运 动。 垂直运动 图 a 中,因有两对电机转向相反,可以平衡其对机身的反扭矩, 当同时增加四个电机的输出功率,旋翼转速增加使得总的拉力增大,

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当总拉力足以克服整机 的重量时,四旋翼飞行 器便离地垂直上升;反 之,同时减小四个电机 的输出功率,四旋翼飞 行器则垂直下降,直至 平衡落地,实现了沿 z 轴的垂直运动。当外界扰动量为零时,在旋翼 产生的升力等于飞行器的自重时,飞行器便保持悬停状态。保证四个 旋翼转速同步增加或 减小是垂直运动的关 键。 俯仰运动 图(b)中,电机 1 的 转速上升, 电机 3 的转 速下降,电机 2、电机 4 的转速保持不变。为了不因为旋翼转速的改变引起四旋翼飞行器整 体扭矩及总拉力改变,旋翼 1 与旋翼 3 转速该变量的大小应相等。由 于旋翼 1 的升力上升,旋翼 3 的升力下降,产生的不平衡力矩使机身 绕 y 轴旋转(方向如图所示) ,同理,当电机 1 的转速下降,电机 3 的转速上升,机身便绕 y 轴向另一个方向旋转,实现飞行器的俯仰运 动。 滚转运动

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与图 b 的原理相同,在图 c 中,改变电机 2 和电机 4 的转速,保 持电机 1 和电机 3 的转速不变, 则可使机身绕 x 轴旋转 (正向和反向) , 实现飞行器的滚转运动。 偏航运动 四旋翼飞行器偏航运动可以借助旋翼产生的反扭矩来实现。 旋翼 转动过程中由于空气阻力作用会形成与转动方向相反的反扭矩, 为了 克服反扭矩影响,可使四个旋翼中的两个正转,两个反转,且对角线 上的来年各个旋翼转动方向相同。反扭矩的大小与旋翼转速有关,当 四个电机转速相同时,四个旋翼产生的反扭矩相互平衡,四旋翼飞行 器不发生转动;当四个电机转速不完全相同时,不平衡的反扭矩会引 起四旋翼飞行器转动。在图 d 中,当电机 1 和电机 3 的转速上升,电 机 2 和电机 4 的转速下降时, 旋翼 1 和旋翼 3 对机身的反扭矩大于旋 翼 2 和旋翼 4 对机身的反扭矩, 机身便在富余反扭矩的作用下绕 z 轴 转动,实现飞行器的偏航运动,转向与电机 1、电机 3 的转向相反。

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前后运动 要想实现飞行器在水平面内前后、左右的运动,必须在水平面内 对飞行器施加一定的力。在图 e 中,增加电机 3 转速,使拉力增大, 相应减小电机 1 转速, 使拉力减小, 同时保持其它两个电机转速不变, 反扭矩仍然要保持平衡。按图 b 的理论,飞行器首先发生一定程度的 倾斜,从而使旋翼拉 力产生水平分量,因 此可以实现飞行器 的前飞运动。向后飞 行与向前飞行正好 相反。当然在图 b 图 c 中,飞行器在产生俯仰、翻滚运动的同时也会产生沿 x、y 轴的水 平运动。 侧向运动 在图 f 中,由于结构对称,所以侧向飞行的工作原理与前后运动 完全一样。

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第三章 飞行器
多旋翼的空气动力特点 (1)产生向上的升力用来克服机身的重力。多旋翼无人机是通过多 个旋翼一起调节转速达到控制机身完成飞行动作的目的,所以发动机 空中停车时,多旋翼无人机会出现失控现象,除非六旋翼或更多旋翼 在某个发动机停车时能够通过其他发动机进行补偿。 (2)产生向前的水平分力克服空气阻力使多旋翼无人机前进,类似 于飞机上推进器的作用。 (3)产生其他分力及力矩:多旋翼无人机电机是成对出现的,且相邻 电机安装正反浆,用以中和扭矩。螺旋桨由两片桨叶组成。工作时, 桨叶与空气作相对运动,产生空气动力; 先来考察一下多旋翼的轴向直线运动,由于多旋翼和直升机的情 况类似,和直升机做对比就行研究。由于两者技术要求不同,旋翼的 直径大且转速小;螺旋桨的直径小而转速大。在分析、设计上就有所 区别。设一旋冀,桨叶片数为 k,以恒定角速度 Ω 绕轴旋转,并以速 度 Vo 沿旋转轴作直线运动。 如果在想象中用一中心轴线与旋翼轴重合, 而半径为 r 的圆柱面把桨叶裁开(参阅图 2,1—3),并将这圆柱面展开 成平面,就得到桨叶剖面。既然这时桨叶包括旋转运动和直线运动, 对于叶剖面来说,应有用向速度(等于 Ω r)和垂直于旋转平面的速度 (等于 Vo),而合速度是两者的矢量和。显然可以看出(如图 2.1—3), 用不同半径的圆柱面所截出来的各个桨叶剖面,他们的合速度是不同 的:大小不同,方向也不相同。如果再考虑到由于桨叶运动所激起的

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附加气流速度(诱导速度)),那么桨叶各个剖面与空气之间的相对速度 就更加不同。与机翼相比较,这就是桨叶工作条件复杂,对它的分析 比较麻烦的原因所在。

旋翼拉力产生的滑流理论 现以直升机处于垂直上升状态为例,应用滑流理论说明旋翼拉力 产生的原因。此时,将流过旋翼的空气,或正确地说,受到旋翼作用 的气流,整个地看做一根光滑流管加以单独处理。假设: 空气是理想流体,没有粘性,也不可压缩; 旋转着的旋冀是一个 均匀作用于空气的无限薄的圆盘(即桨盘),流过桨盘的气流速度在桨

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盘处各点为一常数; 气流流过旋翼没有扭转(即不考虑旋翼的旋转影 响),在正常飞行中,滑流没有周期性的变化。 根据以上假设可以作出描述旋翼在:垂直上升状态下滑流的物理 图像,如下图所示,图中选取三个滑流截面,So、S1 和 S2,在 So 面, 气流速度就是直升机垂直上升速度 Vo,压强为大气压 Po,在 S1 的上 面,气流速度增加到 V1=Vo+v1,压强为 P1 上,在 S1 的下面,由于流 动是连续的,所以速度仍是 V1,但压强有了突跃 Pl 下>P1 上,P1 下 一 P1 上即旋翼向上的拉力。在 S2 面,气流速度继续增加至 V2=Vo+v2, 压强恢复到大气压强 Po。

这里的 v1 是桨盘处的诱导速度。v2 是下游远处的诱导速度,也就 是在均匀流场内或静止空气中所引起的速度增量。对于这种现象,可 以利用牛顿第三用动定律来解释拉力产生的原因。

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旋翼拉力产生的涡流理论 根据前面所述的理论,只能宏观地确定不同飞行状态整个旋翼的 拉力和需用功率,但无法得知沿旋翼桨叶径向的空气动力载荷,无法 进行旋设计。为此,必须进一步了解旋翼周围的流场,即旋冀桨叶作 用于周围空气所引起的诱导速度,特别是沿桨叶的诱导速度,从而可 计算桨叶各个剖面的受力分布。 在理论空气动力学中,涡流理论就是求解任一物体(不论飞机机翼 或旋翼桨叶)作用于周围空气所引起的诱导速度的方法。从涡流理论的 观点来看,旋翼桨叶对周围空气的作用,相当于某一涡系在起作用, 也就是说,旋翼的每片桨叶可用一条(或几条)附着涡及很多由桨叶后 缘逸出的、以螺旋形在旋翼下游顺流至无限远的尾随涡来代替。 按照旋翼经典涡流理论,对于悬停及垂直上升状态(即轴流状态), 旋翼涡系模型就像一个半无限长的涡拄,由一射线状的圆形涡盘的附 着涡系及多层同心的圆柱涡面(每层涡面由螺旋涡线所组成)的尾迹涡 系两部分所构成(如下图所示)。

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直升机旋停、垂直上升状态的涡柱

这套涡系模型完全与推进螺旋桨的情况相同。至于旋冀在前飞状 态的涡系模型,可以合理地引伸为一个半无限长的斜向涡柱,由一圆 形涡盘的附着涡系及多层斜向螺旋涡线的斜向涡面的尾迹涡系两部分 所构成(如下图所示)。

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直升机前飞状态的涡柱

基本空气动力学方程在所有介绍空气动力学的书中都 有讲,在 这里只 以浅显的 语言介 绍,尽量 让大家 不用因为 公 式头疼

飞行性能
多轴飞行器里,抛开一些比较基本的震动、稳定性的问题不说, 大家关心比较多的应该就是续航时间了。 其实决定一架多轴飞行能力 的主要指标简单的说无非就是飞行时间、飞行重量、耗电量这三个要 素。搞清楚这三个要素之间的关系,你就会比较容易的设计出你想要 的多轴飞行器。飞行时间和飞行重量这两个都很好理解,飞行时间一 般我们习惯以分钟为单位,飞行重量我们习惯以克为单位。耗电量就 是指你以某个飞行重量飞行了某段时间所损耗的电量。

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耗电量的计算: 不管是做什么形态的多轴, 我们都想做出载重大, 飞行时间长,耗电小的机子,如果说飞行时间和载重都是必须的,那 么耗电量就是唯一可控的变量了, 所以我们必须搞清楚多轴耗电量是 怎么出来的。想要搞清楚这个问题,在这里有必要先普及一些基础知 识。大家都知道,我们家里的日常用电都是以度为单位的,一度电其 实就代表一千瓦时(1000WH) ,指的是如果你有一台功率是 1000 瓦的 电器,使用一小时所耗的电量就是一度电。那么这台电器的 1000 瓦 功率指的具体又是什么呢?功率其实就是电流和电压相互作用产生 的结果,一般我们用“功率=电压*电流”这个关系来表示。好,搞清 这概念之后我们就可以去看看我们平时所使用的电池的电量到底有 多少了。以最常见的 3S2200MAH(毫安时)的锂电来说,储存在里面 的电量理论上大概应该是(3*3.7 伏)*2.2 安时=22.42 瓦时,其中 2.2 安时(2.2AH)就是电池上所标称的 2200 毫安时(2200MAH)的 换算结果,因为 1000MAH=1AH,电压我们就按平时最常说的 3.7 伏的 单片电芯电压来算。 算出来的 22.42 瓦时就代表如果你的多轴使用的 是这块电池,而且整体飞行时的功率只有 22.42 瓦,那么飞行一个小 时是没问题的了。如果你的多轴功率是 100 瓦,那么用 3S2200MAH 这 块电池能飞多久呢?换算一下就知道了: 60/(100/22.42 )=13.45 分钟。 其实, 耗电量在实际情况下我们不是算出来的, 而是飞出来的, 飞完一块电池后回来能充回进去的电量才是比较真实的耗电量, 一般 好点的充电器都会有充电量显示。说了这么久,那到底耗电量我们应 该怎样去控制才能让多轴能载大、航长、耗小呢?这个问题就取决于

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你如何去控制你多轴飞行器的飞行效率了。 飞行效率:飞行的效率一般我们用‘克/瓦’表示,代表每瓦的 消耗能产生几克的拉力, 其高低与电机自身的效率和桨的搭配有着密 切的关系,但电机的效率一般都是生产厂家给出的数据,而且还存在 一定的水分,电机的型号相同厂家不同效率上也会有所不同,我们无 法控制,只有选择的权利。一般好点厂家的电机都会给出相应的配桨 效率参数,在厂家给出的效率表中,我们不难发现在电机效率高的情 况下一般都是大桨低转速时才会有, 所以如果想让多轴飞行效率高可 以考虑尽量用 KV 值低的电机上大桨。 经验得出的结论: 在不考虑多轴的结构、震动、平衡等方面带来的损耗的基础上, 我们可以用下面两个较为简单的计算方法来对飞行器的安装和调试 进行一些判断。 方法一: (适用于装机) 飞行时间 = 60 /(飞行重量 /(电池实际容量 * 电池电压 * 效率) ) 例如:你看上了一堆配置,大概参数是这样:4S5000MAH 的电池(重 500 克) 、六轴机架(重 400 克) 、电调(6*20 克) 、飞控图传(200 克) 、云台和狗(200 克) 、电机和桨(6*100 克) ,飞行器的飞行重量 在 2020 克左右。假设根据厂家给出的数据,电机在和某桨搭配时, 在 30%的输出功率时拉力是 300 克效率是 13 克瓦, 在 50%的输出功率 时拉力是 500 克效率是 10 克瓦,在 80%的输出功率时拉力是 800 克 效率是 7 克瓦,根据多轴的 2020 克飞行重量得知每个电机的输出拉

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力应在 340 克以上才能实现悬停, 那么我们可以根据厂家给出的参数 保守的推算一下,在输出 340 克的拉力时效率应该还会有 12 克瓦左 右。所有参数都知道了,我们就可以推算出自己的配置大概能飞几分 钟了。 飞行时间=60 /(2020 /( 5 * 14.8* 12) )=26.43 分钟 所以理论上这套配置配出的多轴可以飞行 26.43 分钟, 但最后剔 除一些电池放电是否能达到标称值、电机参数是否存在虚标、桨的标 准程度等因素,保守估计应该会有 20 分钟左右的悬停时间。 方法二: (适用于调试) 效率 = 飞行重量 /( (60 / 飞行时间)* 电池实际每小时电流 * 电 池电压) 例如:接上例你把飞机装好了,飞行重量 2020 克,悬停爽飞了 18 分 钟,回来充电充进了 4500MAH 充满,那么机子的实际飞行效率是多少 呢? 效率=2020 /( (60 / 18)*4.5 * 14.8)=9.1 克/瓦 所以你的多轴飞行效率应该是 9.1 克每瓦, 对比当初的厂家效率 表效率明显偏低的了,这个时候你就可以自己分析一下是厂家虚标 了,还是机子结构上有什么其他不合理的地方增加了内耗,或者还是 其他什么方面的原因了。

第四章 操作方法实例
装机测试:

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因多轴飞行器构造简单,相对直升机调试容易,对飞手基础知识 要求大大降低,导致近年航模爱好者和拍摄领域的流行。流行同时, 因为飞行门槛降低, 很多不具备足够经验的新手在安装多轴飞行器过 程中缺乏相关知识,摔机事故频发。某些调试盲点甚至是已入模多年 的模友也难以避免。 本文以作者自身经验,在组装六轴飞行器过程中,边装边写。针 对目前绝大部分多轴装机用户存在的测试盲区,和忽略的细节,做一 个诠释和补充。 选择机架 镂空过多、中心板薄、电机臂碳管过小的机架会带来无法消除的 震动,使航拍画面产生水波纹而无法忍受,且给飞控带来负作用较大 的信号噪声,影响姿态数据采集和动力输出。如飞行器起飞重量大于 4KG,建议电机臂碳管不小于 16mm 或以上,机架碳板厚度达到 1.5mm 或以上。 市面上不少碳纤机架边缘过于锋利,不加以处理,长时间与线材 摩擦,会造成绝缘皮破损,甚至短路。动力线、信号线等需要穿越碳 纤机架边缘、开槽、开孔处时,建议用胶布先覆盖线材需要穿越区域 或套上蛇皮管一类,保护线材绝缘皮不会磨损。如有耐心,能再次打 磨机架边缘并用 502 封边则更佳。 选择接收机 至少为多轴飞行器准备 PCM 或 2.4G 接收机,PPM 接收机用于多 轴将是一场噩梦,不管你调整如何精细,PPM 不抗干扰抖舵特性会让

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所有努力付之一炬。没有失控保护或没有稳定失控保护触发(部分二 次变频 PPM 接收机支持失控保护,但触发不稳定),都会导致丢机和 摔机。飞行前务必在未安装螺旋桨时,测试关控后飞控是否进入正确 状态,接收机失控保护是否正确运转。 商用数传电台抗干扰、支持跳频、带数据效验和冗余,在数据回 传、失控保护方面也非常稳定,配合飞控支持的地面站能定航点定航 路完成预定任务,同样是好选择。但 APC250 之类稳定性欠佳的低端 定频数传则不建议采用。 市面上流行的飞控如 NAZA、Wookong-M、SuperX、X4、X6 在遥控 器校准界面皆可观察接收机的舵量输出, 如未打舵情况下任何通道跳 动, 很不幸你的接收机质量欠佳或控的电位器已经磨损, 导致了抖舵, 未排除故障前,不建议做任何校准和飞行。 接收机天线摆放 多轴飞行器上天线摆放的重要性,仅次于选择质量优良的接收 机。就市面流行的接收机而言,存在 FM、2.4G、433M、900M 几种, 统一遵循的原则是,尽可能远离信号发射和接收装置,尤其是远离图 传、碳纤材料、和金属,使用泡沫材料把天线与碳纤材料隔开 3~5 厘 米。FM 天线摆放需不缠绕,不重叠,尽可能舒展天线长度。能在确 保不会缠绕到螺旋桨的情况下, 耷拉在机体下方一段长度最好。 433M、 900M 接收天线须垂直于地面, 2.4G 接收两根天线互为 90 度摆放即可。 FUTABA 的接收机说明书中,有明确写到接收机应远离碳纤、导体, 可能的话将接收机与碳纤材料隔开 15 厘米以上距离。当然这在多轴

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上是很难做到的,但 尽你所能,为接收机创造良好的收讯条件。 电机与电调匹配 现在市面上销售的多轴电机, 基本都提供电机搭配各种桨在不同 油门下的测试曲线图或表格。按最大推荐螺旋桨配置,并 100%油门 时消耗的电流大约一倍配置电调,只要飞行器不超载,是安全的。如 朗宇 X4112S 配 DJI 15X5 碳纤桨最大电流能到 17A,配置 30A 电调就 能满足需要。 需要注意!电机连接电调尽量不使用香蕉头,焊接能消除接触不 良的隐患。 电调延长电源线只需采购与电调相同号数的硅胶线即可, 多之无 用。并联到插头时需要采用更高电流规格的硅胶线,多轴常用硅胶线 在 14~12 号之间。 多轴飞行器电机与电调的兼容适配和测试是一大难 题,且因为电调输出交流相位与电机的不匹配,会导致严重后果。更 让人无奈的是,在常规飞行和负载情况下,很多电机与电调的不兼容 表现不明显。甚至一些飞行器在多次全负载温和航线下也顺利飞行, 但在做大机动时才显露问题,表现为瞬间一个或多个电机驱动缺相, 直接跌落(排除电源接触不良,香蕉头接触问题等)。 曾经遇到过: DJI 30A 电调与双天盘式电机存在严重兼容性问题, 启动后电机会发出明显的转动异响和啸叫,1 分钟内电机滚烫,且其 中一个电机线圈开始冒烟。 要完全杜绝和排除此问题也较困难,因航模民用领域多轴,几乎 100%是开环结构,无法检测到每个电机是否转速正常。 (工业用多轴

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不少电机是内置转速计并输出给飞控) 单独给每个电机安装转速计和 电流计来测试实现成本又太高。 最基础测试电机与电调兼容性问题的方案: 在地面拆除螺旋桨,姿态或增稳模式启动,启动后油门推至 50%, 大角度晃动机身、大范围变化油门量,使飞控输出动力。仔细聆听电 机转动声音,并测量电机温度。测试需要逐渐增加时间,如电机温度 正常,一开始测试 30 秒~1 分钟递增。以上测试并不能完全杜绝因电 机与电调兼容性的摔机,只能在一定程度上排除可能性。 选择动力电池 目前航模用多旋翼飞行器一般总电流不会超过 100A ,选择 10~30C 放电能力的锂电都可满足需要。但考虑到 1 米以上、或小轴 距上下双桨结构、异形机架的电流需求变化起伏大,最精确当然还是 用高 A 数电流计计算所需电池 C 数。 众所周知,电池容量乘以放电 C 数即可得到电池持续放电电流, 以最常见的 XAircraft X650 为例,4S 动力配置如选择 25C 5000MA 4S 电池,持续放电电流可达 125A,完全满足飞行器需要。 值得注意的是, 市面杂牌动力电池虚标、 掉电压、 虚焊问题严重, 尽量选择知名厂家的优质电池。避免空中掉电摔机造成更大损失。 如果飞行器需要携带较重的云台、摄影、数据采集设备,则最好选择 低 C 数但能满足动力电流需要的高密度轻量化电池。 更可考虑双电源 输入,双电池并联供电加多一重保险。 小心检查电机轴机米和卡簧

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以朗宇 X4112S 电机为例, 固定电机轴的两颗机米并未打螺丝胶, 而我遇到 6 个电机其中 2 个,完全不用费一点力气,螺丝刀可以很轻 松的弄下机米,这在飞行中很可能造成电机轴打滑的隐患。 建议!每个机米都卸下自己打螺丝胶安装(模型直升机组装基本 都需打螺丝胶),并确认电机轴卡簧是否紧密。 信号线与电源线的处理 每个电机供电电调的舵机信号插头,在有条件和基础的情况下, 小心把舵机信号插针从塑料插头中取出,将信号线加上焊锡,与信号 插针融为一体再插回,确保没有松动可能。焊锡用量需恰到好处,焊 接一气呵成,且不可影响插针插入至原始深度。所有焊接务必等待焊 锡 10 秒左右冷却,才可确保牢靠,再热缩管缩紧。所有接头处,尽 量打胶固定,不管是 BEC、GPS、图传都有松动的可能。 强烈建议勿使用任何转接头,正品 XT60 插头耐持续放电电流为 80A,是 1 米轴距以下四轴、六轴插头最起码配置。更大的多轴飞行 器可能需要配备 100~150A 耐持续放电规格的插头。如须用到动力电 并联板,也需选择铜箔厚度达标的产品,且焊接时需要用到高功率电 烙铁以防散热面积大,焊接温度不足引起的虚焊。但我个人并不推荐 动力电并联板供电的方式,因多轴为减轻重量,以碳纤版为机架主要 材料,摔机后损伤的碳纤碎片、并联板变形可能导致直接短路,全部 设备有玉石俱焚的可能。 留有长度余量的动力电硅胶线并联则可一定 程度上规避短路。 油门行程确认

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在有条件和基础的情况下,尽量制作与轴数相同的信号并连线, 同时对所有电机进行油门行程校正。校正后,使用遥控器的油门微调 逐加,直到所有电机同时运转,再逐减油门微调,直到所有电机同时 停止,以此验证每个电机,油门行程都精确一致。在逐个给电调加电 校正油门行程情况下, 有可能会出现其中某个或多个电机启动微调级 别启动不一致的情况,需重校油门行程,直到所有电机同步启动和停 止。如已接驳飞控,则需手动模式启动,同样验证是否所有电机启停 一致。 电调设置 建议新电调到手后,根据说明书复位电调设置一次,然后低压保 护设置为最低电压、关闭电调刹车、定速。设置完毕后在未安装螺旋 桨的情况下, 再次确认每个电机的转向是否与飞控说明书中对应的多 轴飞行器电机转向一致。如飞控调参软件提供电机测试功能,则应逐 个电机测试是否轴位正确,转向相符。 校正电机座水平和每个电机臂与中心板的轴距 有条件使用数字角度仪测量每个电机座与中心板的角度完全水 平。没有数字角度仪亦可采用气泡水平计,当然测量精度略差。测量 每个电机臂与中心板的轴距一致。以上校正为了消除低效的动力输 出,和电机自身角度误差带来的额外能量消耗。 失控返航设置 失控触发通道的接线尤其需要注意牢靠, 飞控原配线材一般质量 不错,安装后打胶能保证可靠连接。如接收机出线接触不良,飞控就

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无法接收到接收机的失控保护输出,几乎只有摔机。目前市面飞控是 否进入失控保护状态,进而触发返航,都建立在接收机失控信号稳定 输出到飞控基础之上。但未来值得期待飞控厂家软件完善,可依据遥 控器 TX 信号丢失,设计在没有接收机失控保护信号输出的情况下, 判断遥控器 TX 信号是否稳定来确定是否开启返航。虽然就目前而言 还未见任何飞控厂家在调参软件中有 TX 信号丢失时的设置。在未安 装螺旋桨的情况下正确设置和验证失控返航。 市面流行的飞控触发失 控返航,以单通道触发为多,但也有采用多通道的。DJI Wookong-M 需要油门通道 15%以上,和飞控 U 通道设置为特定舵量触发,因此需 要两个通道正确设置失控返航。 设置后通过调参软件可在地面验证设 置和关闭遥控器确认效果。 平衡机架中心板 以四轴为例,安装云台、图传、动力电池后,以两把螺丝刀为起 具,抬起中心板横向两边中点,以飞行器中心板可水平抬起为准。如 有某一方倾斜,需调节动力电或云台位置,以使飞行器中心板达到平 衡。避免重心问题导致的额外动力开销。 试飞并电机测温 试飞最好选择无风天气,尽量姿态模式脱控 1.5 米左右定高飞 行,切勿使用 GPS 模式试飞。 试飞时间需要根据动力配置和载重而定,约达到飞行总时长 50% 后降落(设定电压报警器为每个锂电电芯达到 3.9V 告警并降落),马 上使用非接触式测温计对每个电机进行测温并记录, 每个电机温度偏

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差应在 10%以内。如有较大偏差,则需单独检查电机、配平螺旋桨、 桨座是否打滑等。 震动指数监测 对于部分飞控已内部可存储震动数值,调试起来较为方便。部分 飞控则无此功能, 需要用借用其他有震动数值显示的固定翼飞控来完 成。震动大的机器会导致飞控传感器被噪声淹没,无法稳定飞行,甚 至失控。硬挂录像设备录制的视频,水波纹也会波涛汹涌。在飞控不 支持震动数值记录的情况下,硬挂 1080P 设备录像,在电脑上全屏回 放就能明显察觉。另外国产螺旋桨动静平衡皆不可恭维,也会导致震 动数值狂飙,以飞行固定翼 FPV 和多轴经验来说,使用美国 APC、德 国 CAM 一类进口螺旋桨无需人工配平也能明显降低震动。 其他螺旋桨 则需人工有限补偿静平衡,动平衡则没有专业设备和经验,模友无法 校正。 飞控数据分析 试飞后,如飞控支持内部数据记录,可分别对电机动力输出量、 GPS 信号、电池电压放电、姿态变化曲线进行记录。以市面上支持外 加组件或内置数据记录的飞控来说 DJI Wookong-M(必须购买 IOSD 才 可记录数据)、XAircraft SuperX(内置数据记录)、零度 X4\\X6(内 置数据记录),都可连续记录每个电机动力输出量、GPS 信号质量、 电池电压、姿态变化。特别值得赞许,XAircraft SuperX 黑匣子功 能,提供较为完整和直观的各飞行数据图表功能,电机臂安装偏差问 题、负载情况、震动值、电压波动、GPS 卫星质量都一目了然,在多

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轴航模飞控产品中给出了最详尽的分析数据,即使你非航模老手,学 会看数据图表也能解决大量问题,排除故障也轻松了许多。然而更重 要是无需任何额外花费。 另一个重要的问题是索赔! 众所周知多轴飞行器相对直升机而言 结构足够简单,能排查的故障点并不多,一些罕见的莫名其妙翻掉和 飞走,可能源于飞控厂家不可靠的软、硬件 BUG 导致。 为减少炸机,请尽量做到以下几点: 1、如无必要,不要安装 GPS 飞行。大疆全系列飞控超敏易受干 扰地磁罗盘是一大问题根源。只要接入 GPS 模块,地磁器件的数据就 会参与到姿态模式和 GPS 模式下, 所以用姿态模式突然发现横滚或方 向不可控而炸机,请不要奇怪。 2、如必须安装 GPS,尽量不使用 GPS 模式而使用姿态模式飞行, 但起飞仍需 6 颗卫星以上,并等待记录返航点。换场地必重新校准地 磁。 3、如非万不得已,千万不要使用失控返航。依赖地磁、易受各 种干扰的飞控,希望安全方航的飞控,就只能靠运气了。 4、尽可能安装 IOSD MARK 记录飞行数据,如事故后找回飞行器, 并发现 IOSD MARK 完好, 取出了数据, 检查出飞行数据没有任何异常, 就有索赔的依据了。所以如果飞行数据没有问题,你的损失可能会获 得赔偿。 换个说法其实就是, 没有安装 IOSD MARK 或不支持安装 IOSD MARK 的用户,或安装了 IOSD MARK 并找回了飞行器但飞行数据损坏,或安

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装了 IOSD MARK,但事故后飞行器无法找回的用户,出了事故也无法 索赔。 5、只要用于超视距飞行,强烈建议关闭电压保护功能。 下面我以两个相对最容易出故障点的数据来举例说明: 以电机动力输出量来说:无风情况下的飞行,每个电机的输出量 是接近的。如果偏差超过 20%,首先得排查飞行器重心、其次是否桨 打滑。另如果全载重后仅悬停,每个电机的输出量都在 80%以上,你 的飞行器动力已经接近饱和, 飞行器大动作后超载会导致不可预见的 结果。 以电池电压来说,如果放电电压不是线性下降,而存在瞬间陡峭 的跌落超过 2V 或以上,比如 4S 锂电作为动力电,从数据记录上看, 动力电在某个点从 15V 下降到 13V,你的动力电很可能某电芯接触不 良,飞行器如果再没有动力富余,会产生突然下降,或控制手感怪异 甚至摔机。 排除磁性物体 现阶段多轴飞控都不一而同采用了地磁来提高飞控定点稳定度, 因地磁受干扰因素较多。在安装多轴飞行器时,务必检查天线、安装 盖等是否有磁性,有磁性的部件需要移除,以避免干扰飞控。尤其是 大疆系列飞控地磁传感器在姿态模式下也生效。 固定螺距多旋翼飞行器下降晃动问题 因非变距多旋翼飞行器的姿态稳定基于螺旋桨转速变化, 下降时 需控制下降速度, 一般来说垂直下沉率高于每秒 3 米会造成机体严重

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晃动,有风天气甚至有直接翻掉的可能。因螺旋桨输出动力减弱造成 的自身姿态稳定困难,再有外部自然因素的影响,需要下沉时应严格 控制下沉速率,有空间的情况下,考虑像固定翼一样,一边前行一边 逐步降落的方式,可降低下沉时的机体晃动。随着飞行时风力等级的 大小,选择越大风力越低下沉率,反之亦然。拥有正负可变螺距范围 的定速/非定速多旋翼飞行器不在此例。 飞行环境问题 因目前阶段民用多旋翼控制器陀螺精度差,定点悬停的实现,各 个厂家都采用了相对简单的 GPS+地磁罗盘数据融合方式,且地磁极 易受干扰,金属物体接近、大功率无线电设备(手机信号基站)、矿物 山体、建筑物都可能对地磁产生严重干扰,从而产生飞行偏航、GPS 模式下不受控、不失控返航等故障。 因此存在干扰隐患的区域应尽量避开,或只采用姿态模式飞行。 且更换场地后如使用 GPS,需起飞前完成地磁校准。 四旋翼室内检修 1、面观 整体看一下四旋翼的外表: 1)机架是否歪斜; 2)桨面是否有瑕疵,磨损,断裂,或者明显的明纹裂痕; 3)电机是否歪斜,电机及其内线是否有熔断,异物残存; 4)电调外包装是否完整,是否有破裂,烧痕或者烧焦味道; 5)飞控连接线是否调理有序,同等接线口是否有合理布局,有无明

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显接线异类线色; 6)飞控安装是否水平, 整体板子是否有熔断, 烧焦, 元器件焊接凸起; 7)各个焊接点是否有明显断裂,焊锡点变形等等; 8)遥控接收机天线是否有裂痕,是否有拉伸痕迹,接收机接线色是 否整齐,无异类线色; 9)电调接线板是否有焊接松动,甚至是接线毛刺、灰尘,要及时清 除,以免联电; 10)将所有有接线处,比如插针,香蕉头,T 插处等,检查看是否有 拉伸痕迹,是否有熔化, 。 注解:异类线色-对于航模接线一般是黑红白或者棕红黄,用来 做线路接线,安装时整排色泽是在一条直线上,如果安装错误,肯定 会明显看出,因此取名异类线色。 2、手动 1)用手轻轻地拨动或者拉伸,用测试力: 2)机架轻轻用手晃动,相邻的两个臂用手掰动,检查是否有松动。 手拿一个臂在空中晃几下然后重复双手各拿一个相邻两臂进行掰动, 检查松动。如果有脚架,请晃动脚架是否松动把带脚架整体机架放到 地面,用手大力推一下,然后再离地二十公分处,地面有纸板铺垫的 情况下下落几次,检查是否有架腿歪斜; 3)手握住电机,或者桨放在手上,握住一头桨,对桨面弯曲三十度, 检查桨面是否有裂纹明纹,然后再换另一头; 4)手握住电机所在臂,然后轻轻晃动电机桨座或者子弹头,看整体

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是否有松动,螺丝是否拧紧,然后握住电机底座,再晃动电机桨座或 者子弹头,看是否有松动; 5)电调接线连着接电机、飞控、接线板,因此把线拉几下看周围接 线是否牢固,轻力; 6)手指握住飞控板侧面,轻轻晃动,检查飞控是否固定牢固;电调 接线板上的线,都要用手轻轻晃几下,检查是否有松动; 7)接收机的插针是否有松动,轻轻地把接收机朝下,一只手握住接 收机,另一只手轻拍握住;接收机的手腕。 8)将所有有接线处,比如插针,香蕉头,T 插处等,如果是已经插 上牢固的就轻轻拔一下看是否有松动,如果是需要经常插拔的,比如 电池接口,插拔几次检查下。 注解:测试力-小力度,也就是弯折一个易拉罐薄皮的力道。 3、闻声 闻声很重要,用耳朵细细听: 1)握住机架相邻两个臂掰动,听声音是否有固定机架螺丝松动,臂 固定声音是否结实无异声; 2)桨面用手握住安装在电机上或者裸桨,握住中心,另一只手在一 个桨面边缘部分,弯曲三十度,然手迅速松手,听声音,一般塑料浆 整体完整,无内伤或者外伤裂痕,听起来声音厚实有力,弹性十足。 然后再试另一面。 弯曲听声过程, 如果有内痕明显容易直接变成明纹, 一定要仔细; 3)电机声音,把桨固定或者无桨裸电机,用手转动一下,正常的电

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机转动声音是浑实有力听起来似乎有些油动声音,声音浑厚。但是有 时候能听起来干巴巴的, 或者声音发脆甚至能听到内部有明显的咯嘣 沙子类声音转起来不圆润连续,那么你需要检修一下电机了; 4)整体听声,将整体架子放到手上,握住一个臂,来回晃动下,听 是否有线路没有固定好以及四旋翼内是否有杂物声音,需及时清理。 4、测 将上面的综合起来,然后进行综合检修测试: 1)飞控单独供电,检查是否有异常,按照飞控飞行说明书,指示灯 是否正确闪亮,遥控与飞控对接是否正常; 2)不对飞控供电,将四个电调线分别接到接收机油门处,轻推油门 听声音,检查是否有明显反应慢甚至是异声; 3)将遥控放置稳定处,飞机放在一个相对宽松地,至少周围能有五 十公分的宽松。通电然后实行遥控飞控对接,低油门,按照所用飞控 的品牌,进行检查异常; 4)轻推油门逐渐升高,听电机转速以及观察飞控指示灯,油门可推 至五分之三处,观察情况; 5)持续一分钟左右,停止供电,用手摸一下电机、电调、电调接线 板、飞控板、线路连接部、电池线、电池插口等处,检查一下温度, 是否有烫手感觉; 6)如果上一条温度有异常,无需测试本条。如果上一条再次对机器 供电,打开,将油门对到低处,然后门推到五分之三处,然后坚持五 秒, 迅速拉回, 如此重复两三次, 然后将油门固定至中间, 停留十秒。

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迅速断电,检查温度是否异常; 7)上两条温度异常需要及时的进行检修和更换,比如:仅有电池接 线滚烫,那么就是硅胶线负载不了如此强的电流,需要及时更换。仅 有电机电调温度很热,而不是烫,建议您以后飞行不要做大载重,超 负荷动作。仅有电调电机接线处滚烫,建议检查是否有焊接虚焊。开 机后,电调 123 声音是否一致,如果听到有某个声音短缺,及时检查 线路接线。开机后,某个电机出现重复或者断续的 123 声音,那么请 您检查焊接处松动虚焊。 四旋翼选择场地及飞行守则 场地选择 1)四旋翼飞场位置:尽量选择郊区野外,农村野外,方圆几百米内 无任何交通要道,居住地,组织活动地等,坚决避开高压线,移动信 号站以及军民用雷达站等地域。 2)四旋翼飞场环境:周围尽量以草坪或者对农田无伤害的松软土质 等为主,尽量选择草地,泥沙对四旋翼,尤其是设备包括相机等都有 不小的危害。环境周围无湖泊、小河流、积水区域、树木、线路等。 即为视野开阔,地面平坦区域。 3)四旋翼飞场天气:尽量在晴天,无大风情况下起飞,红旗迎面展 开,大四轴不可盲目起飞,最好不要起飞。红旗极尽飘起,小四轴尽 量不要盲目起飞。 4)四旋翼飞场空域:如果飞行器多,则尽量单独或者划定空域飞行, 以免相互失业干扰。

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5)四旋翼操作环境:地面平坦,利于操作者小幅度移动防止摔跤。 操作者周围无无关人员,防止对操作者进行干扰。 6)四旋翼人群安排:如若有围观人员,尽量将围观人员安置在航模 操作者面向飞行空域后,操作者身后位置,如有小朋友,尽量不要起 飞,其监护人必须对其孩子行为负责。坚决不允许飞行过程中回答围 观者提出的问题,否则予以清场,换场。 飞行守则 1)起飞过程发现异常,应立即停止起飞。已经起飞后发现异常,应 立即进行回落甚至迫降。 2)飞行过程应专注,切勿与旁人交谈,喝水等非飞行操作。 3)要挂遥控挂带,保持好操作动作,切勿随意手离控杆。 4)如若飞机出现迫降甚至失控,一定要选对参照系,方便四旋翼寻 找。 5)迫降或者失控,尽量选择在空旷的有草地或者不高于两米的灌木 丛,庄家地等地方,尽量减少损失。 四旋翼场飞检查 按照场外现装机为准 装机 一般场外装机都是已经将飞控固定好, 各个插拔环节都已经标记尽量 简化,到了场地就是一个组装、飞所以: 1)组装好后晃动一下,是否有异声晃动,及时清理杂物,归拢线路。 2)握住相邻两个臂手掰动,检查是否有松动。

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3)检查电机内是否有异物,转动带桨的电机,听是否有异声。 4)轻轻拉一下线路连接部,是否有松动。 5)握住电机,用手推桨面检查桨安装是否紧固。 6)通电,小油门推一下,整体四旋翼转动,是否有异声。桨面是否 平稳。 7)继续上一条,不起飞状态下,将遥控各个通道以及功能尽量提前 试一下,看是否有异常。 热机 1)第一块电池进行装机测试后,远离十米以上,周围无人靠近,慢 推油门起飞。 2)将四旋翼固定在十米范围内,不超过三米高度,切勿猛推油门, 整个过程,必须平缓推油门将四旋翼进行热机,同样检查异常。 3)待飞行两三分钟后,下落,检查各部分温度,检查是否有松桨、 松螺丝等现象。根据飞行过程出现的状况进行检修。 收场 1)四旋翼降落后,必须首先关四旋翼飞机电源,然后再切断遥控电 源。 2)检查各个部分的温度,留作记录。 3)将电池拿下后,放到阴凉地进行降温,冷却。四旋翼也需要降温。 4)然后待四旋翼降温后,对四旋翼进行检查,发现是否有问题,方 便回去检修。 5)电池冷却后将电池插口进行封闭,防止异物短路。

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6)如果拆机需要对各部分做好标记。如果是提机直接回家,请握住 一个臂空处,手提回家。 四旋翼保养守则 四旋翼是需要维护的,尤其是日常的检修甚至长时间不用。 日常检修 请参考第一部分四旋翼室内检修,结合本节: 1)电池体积是否有明显变化。 2)电机内异物检查,清洁轴承,注意上油。 3)飞控表面清洁线路是否老化,元器件虚焊,热熔等。 4)电线是否有变形,比如受热冷却后蛇形。 5)电线接口是否有异物、氧化等。 6)机架是否变形,螺母是否有划丝等状况。 7)整体线路包扎,电线以及接口固定等,一定要牢固,如果有断裂 松动,及时更换。 8)四旋翼标识,比如乒乒球、色带等,是否牢固。 9)对电机,飞控等灰尘敏感部件,进行灰尘清理,及时清除,清扫 干净。 长久不用保存 四旋翼长久不用,应该好好保存: 1)电池,电池尽量用平衡充放电或者充电至 3.8 伏,然后放着阴凉 甘松密闭处保存。注意电池插口要防氧化。插头处注意干燥,有条件 可以做个封装。

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2)飞控,放置密闭袋子封存,注意插头处进行要干燥。 3)电机封存,电机内部要进行除污,上油,对点自己外壳字体,尤 其是刀刻字上油否则容易氧化字体刻处,容易生锈。 4)电调封存。 5)桨用塑料纸、布或者泡沫片,间隔包裹。放到不容易挤压,无日 照区域存放。 6)机架挂起来,试材质保存。

第五章 其他细节
对于锂电池的“激活”问题,众多的说法是:充电时间一定要超 过 12 小时,反复做三次,以便激活电池。这种“前三次充电要充 12 小时以上”的说法,明显是从镍电池(如镍镉和镍氢)延续下来的说 法。所以这种说法,可以说一开始就是误传。经过抽样调查,可以看 出有相当一部分人混淆了两种电池的充电方法。 超长时间充电和完全用空电量会造成过度充电和过度放电, 将对 锂离子电池的正负极造成永久的损坏,从分子层面看,过度放电将导 致负极碳过度释出锂离子而使得其片层结构出现塌陷。 过度充电将把 太多的锂离子硬塞进负极碳结构里去, 而使得其中一些锂离子再也无 法释放出来. 这也是锂离子电池为什么通常配有充放电的控制电路的 原因。 锂电池的前三次充电正确方法和注意事项 前三次充电的时候完全没有必要进行超常时间充电如 12 小时来

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激活电池,充电电路本来就有保护,插上也没用的。 长时间放置未用,或者频繁即充即用一段时间后,方法就是一次 完全的充放电,之后电池就可以即用即充,只有在长时间使用后才需 要再次进行再次完全充放电重新校正。如果要长时间一块电池不用, 建议充电到 40%再进行放置,或者看每片电芯的电压,3.75-3.85V 是 最佳的保存电压,如果长期不使用,最好将电量降下来,以便保护电 池。 最后,锂电池的寿命主要体现在充放电周期上,这个周期是一个 绝对概念,上次使用了 30%电力,充满电,下次又使用了 70%的电力, 又充满电,这个刚好是一个充电周期。 螺旋桨四个数字的意义 对于 2 叶螺旋桨,8060——桨长度 8 英寸、螺距 6 英寸。 如果是 1060——桨长度 10 英寸、螺距 6 英寸。 桨长度好理解。螺距是指螺旋桨转动一周,能够前进的距离。可 以把螺旋桨的转动想象成一棵螺丝的转动情况, 螺丝每转动一圈都要 有个前进量。螺旋桨亦然。 多旋翼无人机通电为什么不用开关 航模通电不是都不能用开关, 无动力的遥控滑翔机的接收机电源 可以用开关。小型电动自由飞模型也可以用开关。对于使用 10A 以上 电调的电动模型,就无法使用开关了。原因在于需要接通和断开的电 流太大,小型开关不能胜任。大型的、能够安全接通、分断 10A、20A 及更大的电流的开关,太大、太重了,模型已经无法安装。

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接收机天线是两根,并且是成直角摆放 一般双天线是差分接收, 因为这种天线最佳接收角度是与天线垂 直的方向。所以两根天线 90 度摆放可以保证基本无死角,达到最佳 遥控距离 关于相机的一些基础知识 1、传感器尺寸 全画幅:当相机过渡到数码时代时,人们延续了胶片时代的标准,将 采用与 135 胶卷相同尺寸的感光元件的数码单反相机称为“全画幅 数码相机”。所以全画幅数码单反相机的感光元件尺寸为 36×24mm。 拿 1/1.8 英寸的 CCD 来说.1/1.8 英寸换算成实际单位的话约为 0.555 英寸大小,换算成 mm 单位的话约为 14.1 毫米.但 1/1.8 英寸 CCD 的对 角线真的有 14.1 毫米么?如果说实际长度真有 14.1 毫米的话就没有 问题了,可偏偏 1/1.8 英寸 CCD 的对角线的实际长度只有 8.93 毫米. 那剩下那 1/3 的 5.17 毫米到底跑哪儿去了呢? 其实,以这种方式标示出来的大小和实际大小的差异在于,1/1.8 英寸不是传感器的大小 ,而是真空管的尺寸 .1/1.8 英寸的形式是从 1950 年开始,为了表示真空管的尺寸而使用的,所以这 1/1.8 英寸指 的不是传感器对角线的长度,而是它周围一圈真空管的径直长度 .为 了帮助理解,下面就粗粗看的话并不会觉得真空管和传感器在尺寸有 什么数学上的关系.但 CCD 的面积也约为真空管实际有效面积的 2/3, 所以至今仍采用的是真空管直径表示方法.

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例如,DMC FX33 的传感器是 1/2.5 英寸,查表知,5.8mm * 4.3mm。 2、分辨率(像素) 相机的最大分辨率可以查说明书或 google 到。 例如:Panasonic FX333264 * 2448 3、等效焦距 等效焦距,一般在镜头上有注明。

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例如:Panasonic FX3328mm 4、实际焦距 在知道传感器尺寸后,可以得到“焦距系数”,在上表中也可以 查到。有的镜头也会注明实际焦距。 实际焦距 = 等效焦距 / 焦距系数 焦距系数,也可以根据传感器尺寸计算得出。 例如:Panasonic FX33 根据计算得到的结果是 28mm / 6.0 = 4.67mm 镜头上有注明实际焦距 4.6mm 5、相对高度 相机离地面的相对高度:影响拍照区域和分辨率。 6、地速 如果地速过快,而且相对高度过低,重叠率过高,可能会受相机 拍摄速度的影响无法及时拍照。 7、Overlap 连续 2 张照片的重叠率,受相机拍摄速度影响,如果拍摄速度达 不到要求,可以减小 Overlap。 8、Sidelap 相邻 2 条航线的重叠率。与相机没有直接联系,过大的 Sidelap 将需要更多的航线,更长的飞行时间。 9、计算分辨率 照片尺寸 = 传感器尺寸 / 实际焦距 * 飞行高度 分辨率 = 照片尺寸 / 传感器像素

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例如:Panasonic FX33 在 100m 时,照片尺寸为 4.3mm / 4.6mm * 100m = 93.48m 分辨率 93.48m / 2448pixel = 3.82cm/pixel 取较小的值 3.82cm/pixel PWM(Pulse Width Modulation) 脉宽调制,是一种开关式稳压电源应用,是利用微处理器的数字 输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。 如果一个额定是 100 转/秒, 12V 的直流电机 , 通上 12V 直流电, 它的转速就是 100 转/秒。但是如果想让他转慢点,比如 50 转/秒 。 这个时候,有些情况是可以通过降低供电电压来实现的。 比如把电压降到 6V 左右,或许可以达到 50 转/秒。但是,此时 的电机本身电阻发热,能耗很大,输出的扭力也变小。例子:低廉的 刮胡机 。可以不可以实现转速慢下来了,而扭力依然不变呢。 这就 需要通过 PWM 技术来实现了 。 这种技术,通俗的说法就是 ,单位时间内,通电一会,断电一 会 。即利用占空比 = (脉波高电位的时间 / 脉波周期)来控制电机转 速. 例如 1 秒高电平 1 秒低电平的 PWM 波占空比是 50%。如果是 12V、100 转/秒的直流电机,此时电机理论转速为 50 转/秒。这样, 从一个大时间来看,和降压是没有什么区别的。但是有很多好处。比 如通点的那时候,是额定电压,输出功率也正常,而相比直接降低输

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入电压来说,系统不会产生过多的能耗。 例子:我们航模常用的电调。好盈一款有刷电调运用 PWM 频率 为:2KHz。 PWM 信号被广泛用于舵机控制,但是它有一个明显的缺陷,就 是有多少个舵机就有多少个控制线路。 而太多的控制线路很多时候不 希望出现,特别是遥控器的无线信号,只可能有一路通信传递多路舵 机控制信息。于是 PPM 信号就诞生了。 PPM 是 Pulse Position Modulation 简称。 是一种脉冲位置根据被 调信号的变化而变化的调制方法,或是一种编码方式。遥控器把各个 通道的信息采集过来,比如油门通道,在最小的时候为设定为 1ms , 而最大的时候设定为 2ms,然后把各个通道的 1ms--2ms 的信号加在 一起,每个通道中间用 0.5ms 作为间隔,所有通道都加起来,再在最 后加一个比较长的信号,学名为:同步头. 所有的信息加起来 ,然 后再传给发射模块,发射模块通过处理发射出去 。这种编码方式, 就称为 PPM。遥控接收器接收到遥控器的 PPM 信息后消化为 PWM 指令。 电调可直接接受遥控接收器发出的 PWM 指令作出简单转速调 整,也可接收经过飞行控制器(如 KK.Naza-M V2.APM.Pixhawk 等)运 算后发出的 PWM 指令, 配合飞行器作出一些手动难以完成的高难度 复杂动作。 常用的航模术语 1、翼展——两机翼尖的直线距离。 2、翼型——机翼的剖面形状。

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3、前缘——翼形的最前端。 4、后缘——翼形的最后端。 5、翼弦——前后缘之间的距离。 6、展弦比——翼展和翼弦的比值。 7、机身全长——机头到机尾的全部长度。 8、重心——模型重力的作用点。 9、尾力臂——重心到尾翼 1/4 弦长的距离。 10、迎角——翼弦与相对气流的夹角。 11、安装角——翼弦与模型横轴之间的夹角。 12、上反角——机翼与模型横轴之间的夹角。 13、风向角——顶风方位与放飞方位之间的夹角。 14、放飞角——模型放飞时,机身立轴与水平面之间的夹角。 15、倾侧角——模型放飞时,机身横轴与水平面之间的夹角。 16、轴距——相对的两个电机轴之间的距离。 机翼——产生升力,保持横侧安定。 机身——连接飞机各部分,使之成为整体。 动力部分——使飞机在空气中运动。 起落部分——确保飞机起落安全。 垂直尾翼——保持飞机左右方向的平衡。 水平尾翼——保持飞机水平方向的平衡。 升力——机翼与空气做相对运动时空气作用在机翼表面产生的上下 压力差。

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通道 这个常用词,有两种完全不同的意思。第一种意思是指遥控设备 和飞机所拥有的“通道数”, 在这里“通道”指的是模型里的每一个 单独的可操作功能。一个“单通道”的飞机指的是,它只能提供一种 可操作功能,如“方向舵机运动”或“马达转动/停转”。两个通道 呢,就是方向舵和马达,三通道呢,就是方向舵,马达和升降舵。一 个典型的 4 通遥控飞机会拥有四个最基本的 RC 功能:方向舵、升降 舵、油门和副翼。对飞机的通道数没有严格的规定,它只是单纯地有 飞机本身来决定。更复杂的遥控飞机也许会有 6、7 或 8 个通道,来 操作四个基本 RC 功能(AIL/ELE/THR/RUD) ,然后加上可收放的起落 架、襟翼(即第二副翼) 、降落指示灯、降落伞以及相机操作。 微调(trim) 是一个必备的接口,用于调整飞机的飞行状态,以消除不必要的 倾斜。 舵机的三根线 一个舵机通常会有三根线(3 芯) ,分别是电源正极、地和信号 线,厂家会用不同颜色来标记这些线(如红色为电源、黑色为地,白 色为信号等) 。

第六章 多旋翼无人机的作用与意义
多旋翼无人机就相当于横列式直升机, 具有垂直起降和空中悬停 直升机的优良飞行性能,并且不需要机场。

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固定翼飞机与直升机相比,动效高出很多。并且能达到快速的目 的。但是,固定翼飞机的使用是离不开机场的。建一个机场是需要占 用大片土地 直升机是可以不受机场的约束,可以在空中任意往来,来满足人 们的需求。但是,因直升机的操纵、维修复杂,造价高昂,能耗高, 经济性能低等原因不能大量推广应用 多旋翼机比直升机的能源利用率提高 30%以上, 即动效提高 30% 以上。由于不需要机场,可进行垂直降落,因此,可以充分利用城市 建筑的屋顶,并能满足城市生活各个方面的需求,给人们带来更大的 经济效益和社会效益。若对机舱底部进行密封设计,则能在水面上起 降。在合适的空域及水面上能充分利用地面效应。

第七章 与多旋翼无人机有关的航空法规及航空气象
一、航空法规
1、基本概念 隔离空域 专门分配给无人航空器系统运行的空域, 通过限制其它航空器的 进入以规避碰撞风险 。 融合空域 有其它载人航空器同时运行的空域。 2、航空法律法规 国际民航组织已经开始为遥控驾驶航空器(RPA)及其相关系统

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制定标准和建议措施(SARPs) 、空中航行服务程序(PANS)和指导 材料的任务。这项活动的目标是最终建立一个完整的监管框架,一旦 技术出现必要的进步之后, 遥控驾驶航空器系统就能够在非隔离空域 和机场与有人驾驶航空器融合。 航委会的无人驾驶航空器系统研究组 (UASSG)和几个专家小组正积极致力于制订标准和建议措施,以 解决遥控驾驶员颁照、运营人认证,遥控驾驶航空器系统及其部件的 合格审定,以及从航空器上撤出驾驶员所产生的登记和通信要求,探 测和避让能力及机场运行等事宜。 这些标准和建议措施预计将在未来 几年成熟,按照合乎逻辑的方式分阶段推出实施。 中国无人机相关法律法规 《民用无人机空中交通管理办法》 由中国民航局于 2009 年 6 月 26 号 公布。全文如下: 为了加强对民用无人机飞行活动的管理, 规范其空中交通管理的 办法,保证民用航空活动的安全,现将有关民用无人机空中交通管理 的有关问题规定如下: 一、 民用无人机应当依法从事工业、农业、林业、渔业、矿业、建 筑业的作业飞行和医疗卫生、抢险救灾、气象探测、海洋检测、科学 实验、 遥感测绘、 教育训练、 文化体育、 旅游观光等方面的飞行活动。 二、 民用无人机活动及其空中交通管理应当遵守相关法规和规定, 其中包括《中华人民共和国民用航空法》 、 《中华人民共和国飞行基本 规则》 、 《通用航空飞行管制条例》及民航局规章等。 三、 组织实施民用无人机活动的单位和个人应当按照《通用航空飞

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行管制条例》等规定申请划设和使用空域,接受飞行活动管理和空中 交通服务,保证飞行安全。 四、 为了避免对运输航空飞行安全的影响,未经地区管理局批准, 禁止在民用运输机场飞行空域内从事无人机飞行活动。 申请划设民航 无人机临时飞行空域时, 应当避免与其它载人民用航空器在同一空域 内飞行。 五、 由于无人机飞行过程中无执行任务机长,为了保证飞行安全, 由无人机操控人员承担规定的机长权利和责任, 并应当在飞行计划申 请时明确无人机操控人员。 六、 组织实施民用无人机活动的单位或者个人应当具备监控或者掌 握其无人机飞行动态的手段, 同时在飞行活动过程中与相关管制单位 建立可靠的通信联系,及时通报情况,接受空中交通管制。发生无人 机飞行活动不正常情况,并且可能影响飞行安全和公共安全时,组织 实施民用无人机活动的单位或者个人应当立刻向相关管制单位报告。 七、 在临时飞行空域内进行民用无人机飞行活动,由从事民用无人 机飞行活动的单位、个人负责组织实施,并对其安全负责。 八、 民航空管单位应当按照有关法规和本规定的要求对民用无人机 飞行活动进行空中交通管理。 不得在一个划定为无人机活动的空域内 同时为民用无人机和载人航空器提供空中交通服务。 九、 民用航空器机组人员发现无人机飞行活动应当及时向相关空中 交通管制部门报告。 空中交通管制单位发现区域内有无人机活动或者 收到相关报告,应当向所管制的航空器通报无人机活动情报,必要时

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提出避让建议,并按要求向相关管制单位、空管运行管理单位和所在 地的民航监管局通报。 十、 民用无人机活动中使用无线电频率、无线电设备应当遵守国家 无线电管理法规和规定,且不得对航空无线电频率造成有害干扰。民 用无人机遥控系统不得使用航空无线电频率。 在民用无人机上设置无 线电设备,使用航空无线电频率的,应当向民用航空局无线电管理委 员会办公室提出申请。 十一、 未经批准,不得在民用无人机上发射语音广播通信信号。 十二、 使用民用无人机应当遵守国家有关部门发布的无线电管制命 令。

在《民用无人机空中交通管理办法》中设计到的《中华人民共和 国民用航空法》 、 《中华人民共和国飞行基本规则》 、 《通用航空飞行管 制条例》及民航局规章等将以电子文档的形式发给大家。

二、航空气象
为了了解航空气象对飞机操作和飞航安全之重要性,首先要知 道飞行之基本理论,飞机于空中飞行时,依赖四种飞行要素——飞 机总重量(weight)、飞机透过机翼所产生之举升力(lift)、飞机向前飞 行所产生之空气拖曳力(drag)和飞机引擎所产生之推进力(thrust)。 飞机之飞行可以分为三个阶段----起飞(take-off)、巡航(in-flight)和降 落(landing),而航空气象单位所提供的观测和预报数据,就是要满 足每个阶段之需求。

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最直接影响飞机操作和飞航安全之航空气象因素,大致可归纳 为风(wind)、云和能见度(clouds and visibility)、温度(temperature)、 气压(atmospheric pressure)、密度(air density)、降水(precipitation) 和其它显著危害天气如飞机结冰(aircraft icing)、乱流(turbulence)、 雷暴雨(thunderstorm)引发下爆气流(downburst)和低空风切 (low-level wind shear)、浓雾(heavy fog)所引起的低能见度(low visibility)等等。就这些航空气象因素对飞机操作和飞航安全之影响 加以讨论。 1、地面风 飞机举升力等于飞机总重量时,即表示飞机在一定重量下,飞 机正好由空气所支撑,此时飞机之临界速度系在失速状态下,飞机 就在这种空速和失速状态下起飞和降落。飞行员和管制员依据地面 风来选择跑道方向,同时飞行员也依据地面风来计算飞机起飞可承 受的重量。如果有较强的顶风,浮力增加,起飞的速度就可减少, 即较强的顶风时,起飞所需要的跑道较短,载重量也较多。另一方 面,如果顶风较弱或静风时,载重减轻才能起飞。同机型的飞机, 允许最大的跑道侧风也有不同,有时候超过跑道侧风最大限制时, 飞机降落就会有危险。风速的变化可决定飞机起降阶段之稳定性, 一般而言,重型飞机对于风的变化较不受影响,可在较大侧风下起 飞,但是控制其变化的反应力较慢;轻型飞机对于风的变化较容易 受影响。如果降落阶段碰到阵风时,其反应力较快。

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2、高空风 飞行员和航空公司运务员需要高空风数据,有两种理由,第一 理由为飞机来往两地,需要高空风数据。飞机于静风中飞行时,系 相对于空气呈直线向前移动,飞行员为从甲地飞往乙地,必须考虑 风场。因此低速飞机更需高空风向和高空风速等资料,其中风速占 空速很重要的部份。 第二理由是航空公司准备飞行计划时, 计算油料需要风场数据, 飞机由甲地飞往乙地,若逆风飞行,其所花费的时间比静风飞行时 为较长时间,也即需要更多的油料,相对地就要减少载重。例如, 飞机在静风中以每小时 500 浬之速度,飞行 3000 浬需要 6 小时, 如果在 50kt 的顺风中飞行,仅需 5 小时 27 分约可节省 10%之时 间,比起静风就可节省 10%之油料,因此就可增加载重。中华和长 荣等航空公司由台北飞往美国安克拉治、旧金山和洛杉矶等国际机 场, 冬天常选择 200 百帕(hPa)等压面(39,000 英尺)以上之高度, 由 西向东之强喷射气流(每小时 100-200 浬左右),顺风飞行,可节省 不少飞行时间和油料。返回台北时,则选择较弱西风带飞行,即在 避开逆风飞行,以免费时费油。(油料同电量) 3、温度 飞机举升力与空气密度成正比,所以在高温下引擎效率低。空 气密度与气温和气压有关,在一定气压下,气温比正常值为高时, 飞机起飞需要较快的速度,较快的速度就需要较长的跑道,在某些

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天气条件下,跑道长度不能满足飞机正常的载重量所需,只好减少 飞机的载重。高空温度低,飞机引擎效率高,如果高空温度比正常 值为高时,所需油料更多,才能维持正常的巡航动力。在准备飞行 计划时,需要高空温度数据来决定所需油料。 台湾位于近北回归线上,夏季于太平洋副热带高压笼罩下,云 量少,日射强,日照长,跑道温度高,通常国际班机由国外直飞台 湾,由于长程飞行,在起飞前,常要求航空气象单位提供中正或高 雄国际机场之最高跑道温度,以便准备飞行计划时,计算其载重之 最高限制。 4、大气压力和空气密度 以大气压力和温度两者可以决定空气密度,进而决定飞机举升 力。在其它因素相同条件下,空气密度降低,飞机需要更快的速度, 才能保持一定的高度。速度越快,飞机拖曳力越大,所需引擎推进 力亦越大,越大的引擎推进力,所耗油料亦越多。因此高速飞行之 喷射飞机需要甚多的油料。 前述在高温下,当气压降低,密度减少时,需要较长的跑道, 以获取起飞的速度。从每天综观天气图气压场的分布,在低压区, 其影响更大,准备起飞计划时,更应该考虑。再如,机场海拔高度 越高,其平均气压降低,平均密度亦减少,因此在设计机场时,高 海拔机场需要较长的跑道,以应起飞之需。此外,空气密度减小,

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引擎动力亦会跟着减弱,影响飞机爬升之动力,如果密度减至某一 定值时,就得减轻飞机的载重量,飞机才容易起飞和爬升。 大气压力与高度有密切关系,即大气压力随高度增加而递减。 在近海平面 1000 百帕( hecto-Pascal; hPa)附近, 高度每上升约 10 公尺,气压降 1 百帕(hPa);在 500 百帕(5,500m)附近,高度每上 升约 20 公尺,气压降 1 百帕;在 200 百帕(12,000m)附近,高度每 上升约 30 公尺,气压降 1 百帕;它应用于航空上,用来决定飞机 飞行之高度。飞机上之高度表,就是以空盒气压计(aneroid barometer)之气压高度换算出高度,作为高度表(altimeter)之标尺。 国际民航组织 (International Civil Aviation Organization; ICAO)假 设在干空气、 平均海平面之气压和气温分别为 1013.25 百帕和 15℃、 对流层顶以下约 11 公里之温度随高度递减率每公里下降 6.5℃等标 准大气条件下,作为高度表之参考基准,在这种状态下的大气称之 为国际民航组织标准大气( ICAO standard atmosphere )。 由于各地之大气条件随不同高、 低压系统之移动而随时在变化, 所以高度表在不同时间、不同地点和不同高度皆与标准大气有所不 同。因此,飞机上之高度表读数必须经过适当拨定,才能显示出实 际高度。因此,飞机起飞前必须经过高度拨定,航程上因海平面气 压不断变化,其高度表所显示之高度与实际海拔高度发生误差,有 时候误差可能很大。依据高度表拨定程序之规定,凡飞行在海平面 高度约 3330 公尺(11,000ft)及以下之飞机,应采用飞经当地之实际

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海平面气压值(QNH)。飞行在离海平面高度约 3940 公尺(13,000ft) 及以上之飞机,以标准大气压力 1013.25 百帕为高度拨定值。 5、飞机结冰 飞机飞经过冷却的云层或云雨区域时,机翼机尾及螺旋桨或其 它部分,常会积聚冰晶,多者可能厚至数吋。那些区域最容易使飞 机结冰呢?飞机在气温摄氏 0℃至-9.4℃间之高空飞行,机体上最 容易结冰;云中最易见到有液态水滴,尤其是积状云如积云、积雨 云和层积云等,此时空中水滴常在冰点以下而不结冰仍保持液态水 之状态,就是所谓的过冷却水滴,飞机飞过,空气受扰动,过冷却 水滴立刻结冰覆着于机体上,数秒钟内机体上就会有严重的结冰; 空气中若湿度大,含有过冷却水,容易构成升华作用,飞机穿越其 间,空气略受扰动,迅速凝聚积冰;虽然晴空无云,但是在结冰高 度层上方,气温与露点温度十分接近时,结冰之趋势仍然存在。 飞机结冰,大概可以分为飞机外表结构上的结冰和飞机内部动 力组上的结冰。飞机结冰可造成几种危险,例如,飞机结冰增加重 量,结果减低空气动力之效能;机翼机尾结成冰壳,损坏其流线外 形,致使飞机丧失抬升力;螺旋桨笼罩一层冰晶外壳,其外形改变, 致丧失飞机之冲力;喷射发动机进气口结冰,可能丧失发动机之发 动能力;飞机操纵面煞车及起落架之结冰,可能伤害其正常动作; 螺旋桨桨叶上结冰多寡不均匀,可能失去平衡,致其转动产生摇摆 现象;飞机动压管结冰,使飞行速度与高度表读数失真;飞机天线

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结冰,致无线电及雷达信号失灵。虽然现今飞机本身已有加温系统, 可克服上述飞机结冰的问题,但是飞机仍然需要避开结冰区域以防 止加温不及而瞬间结冰,造成危险。 6、乱流 飞机飞入对流性云区,例如积云、积雨云和层积云等,由于空 气发生上、下对流垂直运动,使机身起伏不定,致令乘客晕机呕吐, 极感不舒适,甚至导致飞机结构损坏,造成飞机失事,现今飞机常 装置雷达,避开对流性云型。然而飞机在万里无云之高空飞行,突 感机身颠簸,这就是所谓的晴空乱流,通常晴空乱流常发生在风向 突然转变或风速突然增加或减少等地区, 即所谓风切作用最大地区。 冬天常在中、高纬度地区,高度 9~12 公里地方有一股强风带,风 速可达到每秒 30 公尺以上, 最大风速甚至可达到每秒 100~130 公 尺,这就是所谓的喷射气流。第二次世界大战末期,美军飞机到日 本上空执行轰炸任务,以及德国空军侦察机飞到地中海上空,都曾 遭遇一股顶头强风,使飞机无法前进。美国芝加哥大学随即针对此 现象做了研究,终于发现了喷射气流。喷射气流最初发现距离地面 高度约 10 公里处, 它经常绕着地球跑。 乱流常是喷射气流所造成的, 因为喷射气流附近风切特别大,产生乱流的机会也特别多。飞行员 在起飞前,从航空气象人员所提供的气象图表数据中,预知喷射气 流和乱流的位置和高度,便可回避乱流区域,必要时尚可改变其飞 行高度,使飞行较为平稳、安全。

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7、雷暴雨引发下爆气流和低空风切 飞行员在飞机降落和爬升阶段须注意是否有风切现象,风切系 某高度和另一高度间风速的改变。由于飞机之高动量,大型飞机在 相当高速飞行时,不能立刻适应风切的变化,因此在起降阶段遇到 风切就会发生危险。飞机下降时,风速突然减弱,造成飞机失速于 未抵达机场跑道就坠毁;风速突然增强,造成飞机超越跑道降落。 飞机爬升时,风速突然减弱,造成飞机爬升角度减小;风速突然增 强,造成飞机爬升角度增大。以上等等现象都会造成飞机操作上的 困难,甚至于造成空难事件。 雷暴雨所造成的下爆气流(downburst)或低空风切(low-level wind shear),影响飞机航道上风速有水平和垂直方向的急速改变, 引起飞机空速也跟着急速的变化。譬如,强烈逆风突然转变为顺风 造成飞机起降时浮力显著减少,造成飞机掉落之危险。因此雷暴雨 所造成的低空风切和下爆气流,是飞机起降时最危险的天气。雷暴 雨引发下爆气流和低空风切时,下爆气流在接近地面时,空气向四 方冲泻,当飞机起飞时进入下爆气流区,首先遭遇到下爆气流所带 来强大的逆风 (headwind),空气冲向机翼,飞机空速增加,快速爬 升,但是当飞机继续通过下爆气流区,受下爆气流向下冲击,最后 下爆气流转变为强大的顺风 (tailwind),空速减弱,浮力大幅减少, 因而造成飞机起飞时坠毁的惨剧。雷暴雨发展成熟阶段,会产生强 烈的上升和下降气流,当飞机近场(approach)时,朝向机场跑道且

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进入雷暴雨下降气流风切区时,飞机首先遭遇到下爆气流所带来强 大的逆风,使飞机抬升,因此飞行员必须修正下降高度,才能滑行 降落,但是就在飞机以修正后的高度,继续通过雷暴雨风切区时, 下爆气流在这个方位却转变为强大的顺风,飞机顿失浮力,因而失 速下坠,造成无法弥补的惨剧。目前民航局在中正国际机场装置有 都卜勒气象雷达,用来观测台湾北部雷暴雨,告知雷暴雨的位置和 高度,好让飞行员避开雷暴雨。同时民航局也采取一项措施,当雷 暴雨位在机场上空时,则关闭机场,约半小时或一小时左右,雷暴 雨离开机场或消散时再开放机场,这样就可大大避免飞机在雷暴雨 中遇到下爆气流和低空风切的危险。 8、浓雾与低能见度 在任何天气条件下,助航设施和降落技术都可克服之前,飞行 员在近场时必须要能看清跑道,因此在近场时需要各种近场助航设 施来引导飞机降落。仪降近场(利用仪器降落系统)比没有无线电助 航设施( 目视飞行规则 ),可以在较低云幕和较差能见度之天气条 件降落。 飞行员可以从近场和下降区之云状知道有无乱流和乱流强度, 积雨云比层积云有较强的乱流,由积状云的云顶高度亦可显示乱流 程度。民用航空局每天提供飞行员之显著危害天气图,即有积雨云 之地区隐含有中度到强烈乱流和结冰。 浓雾降低人类眼睛所能看到的距离,飞行员在低能见度情况下,

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起降时常看不清跑道。 因此,飞行员应知道我国民用航空局各机场天气讲解的方式与过去 传统方式大不相同,所提供的气象产品更具多元化及丰富化,对飞 航安全更有帮助。

总结
本建材作为本系列教材的初稿,编制时间仓促,作者水平有限, 难免有疏漏之处,欢迎大家提出意见和建议,在后续的定稿过程中见 一并改正。 本教材只针对该次培训要求大家掌握的知识和技能做出详 细解释和说明, 对空气动力学、 飞行动力学、 航空气象学、 机械设计、 三维绘图、无人机设计、单片机开发、编程语言等略有提及或没有涉 及。本次课程时间短,并且要掌握这些知识需要一定的时间和坚持, 对培训没有实质性的帮助,并且占用大家太多精力,不过我会把这些 教材的电子版提供给大家, 如果有兴趣的学员可以在课后或今后都进 行学习,本人也会在今后的作品中单独或具体的讲解这些方面的知 识。

参考文献
1、无人机系统导论(第二版) 2、中国民航局官方网站 3、5iMX 论坛

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