无人机基本知识原理,无人机的讲解

让你一看就懂的无人机原理!——《世界第一简单无人机》 为什么

为什么无人机飞得起来?

无论是有人直升机还是无人机,飞行的理由都是一样的。转子可以带动螺旋桨旋转,使螺旋桨上下的气压不同。当螺旋桨上面的气压低于下面的气压时,就会有一个拉力把螺旋桨拉起来(升力,把物体垂直向上拉的力),这样身体就可以上升。

第三,通过同时使用多个螺旋桨,分别调节每个螺旋桨的转速,无人机可以自由上升/下降、前进/后退、左/右移动。事实上,如果你仔细观察飞行中无人机的螺旋桨,你会发现相邻的螺旋桨旋转方向相反。

当你想让无人机前进时,它会让机体前部向下倾斜。左右移动时也是如此,会使前进方向的身体部位向下倾斜。只要一边的螺旋桨速度降低,那一边的身体就可以向下倾斜,向那个方向移动。如果四轴无人机要旋转,其中一条对角线上的螺旋桨速度要降低。

无人机的运动机制

无人机只有用转子(电机)转动螺旋桨才能移动。DJI幻影系列多轴无人机的电机是所谓的无刷电机。

DJI“精灵4”民用无人机。图/维基无刷电机,顾名思义,就是没有电刷的电机。相反,学校理科课程中提到的有刷电机,需要靠摩擦来保持电刷和换向器转动,使用时会逐渐磨损。无刷电机通过特殊电路驱动其旋转,可以减轻维护负担。此外,无刷电机可以通过名为霍尔ic的磁场传感器持续监控电机状态,因此其速度可以稳定控制。当电机过载、线接触不良、断线等异常情况发生时,可以立即停止电机并发出警告信号,提高无人机的安全性。其他优点还包括调速范围宽、转矩平坦、功率大等。

另外,向转子发送信号的部分称为ESC(电动调速器)。换句话说,ESC就是控制转子转速的部分。原则上,无人机上的电子稳定控制系统的数量将与旋翼的数量相同。

ESC的输出有三条线,电流可以控制转子的转动。随着转子位置的不同,ESC会输出不同方向和大小的电流,使转子不断转动。也就是说,无刷电机中的ESC起到了一般电机中换向器和电刷的作用。

另一方面,ESC的输入也有三条线,分别是连接电源正负极的电源线和接收FC(飞行控制器)信号的信号线。其中,FC会从陀螺传感器、加速度传感器、气压传感器、超声波传感器、磁场方位传感器、GPS等设备收集信息,控制身体的动作。

额定电流为35安培的通用电子悬架控制模块,带有集成消除电路.图/维基百科

无人机的感应器

陀螺仪传感器和加速度传感器陀螺仪传感器可以计算出身体的倾斜角度,是稳定身体不可或缺的传感器。另一方面,使用与陀螺仪传感器非常相似的加速度传感器来检测速度。陀螺传感器和加速度传感器的组合,可以同时计算出“倾斜情况”和“速度”的变化,控制身体向倾斜方向相反的方向拉回,保持身体平衡,悬停在空中。简单来说,陀螺传感器和加速度传感器是能够保持无人机姿态平衡的关键传感器。

气压传感器和超声波传感器的高度越高,气压传感器检测到的气压就会越低,所以无人机可以参考气压数字来维持在特定的高度。但是,这只能用于检测气压。如果由于阵风或其他原因,气压发生变化,它可能会失去功能。

超声波传感器可以利用超声波的回波来感知自身的高度。当无人机起飞或降落时,如果靠近水面的无人机无法通过气压传感器获得足够的高度信息,就会使用超声波传感器。利用高空的气压传感器和近地表的超声波传感器,两种传感器的结合可以使无人机在每个高度区间保持一定的高度。

磁场方位传感器和IMU磁场方位传感器有时直接称为罗盘,可以感知地球磁场(地磁),从而知道无人机面向哪个方向。但是地磁场的北(磁北)和地图的北是有一定区别的,也就是磁偏角。此外,磁偏角随时间和地点而变化。比如札幌的磁北比地图上的北向西9,而那霸向西只有5(参考日本国土地理院网站)。因此,如果你在另一个地方飞行无人机,你需要进行“罗盘校正”,以再次确认磁场传感器指示的北方与实际北方之间的差异。

IMUGPS是全球导航卫星系统(GNSS)的一种,是美国的卫星系统。就像汽车的导航系统和智能手机的位置信息服务一样,无人机可以接收GPS的无线电波,从而确定自己的位置,并设置飞行路线的经纬度自动飞行,也可以在固定位置悬停。这就是所谓的卫星定位系统。

统」,用于户外飞行的无人机多会装设相关的电波收讯器。不过,就像汽车在进入隧道后,导航系统会失效一样,无人机使用 GPS 时也有可能会突然收不到讯号。因此,为了维持无人机的安全飞航,操控者需随时注意 GPS 电波的接收状况。

另外,包括 Phantom 在内的某些多轴无人机,不仅会接收 GPS 讯号,也会同时接收俄罗斯卫星系统 GLONASS 的讯号,侦测机体本身的位置。

这些控制机体姿态的感应器通称为 IMU(惯性测量单元:Inertial Measurement Unit)。

当出现「IMU 错误讯息」「机体不稳定」「罗盘方向不对」「稳定器倾斜」等状况,就需进行「IMU 校正」。请养成摄影前以及在他处飞行前,一定要进行 IMU 校正的习惯。

——本文摘自《世界第一简单无人机》,2021 年 9 月,世茂出版。

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