喬布斯說過:“People don't know what they want until you show it to them.”兩年前,當(dāng)四軸無人機(jī)還處在玩具階段的時(shí)候,沒有人知道它能用來干什么。而現(xiàn)在,當(dāng)成千上萬的四軸飛行器在我們四周盤旋的時(shí)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(jìn)行多旋翼飛行器測(cè)試送快遞,隨著媒體不斷報(bào)道四軸飛行器實(shí)現(xiàn)各類應(yīng)用,諸如送快遞、輸電線路勘測(cè)、野生動(dòng)物保護(hù)、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(chǎng)似乎變得很大。

工作原理

旋翼對(duì)稱分布在機(jī)體的前后、左右四個(gè)方向,四個(gè)旋翼處于同一高度平面,且四個(gè)旋翼的結(jié)構(gòu)和半徑都相同,四個(gè)電機(jī)對(duì)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(jì)算機(jī)和外部設(shè)備。結(jié)構(gòu)形式如圖所示。

對(duì)于姿態(tài)測(cè)量和控制來說,兩種方式差別不大?紤]到可能會(huì)使用圖像相關(guān)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(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速來改變旋翼轉(zhuǎn)速,實(shí)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(jī),但只有四個(gè)輸入力,同時(shí)卻有六個(gè)狀態(tài)輸出,所以它又是一種欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

微型飛行器的動(dòng)力學(xué)模型如圖所示。飛行器載體坐標(biāo)系,原點(diǎn)固定于飛行器的重心,以坐標(biāo)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(dǎo)航坐標(biāo)系為參考坐標(biāo)系,分別指向北東和當(dāng)?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(dòng)力學(xué)模型四旋翼飛行器產(chǎn)生基本動(dòng)作的原理為: 電機(jī)1和3逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)反槳產(chǎn)生升力,電機(jī)2和4順時(shí)針旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)正槳產(chǎn)生升力。反向旋轉(zhuǎn)的兩組電機(jī)和槳使其各自對(duì)機(jī)身產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩相互抵消,保證4個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速一致時(shí)機(jī)身不發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。

機(jī)1和4轉(zhuǎn)速減小(增大) 同時(shí)電機(jī)2和3轉(zhuǎn)速增大(減小), 產(chǎn)生向前(后)方向的運(yùn)動(dòng)。電機(jī)1和2轉(zhuǎn)速減小( 增大) , 同時(shí)電機(jī)3和4轉(zhuǎn)速增大( 減小) ,產(chǎn)生向左(右)方向的運(yùn)動(dòng)。4個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速同時(shí)增大(減小)產(chǎn)生向上(向下)的運(yùn)動(dòng)。 對(duì)角線的電機(jī)一組轉(zhuǎn)速增大,另一組轉(zhuǎn)速減小產(chǎn)生自身旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

四旋翼的基本組成

電機(jī)、電調(diào)、正反槳、電池、機(jī)架、遙控、飛控  

電機(jī)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(jī),主要是可以體積做到非常小,價(jià)格相對(duì)來說便宜。無刷的應(yīng)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(jī)的型號(hào)說明,例如:2218 KV2000, 22代表電機(jī)的外轉(zhuǎn)子直徑22mm,18代表轉(zhuǎn)子的高度為18mm, KV2000,代表電機(jī)的轉(zhuǎn)速,代表電壓每增加1V電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速增加2000rpm/min。

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

正反槳:槳的選用和電機(jī)的參數(shù)相關(guān)。多大的電機(jī)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(dòng)力型鋰電池是首選,參數(shù)主要包括標(biāo)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(jī) 架:主要就是固定電機(jī)相關(guān)的地方,外形可以多種多樣。一般都用超輕,結(jié)實(shí),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(jià)格也不一致,常用的至少幾百,好一點(diǎn)的上千一臺(tái)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(dāng)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(jì),空速計(jì),GPS,無線接收模塊組成。微處理器通過從各路傳感器獲取實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù),經(jīng)過捷聯(lián)慣導(dǎo)算法,求出姿態(tài)角,再根據(jù)無線接收機(jī)收到的遙控命令數(shù)據(jù)進(jìn)行比較計(jì)算出控制量然后分別對(duì)這些 據(jù)無線接收機(jī)收到的遙控命令數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,計(jì)算出控制量,然后分別對(duì)這些控制量進(jìn)行PID計(jì)算,最后將這些輸出量轉(zhuǎn)化為PWM 信號(hào),分別控制各個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到想要的姿態(tài)和位置 機(jī)轉(zhuǎn)速,達(dá)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(guān)部件

遙控器相關(guān)部件

焊接相關(guān)細(xì)節(jié)及試飛

正反槳識(shí)別

如何正確安裝槳葉,首先認(rèn)識(shí)一下正反槳,如下圖,順時(shí)針轉(zhuǎn)風(fēng)向向下的為正槳;逆時(shí)針轉(zhuǎn),風(fēng)向向下的為反槳。

遙控器功能

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高手個(gè)人秀 & PK

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(dāng)然不會(huì)滿足于當(dāng)工程師們的玩具。作為四軸飛行器的升級(jí)應(yīng)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(yīng)用,也有了一個(gè)高大上的名詞——無人機(jī)。

測(cè)繪地圖

無人機(jī)測(cè)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(dǎo)航。

應(yīng)用于農(nóng)業(yè)

多軸直升機(jī)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(shí)掌握水分、土壤和農(nóng)作物長(zhǎng)勢(shì)情況。確定播種、補(bǔ)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(duì)性的及時(shí)采摘。

勘探和采礦

勘探和采礦是另一個(gè)適合使用無人機(jī)的地方。用無人機(jī)在荒蕪人煙的地方實(shí)行航測(cè)航探,從多光譜到探地雷達(dá),從磁場(chǎng)異常探測(cè)到重力異常探測(cè),可以發(fā)現(xiàn)多種礦藏和其他資源,這當(dāng)然是最自然的應(yīng)用。

觀察野生動(dòng)物

空中的野生動(dòng)物巡邏可以及時(shí)監(jiān)控和預(yù)警,既保護(hù)人類安全,也避免不必要的獵殺。 英國(guó)動(dòng)保部門已經(jīng)開始采用無人機(jī)來防止非法獵殺。

氣象觀察

在氣象觀察,無人機(jī)用于臺(tái)風(fēng)眼和龍卷風(fēng)眼追蹤特別有用。強(qiáng)烈旋風(fēng)的危害很大,但生成機(jī)理和預(yù)測(cè)依然有很多難題,實(shí)際進(jìn)入風(fēng)眼收集數(shù)據(jù)十分必要,但危險(xiǎn)性也不言而喻,這是無人機(jī)不可替代的應(yīng)用場(chǎng)合。

快 遞

你家在某大廈20樓,有天你在家看電視,忽然手機(jī)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(dá),請(qǐng)打開窗戶或者到陽臺(tái)處接收貨物。”8分鐘后,一架小型旋翼飛機(jī)懸停在你家陽臺(tái),驗(yàn)證身份,取下快件,無人機(jī)返航。

這可不是電影里的場(chǎng)景,亞馬遜真的在推出了無人飛機(jī)快遞計(jì)劃。CEO 貝索斯親自站臺(tái)演示了這個(gè)名為Prime Air的無人機(jī)項(xiàng)目。

新聞、影視、娛樂

無人機(jī)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(jī),說不定哪一天私人偵探也會(huì)用上無人機(jī)。

軍事領(lǐng)域

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

警用無人機(jī)

無人機(jī)尺寸較小,續(xù)航時(shí)間超長(zhǎng),不受地形視野限制,不易引起被監(jiān)視對(duì)象的注意,攜帶的監(jiān)控設(shè)備可以長(zhǎng)時(shí)間提供穩(wěn)定、高分辨率的實(shí)時(shí)視頻,對(duì)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(jī)可以部分取代警用直升機(jī)的功能,有助于節(jié)省警務(wù)開支

暢想無人機(jī)未來

無人機(jī)對(duì)于普通人可能比較陌生,但對(duì)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(jī)的一種。無人機(jī)在我們普通人的日常生活中,并不常見,但很多場(chǎng)合都能看到它的身影。比如剛剛過去的世界杯足球場(chǎng)上,我們不止一次看到無人機(jī)忙于航拍的身影。

無人機(jī)最受重視的領(lǐng)域仍在軍事方面,各國(guó)都不斷地加強(qiáng)對(duì)無人戰(zhàn)機(jī)的研究,改進(jìn)無人戰(zhàn)機(jī)的功能,無人戰(zhàn)機(jī)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(zhēng)的話,無人機(jī)很有可能充當(dāng)主角。

目前無人機(jī)正在農(nóng)業(yè)、執(zhí)法及搜尋營(yíng)救等領(lǐng)域發(fā)揮作用,未來其還在校園巡視、巴士駕駛及包裹運(yùn)送等方面發(fā)揮作用。Cody Willard認(rèn)為,隨著無人機(jī)零部件、科技及相關(guān)運(yùn)轉(zhuǎn)平臺(tái)成本的逐步下降,無人機(jī)成為未來主流應(yīng)用的趨勢(shì)已無法逆轉(zhuǎn)。

對(duì)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?yàn)槲覀兛吹搅颂嗫苹么笃械南胂笞兂涩F(xiàn)實(shí)?萍荚谧兓覀兊纳罘绞揭苍谧兓。無人機(jī)以后會(huì)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(dāng)定了,以后送快遞的不再是快遞員,無人機(jī)運(yùn)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(shí)隨地帶著無人機(jī),忘了帶什么東西,可以讓它去取。額....是不是把無人機(jī)當(dāng)機(jī)器人(管家)了...