.. _sec_airframe_power: 机体与动力：“躯干与心脏”——机架、能源与配电 ========================================== **学习目标** - 理解机架在无人机系统中的承载作用 - 掌握电池选型与续航估算方法 - 了解配电系统的设计原则 - 能够根据任务需求进行动力系统的匹配与优化 在人体中，躯干是所有器官的承载结构，心脏则是持续供应能量的动力源泉。无人机的机架和能源系统正是扮演着”躯干与心脏”的角色：机架为所有硬件模块提供安装基础和结构支撑，电池则持续为整个系统供应电能。没有坚固的机架，各个部件无法协同工作；没有充足的能源，再智能的无人机也只是一堆静止的硬件。 与其他子系统不同，机体与动力系统往往被初学者忽视，但它们实际上决定了无人机的\ **载重能力**\ 、\ **续航时间**\ 和\ **飞行安全**\ 。一个设计合理的动力系统，是实现智能飞行的基础保障。 .. _sec_why_airframe: 为什么机架设计如此重要？ ------------------------ 机架的核心功能 ~~~~~~~~~~~~~~ 机架不仅仅是”把各个部件固定在一起”这么简单，它承担着多重关键功能： **1. 结构承载** 机架需要承载飞控、机载计算机、电池、传感器等所有硬件模块。不同的安装位置会影响无人机的重心分布，进而影响飞行稳定性。 **2. 力传递** 电机产生的推力通过机臂传递到机架中心，不合理的结构设计会导致应力集中，在剧烈机动或碰撞时造成机架断裂。 **3. 振动隔离** 电机高速旋转产生的振动是IMU的”大敌”。机架设计需要考虑振动传递路径，并为飞控预留减震安装空间。 **4. 电磁兼容** 电调、电机产生的电磁干扰可能影响GPS、磁力计等敏感设备。碳纤维机架具有一定的电磁屏蔽效果，但也可能影响GPS信号接收。 机架的基本构型 ~~~~~~~~~~~~~~ 多旋翼无人机根据电机数量和布局，可分为多种构型： +-----------------+-----------------+------------------------------------+------------------+ | 构型 | 电机数量 | 特点 | 典型应用 | +=================+=================+====================================+==================+ | 四旋翼（X型） | 4 | 结构简单，成本低，可靠性依赖单电机 | 消费级、教学科研 | +-----------------+-----------------+------------------------------------+------------------+ | 四旋翼（+型） | 4 | 机动性好，但前后不对称 | 特技飞行 | +-----------------+-----------------+------------------------------------+------------------+ | 六旋翼 | 6 | 单电机失效可紧急降落，载重能力强 | 航拍、测绘 | +-----------------+-----------------+------------------------------------+------------------+ | 八旋翼 | 8 | 冗余度高，大载重 | 工业巡检、物流 | +-----------------+-----------------+------------------------------------+------------------+ | 共轴双桨 | 4-8 | 结构紧凑，效率略低 | 特殊环境 | +-----------------+-----------------+------------------------------------+------------------+ .. **本课程选择** P450采用经典的四旋翼X型布局，轴距450mm，是科研教学中最常见的构型。 机架材质对比 ~~~~~~~~~~~~ =========== ==== ==== ==== ========== ============== 材质 重量 强度 成本 加工难度 典型应用 =========== ==== ==== ==== ========== ============== 碳纤维 轻 高 高 需专业设备 高端航拍、竞速 玻纤/PCB 中 中 中 可定制 教学、开发 铝合金 重 高 中 易加工 工业级 塑料/3D打印 轻 低 低 极易 原型验证 =========== ==== ==== ==== ========== ============== .. **工程经验** 碳纤维机架虽然轻便坚固，但会屏蔽GPS信号。使用碳纤维机架时，GPS模块需要通过支架抬高安装，远离碳板。 .. _sec_battery: 电池：无人机的”心脏” -------------------- 锂聚合物电池基础 ~~~~~~~~~~~~~~~~ 无人机几乎都使用\ *锂聚合物电池*\ （LiPo, Lithium Polymer），因为它具有高能量密度和高放电倍率的特点。 **电池的关键参数** ======== ========= ===================== ==================== 参数 符号/单位 说明 选型影响 ======== ========= ===================== ==================== 电芯串数 S 每串电芯标称电压3.7V 决定系统电压 容量 mAh 电池存储的电荷量 决定续航时间 放电倍率 C 最大持续放电电流/容量 决定能否支撑峰值功率 能量密度 Wh/kg 单位重量存储的能量 决定续航效率 内阻 mΩ 影响放电效率和发热 影响实际可用功率 ======== ========= ===================== ==================== **电压与串数的关系** 锂聚合物电池单节电芯的电压范围： ==== ==== ========================== 状态 电压 说明 ==== ==== ========================== 满电 4.2V 充电上限，不可超过 标称 3.7V 额定电压 存储 3.8V 长期存储推荐电压 截止 3.3V 放电下限，低于此会损伤电池 ==== ==== ========================== 常见的电池规格： ==== ==== ======== ======== ================== 规格 串数 标称电压 满电电压 典型应用 ==== ==== ======== ======== ================== 3S 3串 11.1V 12.6V 小型穿越机 4S 4串 14.8V 16.8V 消费级无人机、P450 6S 6串 22.2V 25.2V 专业航拍、大载重 ==== ==== ======== ======== ================== 容量与续航的关系 ~~~~~~~~~~~~~~~~ 电池容量决定了无人机的理论续航时间。续航时间的估算公式为： .. math:: T_{hover} = \frac{E_{battery}}{\bar{P}_{system}} = \frac{C \times V_{nom}}{P_{hover}} \times 60. :label: eq_hover_time 其中： - :math:`T_{hover}` 是悬停时间（分钟） - :math:`C` 是电池容量（Ah） - :math:`V_{nom}` 是标称电压（V） - :math:`P_{hover}` 是悬停功率（W） **示例计算**\ ： P450无人机配置： - 电池：4S 5000mAh（即5Ah × 14.8V = 74Wh） - 悬停功率：约250W（实测） .. math:: T_{hover} = \frac{5 \times 14.8}{250} \times 60 = \frac{74}{250} \times 60 \approx 17.8 \text{ 分钟}. :label: eq_p450_hover_time **工程经验** 实际续航时间通常为理论值的70-80%，因为需要保留20%的安全电量，且飞行过程中有起降、机动等额外功耗。 放电倍率的重要性 ~~~~~~~~~~~~~~~~ *放电倍率*\ （C数）决定了电池能够提供的最大持续电流： .. math:: I_{max} = C_{rate} \times C_{capacity}. :label: eq_max_current **示例**\ ： - 5000mAh 25C电池的最大持续放电电流：\ :math:`25 \times 5 = 125A` - 5000mAh 45C电池的最大持续放电电流：\ :math:`45 \times 5 = 225A` **放电倍率选型原则** ============ ============ ============== 应用场景 推荐放电倍率 说明 ============ ============ ============== 航拍悬停为主 20-25C 功率需求稳定 科研教学 25-35C 有一定机动需求 竞速穿越 45-75C 频繁高功率输出 重载飞行 35-50C 需要大电流支撑 ============ ============ ============== .. **安全警示** 选择放电倍率时应留有余量。如果电池长期在接近最大放电倍率下工作，会导致严重发热，缩短寿命甚至引发火灾。 电池安全与维护 ~~~~~~~~~~~~~~ 锂电池是无人机系统中最危险的组件之一，不当使用可能导致起火或爆炸。 **安全使用规范** ==== ========================================== 阶段 注意事项 ==== ========================================== 充电 使用平衡充电器，充电时人不离开，远离易燃物 存储 3.8V/节存储电压，阴凉干燥处，使用防火袋 使用 避免过放（<3.3V/节），避免物理损伤 运输 符合航空运输规定，单独包装 报废 鼓包、变形、内阻异常增大时停止使用 ==== ========================================== **电池健康度检测** ========== ================= ==================== 指标 正常范围 异常处理 ========== ================= ==================== 内阻 出厂值的1.5倍以内 超过2倍应更换 容量 标称值的80%以上 低于80%性能下降明显 单节电压差 <0.03V 差值大说明电芯不一致 外观 无鼓包、无变形 任何鼓包立即停用 ========== ================= ==================== .. _sec_power_distribution: 配电系统：能量的”血管” ---------------------- .. _fig_power_arch: 配电架构 ~~~~~~~~ 无人机的配电系统负责将电池能量分配到各个用电设备。典型的配电架构包括：电池输入、功率分配、电调输出、BEC稳压输出（5V/12V）、以及电压/电流采样。 :: 电池 (LiPo 4S/6S) │ ▼ 配电板/电源模块 ├──→ 电调输出 ×4-8 ──→ 电机 ├──→ 5V BEC ──→ 飞控/接收机 ├──→ 12V BEC ──→ 图传/云台 └──→ 电压/电流采样 ──→ 飞控ADC 电源模块的功能 ~~~~~~~~~~~~~~ 以Pixhawk常用的电源模块（如PM02/PM06）为例： ======== ======================== ========== 功能 说明 接口 ======== ======================== ========== 电压测量 通过分压电路采样电池电压 ADC → 飞控 电流测量 通过霍尔传感器采样总电流 ADC → 飞控 5.3V稳压 为飞控提供稳定电源 POWER接口 过流保护 电流过大时断开输出 内置 ======== ======================== ========== **电压采样原理** 电池电压远超飞控ADC的输入范围（通常0-3.3V），需要通过分压电路降压： .. math:: V_{ADC} = V_{BAT} \times \frac{R_2}{R_1 + R_2}. :label: eq_voltage_divider 例如，PM02使用的分压比约为1:18，即18V电池电压采样得到1V的ADC输入。 **电流采样原理** 电流采样通常使用霍尔效应传感器，输出与电流成正比的电压信号： .. math:: V_{ADC} = I_{BAT} \times K_{sensor}. :label: eq_current_sense 其中 :math:`K_{sensor}` 是传感器的灵敏度（如50mV/A）。 BEC稳压电路 ~~~~~~~~~~~ *BEC*\ （Battery Eliminator Circuit）将电池高电压转换为设备所需的低电压。 ======= ========= ============ ==== ========== 类型 原理 效率 发热 适用场景 ======= ========= ============ ==== ========== 线性BEC 压差转热 低（50-70%） 大 小电流设备 开关BEC DC-DC变换 高（85-95%） 小 大电流设备 ======= ========= ============ ==== ========== .. **工程经验** 机载计算机（如Jetson）功耗较大（10-25W），必须使用开关型DC-DC模块供电，线性稳压器会因发热过大而无法工作。 布线规范 ~~~~~~~~ 合理的布线是确保系统可靠性的关键： ================== ================ ================= 原则 说明 错误示例 ================== ================ ================= 电源线与信号线分离 减少电磁干扰 电调线与GPS线捆扎 使用合适线径 避免过热 用细线传输大电流 接插件可靠连接 防止飞行中松动 仅靠摩擦力固定 冗余保护 关键线路双重保护 单点故障导致坠机 ================== ================ ================= **线径选择参考**\ （铜线） ======== ============= =========== 电流范围 推荐线径(AWG) 截面积(mm²) ======== ============= =========== 0-5A 20-22 AWG 0.5-0.8 5-15A 16-18 AWG 1.0-1.5 15-30A 12-14 AWG 2.0-2.5 30-60A 10-12 AWG 4.0-6.0 ======== ============= =========== .. _sec_weight_payload: 重量与载重：飞行性能的关键 -------------------------- 重量分布分析 ~~~~~~~~~~~~ 无人机的总重量直接影响续航和机动性能。 **P450典型配置重量明细** ================ ======== ==== ========= 组件 单件重量 数量 小计 ================ ======== ==== ========= 碳纤维机架 280g 1 280g 2212电机 60g 4 240g 30A电调 20g 4 80g 9450螺旋桨 10g 4 40g Pixhawk飞控 40g 1 40g GPS模块 40g 1 40g 4S 5000mAh电池 500g 1 500g 配电板+线材 80g 1 80g **基础起飞重量** **1300g** ================ ======== ==== ========= 载重能力评估 ~~~~~~~~~~~~ 添加智能设备后的重量变化： =========================== ==== ======== 附加设备 重量 累计总重 =========================== ==== ======== 基础配置 - 1300g + 机载计算机（Orin NX套件） 200g 1500g + D435i深度相机 72g 1572g + Mid-360激光雷达 265g 1837g + 安装支架及线材 100g 1937g =========================== ==== ======== .. **关键判断** P450使用2212电机+9寸桨的最大推力约为2.4kg（单电机600g推力），起飞重量约1.9kg时，\ *推重比*\ （Thrust-to-Weight Ratio）为： .. math:: \text{推重比} = \frac{4 \times 600g}{1937g} \approx 1.24. :label: eq_thrust_weight_ratio 推重比1.24仍可飞行，但机动性受限。推重比建议不低于1.5，最好达到2.0以上。 重心位置的重要性 ~~~~~~~~~~~~~~~~ 无人机的重心应该尽量位于几何中心，否则飞控需要持续修正姿态偏差，导致效率下降和控制不稳定。 **重心调整原则** ======== ================================== 原则 说明 ======== ================================== 电池居中 电池是最重的单体，应放置在几何中心 对称布置 左右、前后质量分布尽量对称 低重心 重物尽量靠近机架中心平面 固定可靠 防止飞行中重物移动 ======== ================================== .. _sec_endurance_estimation: 续航估算：理论与实践 -------------------- 续航估算方法 ~~~~~~~~~~~~ **方法一：基于功率的估算** 已知悬停功率 :math:`P_{hover}`\ （可通过电流钳实测或查电机效率曲线），续航时间： .. math:: T = \frac{E_{battery} \times \eta_{discharge}}{P_{hover}} = \frac{C \times V_{nom} \times 0.8}{P_{hover}} \times 60. :label: eq_endurance_power 其中 :math:`\eta_{discharge} = 0.8` 表示只使用80%电量。 **方法二：基于推力的估算** 如果不知道实际功率，可以从推力需求出发： .. math:: P_{hover} = \sum_{i=1}^{n} P_{motor,i}(T_{hover,i}). :label: eq_hover_power 其中 :math:`T_{hover,i} = \frac{W_{total}}{n}`\ （悬停时每个电机承担的推力），\ :math:`P_{motor}(T)` 可从电机效率曲线查得。 在线续航估算工具 ~~~~~~~~~~~~~~~~ 推荐使用\ **eCalc** (ecalc.ch)或\ **flyeval.cn**\ 进行续航估算。 **输入参数清单** ======== ========================== ====================== 参数类别 具体参数 P450示例值 ======== ========================== ====================== 机架 轴距、重量 450mm, 280g 电机 KV值、内阻、空载电流 920KV, 0.1Ω, 0.5A 螺旋桨 尺寸、螺距 9×4.5寸 电池 串数、容量、放电倍率、重量 4S, 5000mAh, 25C, 500g 电调 最大电流 30A 载荷 除电池外的总重量 1300g ======== ========================== ====================== 实测验证 ~~~~~~~~ 理论计算需要通过实测验证，常用的测试方法： **1. 悬停测试** :: 测试流程： 1. 记录起飞时电池电压（满电4.2V/节） 2. 执行定点悬停 3. 每5分钟记录一次电压 4. 当单节电压降至3.5V时降落 5. 记录总悬停时间 **2. 任务测试** 模拟实际任务场景（如航点飞行），记录完成任务后的剩余电量。 .. _sec_airframe_practice: 动手实践：评估P450的动力系统 ---------------------------- 实践1：分析P450的URDF/SDF模型 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ **目标**\ ：理解仿真模型中的动力系统参数定义 **步骤**\ ： 1. 查看P450的模型文件 .. raw:: latex \diilbookstyleinputcell .. code:: bash # 进入模型目录 cd ~/prometheus_px4/prometheus/Simulator/gazebo_simulator/models/P450 # 查看模型结构 ls -la # 查看SDF模型文件 cat model.sdf | grep -A 20 "motor" 2. 找到以下关键参数并记录： ============ ========================== ============== 参数 SDF中的标签 您找到的值 ============ ========================== ============== 电机最大推力 ```` \_\_\_\_\_\_\_ 电机力常数 ```` \_\_\_\_\_\_\_ 力矩常数 ```` \_\_\_\_\_\_\_ 旋翼直径 ```` \_\_\_\_\_\_\_ ============ ========================== ============== 3. 理解电机模型 Gazebo中的电机推力模型通常为： .. math:: F = k_f \cdot \omega^2. :label: eq_motor_thrust 其中 :math:`k_f` 是力常数（motorConstant），\ :math:`\omega` 是转速。 实践2：悬停功率测量（仿真） ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ **目标**\ ：在仿真中测量P450的悬停功率 **步骤**\ ： 1. 启动仿真环境 .. raw:: latex \diilbookstyleinputcell .. code:: bash roslaunch prometheus_gazebo sitl_indoor_1uav_P450.launch 2. 启动控制终端，执行悬停 .. raw:: latex \diilbookstyleinputcell .. code:: bash # 在另一个终端 rosrun prometheus_control terminal_control 选择定点悬停模式，等待无人机稳定。 3. 查看电机输出话题 .. raw:: latex \diilbookstyleinputcell .. code:: bash # 查看电机控制量（归一化0-1） rostopic echo /mavros/target_actuator_control 4. 计算悬停油门量 记录四个电机的平均输出值，典型悬停油门约为50-60%。 **思考**\ ：如果悬停油门接近80%，说明什么问题？ 实践3：续航估算练习 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ **目标**\ ：使用在线工具估算P450的续航时间 **步骤**\ ： 1. 访问\ `flyeval.cn `__\ 或\ `ecalc.ch `__ 2. 输入以下参数： ======== ============================ 参数 值 ======== ============================ 机架类型 四旋翼X型 轴距 450mm 起飞重量 1300g（基础）/ 1900g（满载） 电机KV 920 桨尺寸 9×4.5 电池 4S 5000mAh 25C ======== ============================ 3. 记录估算结果 =============== ========== ============ ============ 配置 悬停功率 悬停时间 最大航时 =============== ========== ============ ============ 基础配置(1.3kg) \_\_\_\__W \_\_\_\__min \_\_\_\__min 满载配置(1.9kg) \_\_\_\__W \_\_\_\__min \_\_\_\__min =============== ========== ============ ============ 4. 分析添加载荷对续航的影响 .. math:: \text{续航下降比例} = 1 - \frac{T_{\text{满载}}}{T_{\text{基础}}} = \_\_\_\_\%. :label: eq_endurance_drop 实践4：配电系统分析 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ **目标**\ ：理解P450的配电架构 **步骤**\ ： 1. 绘制P450的配电框图 根据实际硬件或参考资料，绘制包含以下元素的配电图： - 电池连接方式 - 电调供电路径 - 飞控供电方式（电源模块） - 机载计算机供电（如有） 2. 计算各支路电流 ============== ====== ==== ========== 负载 电压 功率 电流 ============== ====== ==== ========== 4×电机（悬停） 14.8V 250W \_\_\_\__A 飞控 5V 2W \_\_\_\__A GPS 5V 0.5W \_\_\_\__A 机载计算机 5V/12V 15W \_\_\_\__A ============== ====== ==== ========== 3. 验证电池放电能力 计算总电流是否在电池最大持续放电电流范围内： .. math:: I_{total} = \_\_\_\_A \quad \text{vs} \quad I_{max} = 25C \times 5Ah = 125A. :label: eq_current_check 小结 ---- 本节介绍了无人机的机体与动力系统，即”躯干与心脏”。主要知识点包括： **机架设计**\ ： - 机架承担结构承载、力传递、振动隔离等多重功能 - 四旋翼X型是最常见的构型，兼顾简单性和可靠性 - 碳纤维轻便坚固但屏蔽GPS，需要权衡选择 **电池系统**\ ： =========== ========================== 参数 选型要点 =========== ========================== 串数(S) 决定电压，需匹配电机和电调 容量(mAh) 决定续航，需权衡重量 放电倍率(C) 需满足峰值功率需求并留余量 =========== ========================== **配电系统**\ ： - 电源模块提供稳压输出和电压/电流采样 - BEC为低压设备供电，大功率设备需用开关型DC-DC - 布线需遵循分离、合适线径、可靠连接等原则 **续航估算**\ ： .. math:: T_{hover} = \frac{C \times V_{nom} \times \eta}{P_{hover}} \times 60. :label: eq_endurance_summary 实际续航约为理论值的70-80%，需通过实测验证。 练习题 ------ 基础练习 ~~~~~~~~ 1. **参数计算**\ ：一块6S 8000mAh 25C的电池，其标称电压、满电电压和最大持续放电电流分别是多少？ 2. **续航估算**\ ：某无人机悬停功率300W，使用4S 6000mAh电池，估算其理论悬停时间（考虑80%可用电量）。 3. **线径选择**\ ：如果电调的最大电流为40A，应该选择多粗的电源线？ 进阶练习 ~~~~~~~~ 4. **系统设计**\ ：设计一个能携带500g载荷、续航20分钟以上的四旋翼无人机动力系统，给出电机、螺旋桨、电池的选型建议。 5. **故障分析**\ ：飞行中发现无人机悬停时明显向左倾斜，可能是什么原因？如何排查？ 6. **优化方案**\ ：已有一台续航15分钟的无人机，如何在不更换电机的情况下将续航提升到20分钟？分析可行的方案及其trade-off。 思考题 ~~~~~~ 7. **锂电池安全**\ ：为什么锂电池不能过充和过放？从电化学角度解释其危害。 8. **构型选择**\ ：六旋翼相比四旋翼有什么优缺点？在什么应用场景下应该选择六旋翼？ 9. **能源未来**\ ：氢燃料电池和固态电池可能如何改变无人机的能源系统？它们目前面临什么挑战？ 延伸阅读 -------- - `eCalc在线续航计算器 `__ - `锂电池安全使用指南 `__ - `无人机动力系统匹配原理 `__