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。

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。

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：

(22)\[T_{hover} = \frac{E_{battery}}{\bar{P}_{system}} = \frac{C \times V_{nom}}{P_{hover}} \times 60.\]

其中：

• \(T_{hover}\) 是悬停时间（分钟）

• \(C\) 是电池容量（Ah）

• \(V_{nom}\) 是标称电压（V）

• \(P_{hover}\) 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）

(23)\[ \begin{align}\begin{aligned}T_{hover} = \frac{5 \times 14.8}{250} \times 60 = \frac{74}{250} \times 60 \approx 17.8 \text{ 分钟}.\\**工程经验**\\实际续航时间通常为理论值的70-80%，因为需要保留20%的安全电量，且飞行过程中有起降、机动等额外功耗。\end{aligned}\end{align} \]

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：

(24)\[I_{max} = C_{rate} \times C_{capacity}.\]

示例：

• 5000mAh 25C电池的最大持续放电电流：\(25 \times 5 = 125A\)

• 5000mAh 45C电池的最大持续放电电流：\(45 \times 5 = 225A\)

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

配电系统：能量的”血管”

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：

(25)\[V_{ADC} = V_{BAT} \times \frac{R_2}{R_1 + R_2}.\]

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：

(26)\[V_{ADC} = I_{BAT} \times K_{sensor}.\]

其中 \(K_{sensor}\) 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

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：

(27)\[\text{推重比} = \frac{4 \times 600g}{1937g} \approx 1.24.\]

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

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 \(P_{hover}\)（可通过电流钳实测或查电机效率曲线），续航时间：

(28)\[T = \frac{E_{battery} \times \eta_{discharge}}{P_{hover}} = \frac{C \times V_{nom} \times 0.8}{P_{hover}} \times 60.\]

其中 \(\eta_{discharge} = 0.8\) 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：

(29)\[P_{hover} = \sum_{i=1}^{n} P_{motor,i}(T_{hover,i}).\]

其中 \(T_{hover,i} = \frac{W_{total}}{n}\)（悬停时每个电机承担的推力），\(P_{motor}(T)\) 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。

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

# 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	<maxRotVelocity>	_______
电机力常数	<motorConstant>	_______
力矩常数	<momentConstant>	_______
旋翼直径	<rotorDragCoefficient>	_______

3. 理解电机模型

Gazebo中的电机推力模型通常为：

(30)\[F = k_f \cdot \omega^2.\]

其中 \(k_f\) 是力常数（motorConstant），\(\omega\) 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

roslaunch prometheus_gazebo sitl_indoor_1uav_P450.launch

2. 启动控制终端，执行悬停

# 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

# 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

(31)\[\text{续航下降比例} = 1 - \frac{T_{\text{满载}}}{T_{\text{基础}}} = \_\_\_\_\%.\]

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：

(32)\[I_{total} = \_\_\_\_A \quad \text{vs} \quad I_{max} = 25C \times 5Ah = 125A.\]

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：

(33)\[T_{hover} = \frac{C \times V_{nom} \times \eta}{P_{hover}} \times 60.\]

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