顶级飞行无人机技术

在考虑无人机时,你可能会想到四转子带有四个独立的电动机,每个电动机都驱动一个螺旋桨。在讨论这些电机时,设计工程师强调它们只是航空航天系统的一部分。电机必须与电源(电池),控制微电子和软件,飞机传感器(如加速度计)和有效载荷集成在一起。
但为什么四轴转子配置用于垂直起降(VTOL)无人机?为什么不使用带有主旋翼和尾桨的直升机来消除扭矩?答案:直升机旋翼更复杂; 每个叶片需要在空中进行迎角,与叶片组同步变化,这些叶片在旋转时会增加升力。通过机械旋转斜盘以不同方式改变叶片角度,产生所需方向的运动。机械地改变叶片角度也增加了部件重量。
四转子中的转子是简单的支柱 - 因为叶片角度是固定的 - 并且通过节流每个马达来控制。两个转子顺时针旋转,另外两个逆时针旋转,取消扭矩效应。每个转子以微小角度倾斜。将转子节流在一起会增加或减少升力并且飞机上升或下降。差动油门应用控制俯仰,偏航和侧倾。当无人机倾斜时,增加的油门输入使飞机向所需的方向发射。
一些较昂贵的无人机采用六角转子设计。即使一个转子发生故障,这也允许连续飞行(图1)。
图1

图1:这种六旋翼无人机比普通的四旋翼消费无人机具有更好的有效载荷和飞行冗余度。(来源:Mouser)

能力程度

典型的消费无人机价格从几十美元到一千多美元不等。虽然最便宜的无人机具有一定的成像能力并且可以作为飞行训练器,但价格最高的无人机通常意味着更好的成像和视频质量以及防撞传感器等功能。大多数消费者模型只能飞行20-25分钟,并且地理位置超过2公里。美国联邦航空管理局(FAA)的规定将消费者的无人机升级限制在地面以上122米的高度 - 因为驾驶飞机必须高于152米 - 并且要求飞行器必须保持在用户的视线范围内。
最新的消费无人机之一是Parrot ANAFI(图2)。根据Parrot Drones的研发推进团队负责人Edouard Rosset的说法,消费者必须拥有令人愉快的飞行体验才能成为无人机的成功产品。为此,ANAFI开发设计工程师决定专注于具有高便携性,易用性和飞行性以及高质量图像(具有4K视频和高动态范围(HDR)图像)的包装。

图2

图2: Parrot最新的ANAFI无人机将手臂折叠成一个紧凑的包装,便于携带。(来源:KlausFoehl / CC BY-SA 4.0)

无刷电机起着至关重要的作用

作为Rosset所谓的“车辆动力传动链”的一部分, 无人机电机在通过支柱将电能转换为机械动力方面起着至关重要的作用。设计团队为电机设定了一个临界重量范围,以使无人机尽可能轻,从而提高耐用性和整体便携性。他们创造了一种无刷永磁超轻型电动机,具有高输出功率,最高时速可达54公里/小时,风阻可达每小时49公里,并可在悬停时实现最佳效率。

电机区别

本质上,无刷电动机以电子方式对电枢线圈中的电流(和产生的磁场)进行换向或切换,从而产生来自对其永磁体的磁场的反作用力的扭矩。相反,经典的有刷电机在其线圈在固定的永磁场内旋转时机械地切换电流。当线圈旋转时,刷子接触每个后续的线圈绕组。没有刷子(以及相关的摩擦磨损),无刷类型的部件更少。
然而,外部无刷配置固定电枢线圈,并且永磁体环围绕线圈旋转。inrunner型在线圈内具有旋转磁铁。因为磁体的外环导致电磁场穿过的较大的气隙表面区域,所以在离旋转轴线更大的半径处,外转子装置固有地产生更大的扭矩。

为何选择无刷:思考效率和性能

罗塞特评论说:“无刷电机更耐灰尘和湿气。绕组线是隔离的,敏感区域没有接触。” 总的来说,他说,“效率是电机的关键性能指标之一。为达到这个目标,[电机]必须精确地适应螺旋桨以提供良好的散热。在ANAFI中,这正是我们做到了。这就是为什么绕组更明显,保持线圈冷却,最大化电机效率。“
作为动力传动链的一部分,“电机控制算法需要为电机定制,”Rosset说。“这是在最大速度下盘旋[和]无人机时最大限度提高效率的唯一途径。它需要设计成在每个飞行阶段控制电机,并且响应时间快,以加强飞行控制。”
他最后强调说:“最好是深入了解为无人机选择的电机的电磁,机械和电气特性,同时尽量减小其尺寸和重量。”
Rosset认为电机(如电子产品)延续了小型化的趋势,这表明“即使无刷技术成熟,最终目标仍然是保持高性能,同时减小尺寸和重量。”

天空中的眼睛

设计用于为第一响应者和军事单位提供态势感知的无人机可能看起来像消费无人机的大小和配置。但是这些专用无人机采用了更高性能的电池,电机和制造方法,以实现更高的性能和可靠性。这些飞机必须在各种天气下运行,而消费类型通常不能在降水,大风和极端温度下运行。
这些紧凑型军用平台的一个例子是InstantEye Robotics的InstantEye系列(图3)。这些飞机的版本可以传输距离为4km的加密图像,使用可选的任务电池可以耐受长达一小时。它们可以以90kph的速度快速到达目标点,并以每分钟610米的速度快速攀升。这样的性能数字(取决于风和有效载荷)将使消费者无人驾驶飞行员羡慕,因为他或她的DJI Phantom 3通常以低于60kph的速度行进,最大爬升速度约为每分钟300米。

图3

图3: InstantEye是一系列经过任务验证的高性能,经济实惠的航空机器人系统,可在任何天气下由单个操作员手动启动/恢复。

设计挑战

关于影响无人机设计的因素,InstantEye的首席系统工程师Philly Croteau表示,“你不能只谈论一个组件并对其进行优化,因为所有组件必须一起考虑并设计妥协和权衡以获得一个整体有效的平台“。
他强调,“这个结果必须有三个主要元素:具有成本效益,达到绩效目标,并且易于使用和培训。” 将第一和第二代表值与第三代表值相结合对于系统来说非常重要,因为对于人员而言,训练时间对于熟悉战斗区域中的系统操作而言是非常重要的。
考虑到无人机的性能,Croteau专注于最大化提升能力的因素。电机和道具的推力以及高效的生产不仅会影响飞行,还会影响车辆的稳定性和控制。同样,推进系统必须具有在作战或第一响应情况下的可靠性的鲁棒性。
Croteau特别强调了无刷电机相对于拉丝类型的坚固性优势,“使用电刷时,在高转速(每分钟转数(rpm))下会产生更多摩擦,导致接触磨损。” 也可能存在一些可能导致电磁干扰的电弧放电,从而影响飞机电子设备。他指出,InstantEye具有防腐蚀涂层,例如触点。
考虑到这一点,设计师必须熟练选择和应用电机,以免对车辆质量产生不利影响。为无人机电机和密封件创建一个简单的更换解决方案,进一步提高了现场无人机的正常运行时间。
与Rosset一样,Croteau强调了电机和电子产品散热的重要性。“电机定位为在支柱流中冷却......”他说,“将控制器靠近电机,或在支柱尖端的气流中使用一个散热器。”因为飞机设计中的所有东西都是权衡,Croteau指出散热器的质量应该最小化并相对于重心定位,以便对惯性和可控性产生最小的影响。此外,他说有效的无人机电子设备以最少的热量产生的电力消耗将会消耗电池速度较慢,飞行时间较长。
Croteau对电机控制的评论也说明:“电机控制器对于快速切换[金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)]系统的效率至关重要,每个控制器在驱动电机时发出信号。他分享说,InstantEye设计师使用的控制算法产生的梯形信号近似于正弦波以产生更少的热量,他的团队专门选择了MOSFET,因为它们在切换时经历的热量损失最少。
为此,InstantEye开发人员研究了鹰蛾开发其飞行控制算法。他们特别注意到昆虫的反应速度以及昆虫在进入树木后如何恢复。这项研究有助于无人机在强风和阵风中的稳定性,从而实现稳定的摄像机输入。
对于未来,Croteau预测几种技术趋势将影响无人机设计:
“一个[趋势将是]降低小型无刷电机的成本,因为在拉丝和绕组线圈中可以实现更高的自动化,这是先前用手连接的。另一个[将]能够像直升机一样俯仰螺旋桨叶片以增加另一个提高可控性和稳定性的自由度。“ 后者可以通过形状记忆材料来完成,以避免机械复杂性。
Croteau进一步假设无人机飞行“类似于生物学和自然飞行。我们看不到旋转的性质,现在如果你失去了一个道具,你会崩溃。有了'飞翔的翅膀',你可以保持飞行而不会停止。我们可能有感觉和避免飞行,就像鸟儿飞过灌木丛一样。“

便携式电力塔

最后一类专业无人机为设计工程师的任务增添了独特的挑战:系留车辆。系绳包含一个电源,用于在一个点上方无限制的飞行时间。一个这样的例子是用于成像和通信应用的CyPhy Works PARC六旋翼无人机。在这里,非光纤微丝束束缚飞机,并包含一个以太网链路,用于高达122米的飞行。
CyPhy工程副总裁Laura Major解释说:“典型任务持续数小时,甚至数天。这导致运行时间的快速积累,这要求系统组件,特别是电机,使用寿命比普通消费者长得多无人驾驶飞机“。
由于PARC在极端温度,降水,灰尘和其他微粒中发挥作用,不仅影响机械和电气元件,“而且还有各种子系统的健康监测软件,这是高可靠性的基础,”Major解释说,特别是考虑到“监控数百个参数以检测设计范围外的操作,识别组件退化或[预测]即将发生的故障。”

结论

虽然目前的无人机技术和系统显然为消费者,专业人员,军事和第一反应使用提供了多种功能,但开发正在为未来带来更大,更具成本效益的应用。

关键要点

  • 与任何航空航天系统一样,无人机是一种折衷方案,设计人员必须以经济有效的方式平衡电机,控制器,微电子和电池特性。
  • 材料和制造方面的进步使小型包装中的飞机更加高效。
  • 无人机技术趋势正在迅速向未来的系统发展,这些系统可能与当前平台不同(或执行)。

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