從飛行力學(xué)上來(lái)看，多旋翼無(wú)人機(jī)是靠螺旋槳轉(zhuǎn)速的變化，來(lái)調(diào)整力和力矩的，從而實(shí)現(xiàn)多旋翼無(wú)人機(jī)的飛行運(yùn)動(dòng)控制。但是，對(duì)多旋翼無(wú)人機(jī)的槳葉來(lái)說(shuō)， 一方面，槳葉尺寸越大，越難以迅速改變其速度。也正是因?yàn)槿绱?，直升機(jī)主要是靠改變槳距而不是速度來(lái)改變升力。 另一方面，在大載重下，槳葉的剛性需要進(jìn)一步提高。不可變距的槳葉上下振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致剛性大的槳葉很容易折斷，因此，槳葉的柔性是很重要的，它可以減少槳葉來(lái)回旋轉(zhuǎn)對(duì)槳葉根部的影響。所以，大載重多旋翼無(wú)人機(jī)的大槳葉少見(jiàn)。但是，可以通過(guò)增加旋翼數(shù)量來(lái)提高多旋翼的載重能力。[1]在消費(fèi)級(jí)領(lǐng)域，四旋翼無(wú)人機(jī)居多，主要是體積小，效率高，在工業(yè)級(jí)領(lǐng)域，六旋翼，八旋翼無(wú)人機(jī)則比較常見(jiàn)。

1 總體參數(shù)設(shè)計(jì)

1.1 起飛重量

起飛時(shí)，多旋翼無(wú)人機(jī)必須能產(chǎn)生大于本身重力的升力，才能使多旋翼無(wú)人機(jī)離開(kāi)地面升空。由于多旋翼無(wú)人機(jī)只能產(chǎn)生有限的升力，因此多旋翼無(wú)人機(jī)本身的總重必須受到限制，以保障能夠正常起飛離地，即機(jī)體結(jié)構(gòu)重量和航電設(shè)備的總和。

1.2 有效的載荷

是指多旋翼無(wú)人機(jī)上裝載的，為直接實(shí)現(xiàn)機(jī)體運(yùn)行要完成的特定任務(wù)的儀器、設(shè)備等，有效載荷尺寸的大小，直接影響多旋翼無(wú)人機(jī)的機(jī)體總體尺寸。例如，攝像頭，吊艙等。

1.3 軸距

多旋翼無(wú)人機(jī)多采用均布式位置分配方式，對(duì)稱位置上電機(jī)輸出軸距離是影響多旋翼無(wú)人機(jī)總體尺寸的重要因素，在總體參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮軸距計(jì)算是否合理。參考多旋翼無(wú)人機(jī)對(duì)稱電機(jī)軸距經(jīng)驗(yàn)公式：[2]

式中：a為螺旋槳尺寸，單位為in；b為換算單位，1in=25.4mm；e為電機(jī)系數(shù)（根據(jù)電機(jī)kV值選取經(jīng)驗(yàn)值）。

1.4 槳尖距離

支臂相鄰的兩副螺旋槳之間的氣動(dòng)干擾是多旋翼無(wú)人機(jī)的最大弊端。正對(duì)著自由來(lái)流的兩副螺旋槳彼此之間氣動(dòng)干擾最劇烈，作為多旋翼無(wú)人機(jī)的典型狀態(tài)，應(yīng)計(jì)算其相互之間的氣動(dòng)干擾。槳尖間距評(píng)估，可以得出相鄰螺旋槳最佳的槳尖間距，以六旋翼無(wú)人機(jī)算例評(píng)估，最佳相鄰螺旋槳槳尖間距為0.2R。[3]

1.5 重心位置

在設(shè)計(jì)時(shí)，必須將重心設(shè)計(jì)到多旋翼無(wú)人機(jī)的中心軸上。有以下兩種重心布置方式，其一，如果多旋翼無(wú)人機(jī)重心在槳盤平面下方，在前飛狀態(tài)下，誘導(dǎo)的來(lái)流會(huì)產(chǎn)生平行于槳盤平面的阻力。阻力形成的力矩會(huì)促使多旋翼無(wú)人機(jī)俯仰角減小，表現(xiàn)為控制遲鈍。其二，在前飛狀態(tài)下，若多旋翼無(wú)人機(jī)重心在槳盤平面上，那么阻力形成的力矩會(huì)促使多旋翼無(wú)人機(jī)俯仰角比較發(fā)散，其表現(xiàn)為，控制靈敏，機(jī)動(dòng)性高。[4]

在結(jié)構(gòu)上，重心向下和重心向上，都會(huì)引起額外的阻力力矩。造成多旋翼無(wú)人機(jī)的不穩(wěn)定。這樣就需要通過(guò)反饋控制來(lái)調(diào)節(jié)多旋翼無(wú)人機(jī)的平衡。如果重心在槳盤平面很靠上的位置，會(huì)使多旋翼無(wú)人機(jī)某個(gè)運(yùn)動(dòng)模態(tài)很不穩(wěn)定。因此，實(shí)際中建議將重心靠近多旋翼無(wú)人機(jī)的中心，或者根據(jù)需求可以稍微靠下，這樣飛控控制起來(lái)更容易些。

1.6 飛行時(shí)間估算

根據(jù)相似機(jī)型飛行經(jīng)驗(yàn)，多旋翼無(wú)人機(jī)在x（kg）起飛重量下正常飛行所需功率在（w），然后根據(jù)所選動(dòng)力系統(tǒng)的電池組估算飛行時(shí)間，例如：2塊6s,22000mah的電池所能產(chǎn)生的最大功為2*6*4.2（v）*22(A.h)=1108.8Wh，多旋翼飛行中，電池一般留有30%的余量，電池所能釋放的有效功=1108.8*0.7=776.16Wh，有效飛行時(shí)間（min）為公式為：

2 旋翼系統(tǒng)選型設(shè)計(jì)

2.1 螺旋槳

螺旋槳是產(chǎn)生升力的關(guān)鍵部件。其中電機(jī)、電調(diào)和螺旋槳合理的搭配與設(shè)計(jì)，可以在相同的升力下耗用更少的電量，這樣就能延長(zhǎng)多旋翼無(wú)人機(jī)的續(xù)航時(shí)間。選擇最優(yōu)的螺旋槳是提高續(xù)航時(shí)間的一條捷徑。[5]

1）型號(hào)

假設(shè)螺旋槳在一種不能流動(dòng)的介質(zhì)中旋轉(zhuǎn)，那么螺旋槳每轉(zhuǎn)一圈，就會(huì)向前進(jìn)一個(gè)距離，就稱為螺距。顯然，槳葉的角度越大，槳距也越大，角度與旋轉(zhuǎn)平面角度為0，槳距也為0。螺旋槳一般用4個(gè)數(shù)字表示，其中前面2位是螺旋槳的直徑，后面2位是螺旋槳的螺距。比如：1045槳的直徑為10英寸，而螺距為4.5英寸。

2）槳葉數(shù)

有實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)于多旋翼無(wú)人機(jī)，2葉槳的性能最優(yōu)。[6]

3）安全轉(zhuǎn)速

因?yàn)槎嘈頍o(wú)人機(jī)所使用的螺旋槳都具有一定柔性，所以超過(guò)一定轉(zhuǎn)速后，螺旋槳就會(huì)發(fā)生形變，效率也因而降低。安全轉(zhuǎn)速的計(jì)算，要保證在所有可能工況下不超過(guò)最高允許轉(zhuǎn)速。

3 動(dòng)力系統(tǒng)的選型設(shè)計(jì)

3.1 無(wú)刷電機(jī)

最先需要考慮的就是其使用的多旋翼無(wú)人機(jī)的整機(jī)重量，需要根據(jù)整機(jī)重量選擇電機(jī)的最大拉力（需要匹配螺旋槳）。整機(jī)重量最好不要超過(guò)電機(jī)拉力的五分之二（即電機(jī)最大拉力要大于整機(jī)重量2.5倍），因?yàn)槎嘈頍o(wú)人機(jī)除了上升的動(dòng)作外，還需要完成前進(jìn)后退，左右橫滾，極速前進(jìn)等動(dòng)作，并且在有風(fēng)的環(huán)境中需要克服風(fēng)的阻力。

其次需要關(guān)注的是電機(jī)的KV值，KV值是每1V電壓下電機(jī)每分鐘空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速變化率。相同功率的電機(jī)，KV值越高，單位電壓下轉(zhuǎn)速變化越快，這意味著可實(shí)現(xiàn)更快的反應(yīng)速度；KV值越低，單位電壓下轉(zhuǎn)速變化越慢，能輸出更大的扭矩。相同功率的電機(jī)，選擇高KV值的型號(hào)能夠?qū)崿F(xiàn)更靈敏的反應(yīng)速度，只能帶小槳。[7]

3.2 電調(diào)

無(wú)刷刷電機(jī)由于取消了碳刷結(jié)構(gòu)，需要能替代碳功能的部件，這個(gè)就是電調(diào)，電調(diào)負(fù)責(zé)將直流電，轉(zhuǎn)換為三相電，并根據(jù)需要控制其電壓電流大小，從而驅(qū)動(dòng)無(wú)刷電機(jī)實(shí)現(xiàn)需要的轉(zhuǎn)速輸出。在確定電機(jī)型號(hào)后，根據(jù)電機(jī)的最大電流，再選擇合適的電調(diào)。具體地，電調(diào)的輸出電流必須大于電機(jī)的最大電流，而且是越大越好。例如，所選擇的電機(jī)帶槳的最大負(fù)載電流是50A，那么電調(diào)的最大電流必須是60A，或者80A，電調(diào)電流越大，越不容易燒毀。

3.3 電池

多旋翼無(wú)人機(jī)電池通常是指鋰電池，電池儲(chǔ)存的能量，單位為Wh（瓦時(shí)），能量（Wh）＝電壓（V）×電池容量（Ah）。例如，標(biāo)識(shí)為3.7V/22000mAh的6S電池，其能量為488.4Wh，把2塊這樣的電池串聯(lián)，就組成了一個(gè)電壓是44.4V，容量為22000mAh的電池組，雖然沒(méi)有提高電池容量，但總能量確提高了2倍。

放電倍率（C）是指在規(guī)定時(shí)間內(nèi)放出其額定容量（Q）時(shí)所需要的電流值，它在數(shù)值上等于電池額定容量的倍數(shù)。放電倍率決定了電池的放電電流（A），例如，對(duì)于容量為24Ah，放電倍率5C的電池，它的放電電流就是120A。如果其放電倍率為2C，0.5小時(shí)放電完畢；用12A充電，如果其充電倍率為0.5C，2小時(shí)充電完畢。

電池主要參數(shù)：電壓+容量+放電倍率來(lái)確定放電持續(xù)電流，例如：3S(11.1V),4200mAh,30C放電持續(xù)電流為126A。

3.4 綜合選型

在配對(duì)選型時(shí)，一方面，電池電流持續(xù)輸出要大于電調(diào)最大持續(xù)電流，按上述電池3S電池，電調(diào)就可以選擇80A或者100A，另一方面，電池電壓要小于電調(diào)最高承載電壓。

電機(jī)工作電壓由電調(diào)決定，而電調(diào)電壓由電池輸出決定，所以電池的電壓要小于電機(jī)的最大電壓，而且，電機(jī)能承受的最大電壓要大于電調(diào)最大電壓。

4 工業(yè)設(shè)計(jì)

首先，采用集成化產(chǎn)品化設(shè)計(jì)思路，對(duì)多旋翼無(wú)人機(jī)的造型進(jìn)行符合產(chǎn)品特點(diǎn)的設(shè)計(jì)，造型線條豐富多變，曲面與平面得運(yùn)用與融合具有創(chuàng)新性與藝術(shù)性。然后，融入公司特色，整體風(fēng)格統(tǒng)一，確定整體外觀配色方案，提高產(chǎn)品的市場(chǎng)價(jià)值。最后，完成外觀模型以及概念設(shè)計(jì)原型的制作。 參考前期文章《從工業(yè)設(shè)計(jì)角度談多旋翼無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)》。

5 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)總體參數(shù)和外觀設(shè)計(jì)要求，首先，要從產(chǎn)品加工角度和氣動(dòng)分析角度評(píng)估外觀造型的結(jié)構(gòu)合理性，其次，需要評(píng)估和控制多旋翼無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)總體重量，為總體參數(shù)反復(fù)論證提供依據(jù)。再次，需要對(duì)所選的器件（或設(shè)計(jì)）進(jìn)行合理的總體布置與設(shè)計(jì)。最后，根據(jù)多旋翼無(wú)人機(jī)的結(jié)構(gòu)功能需求詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。主要是從如下幾方面入手。第一，多旋翼無(wú)人機(jī)本體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。在滿足多旋翼無(wú)人機(jī)各種運(yùn)動(dòng)工況的情況下，應(yīng)使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)向輕量化。第二，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)再不影響外觀的創(chuàng)新性的情況下，盡量設(shè)計(jì)合理的零部件，滿足現(xiàn)有加工工藝水平，降低結(jié)構(gòu)工藝水平，從而降低成本。第三，功能性設(shè)計(jì)，滿足多旋翼無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)要求，分析運(yùn)動(dòng)部件的可靠性與動(dòng)特性。第四，對(duì)內(nèi)部電氣結(jié)構(gòu)及走線設(shè)計(jì)，滿足電氣結(jié)構(gòu)的三防，高低溫，電磁兼容等可靠性設(shè)計(jì)要求。第五，減震設(shè)計(jì)，在多旋翼無(wú)人機(jī)上，對(duì)于震動(dòng)特別敏感傳感器，需要做減震處理，否者會(huì)影響到整機(jī)的的控制精度。

參考文獻(xiàn)

[1] 付松源.系留多旋翼無(wú)人機(jī)及其在戰(zhàn)術(shù)通信中的應(yīng)用[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2018(4):14-17,22.

[2] 聶營(yíng).王生.楊燕初.螺旋槳凈推力數(shù)值模擬與試驗(yàn)對(duì)比分析[J]. 計(jì)算機(jī)仿真，2009(3):103-107.

[3] 蔣曉莉.楊士普.螺旋槳飛機(jī)滑流機(jī)理分析[J].民航飛機(jī)設(shè)計(jì)與研究，2009(4):34-38.

[4] 楊少沛.劉建中.風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)在無(wú)人機(jī)中的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新與生產(chǎn)力，2017(2):89-91.

[5,6,7,8] 源于網(wǎng)絡(luò)