揭开多旋翼无人机的神秘面纱（上）

姜连涛

无人机在民用上应用最广泛的主要有三大类：多旋翼无人机、固定翼无人机和无人直升机。作为当今最受欢迎的无人机——多旋翼无人机，通过近些年的快速发展，多旋翼无人机已经占据了民用无人机行业的半壁江山，从行业应用到个人娱乐，出现在社会生活的各个方面。那么，多旋翼无人机究竟是凭借什么成为无人机中的明星呢？让我们一起来看看吧！

多旋翼无人机也叫多轴飞行器，是一种具有三个及以上旋翼轴的特殊的无人驾驶旋翼飞行器，图1所示即为八旋翼无人机。多旋翼无人机是一种特殊的直升机，多旋翼无人机可以像常见直升机一样垂直起降和悬停，但在机械结构上却比直升机简单很多，因此便于小型化、批量化生产，同时在操作控制上也容易许多。多旋翼无人机体积小、重量轻、携带方便，出现飞行事故时破坏力小。有些小型多旋翼飞行器的旋翼还带有保护框，防止高速旋转的螺旋桨伤到人。

多旋翼无人机通过每个轴上的电机转动，带动螺旋桨旋转，从而产生升推力。通过改变不同螺旋桨之间的相对转速，可以改变单轴推进力的大小，从而达到控制飞行器的目的。常见的多旋翼无人机有四旋翼、六旋翼、八旋翼等结构布局。

一架多旋翼无人机究竟由哪些部件组成？各个部件又能起到什么作用呢？了解这些知识，可以让我们更加明白无人机的飞行和操纵原理。接下来，我们将以多旋翼无人机最典型的结构布局——四旋翼无人机为例，揭开多旋翼无人机的神秘面纱！

多旋翼无人机主要包括以下几个部分：机体结构、动力系统、飞控系统、链路系统，以及任务设备。下面，我们分别介绍这些多旋翼无人机部件。

无人机的机体结构是其他所有机载设备的载体，主要包括机架、支臂、起落架。简单来说，无人机的机体结构就是当我们见到一架无人机时，它呈现的外形结构壳体，其他所有的部件都会装载到机体上。

无人机的机架类似于人体的骨骼，主要是装载机载设备、动力电池。同时它是其他部件的安装基础，支臂、起落架都要安装在机架上。如图2所示。

无人机的支臂是机架结构的延伸，也就是我们常说的轴，它一头连接机架，一头用来安装电机。如图3所示。

无人机的起落架，又叫脚架，主要用来停放无人机，也可以保护机架下方的任务设备，比如云台、相机。有些无人机的起落架是可以收放的。如图4所示。

值得注意的是，现在很多多旋翼无人机的机架、支臂、起落架是一体结构，不可分开，这样可以有效减少连接部件数量，减轻无人机重量，从而增加飞行时间，比如大疆“精灵”无人机。

多旋翼无人机的机体可以有许多种布局形式。从数量上说，有四旋翼、六旋翼、八旋翼等；从机体结构上说，有“+”形、“X”形、“Y”形等等。

“+”形布局的四旋翼无人机是最早出现的结构类型，“+”形布局的无人机飞控开发难度低，其前后左右飞行控制简单，但是由于无人机前飞时，前方螺旋桨非常容易进入到拍摄画面中，所以目前已经被“X”形布局无人机取代。

“X”形布局的无人机是目前最常见的结构形式，该结构无人机飞行时反应迅速、动力强劲，不止是四旋翼无人机，六旋翼无人机和八旋翼无人机也多采用这种布局形式。

多旋翼无人机的动力系统主要包括：螺旋桨、电机、电调和动力电池。对于一架四旋翼无人机来说，动力系统有四个螺旋桨、四个电机、四个电调和动力电池。动力系统是一架多旋翼无人机的关键配置，这四个部件之间依次相连，并且相互之间有着特殊的制约关系，并不是可以随心所欲地搭配，合理的搭配可以发挥出最佳的动力，不合理的搭配不但会造成动力欠佳，严重的还会烧毁电机或者电调，造成飞行事故。

1. 螺旋桨

螺旋桨是安装在电机上产生升推力的部件，螺旋槳旋转得越快，升推力相对也就越大。不同型号的螺旋桨有不同的直径和不同的螺距。螺旋桨的直径就是指桨的长度，而螺距是指螺旋桨旋转一圈上升的距离，可以用一颗螺丝钉来类比，螺丝钉拧一圈，也会前进一定的距离，也可以用瓶盖来类比，就是拧瓶盖一圈瓶盖移动的距离，如图5所示。直径和螺距是用四位数字表示的，比如8043，前两位表示直径为8英寸，后两位表示螺距为4.3英寸，要注意单位是英寸（1英寸=2.54厘米），如图6所示。

此外，螺旋桨还分为正桨和反桨。从上往下看，逆时针旋转的螺旋桨是正桨，顺时针旋转的螺旋桨是反桨，如图7所示。之所以将逆时针旋转的桨定义为正桨，是因为在航空发展的早年，发动机在机头处，螺旋桨也相应地在机头位置，并且在发动机启动时，是需要人来拨动的，而右撇子的人比较适合拨动逆时针旋转的桨。众所周知，右撇子还是占据人口的大多数，所以各大发动机厂商就把发动机的转向固定了，这一习惯也就慢慢地流传下来了。那么，我们在自己动手安装桨叶的时候，一定要注意区分正、反桨，千万不能装错。无论正桨还是反桨，安装的时候，一定记得有数字标识的一面是正面，圆润的一边是迎风边。

无人机的螺旋桨的材料主要有三种：工程塑料、木质和碳纤维。

对于微型无人机来说，工程塑料桨是使用最广泛的，其主要优点是成本低，韧性好，动平衡性能好，轻微碰撞之后不容易损坏；但其缺点也很明显，塑料桨本身比较软，所以用在大载重的多旋翼无人机上进行高速飞行时会发生轻微的变形，产生震颤，导致拍摄出的画面不稳。但选用高质量的塑料桨可以有效避免这一情况发生，图7所示即为工程塑料桨。

木桨硬度高重量轻，震动极小，静平衡完美，无震颤，价格便宜，但效率低于工程塑料桨，也低于同尺寸优质的碳纤维桨，图8所示为木桨。

碳纤维桨效率高于木桨，硬度高，强度高，不变形，效率高，震颤极小，但是价格高，极脆易折，图9所示为碳纤维桨。

大家都知道，无人机的螺旋桨是安装在电机上的。螺旋桨要想旋转起来带动无人机起飞，必须由电机带动，并且电机的转速快慢将会直接决定无人机的飞行状态。要知道，无人机可是飞行在天上的，和地面的汽车不同，汽车如果发生发动机故障，后果一般不会很严重，但是如果飞行在天上的无人机电机发生故障停转，那是会坠落的，将会造成很严重的危险后果。所以，无人机的电机是很重要的部件，飞行之前也要仔细检查电机有没有故障。

无人机所使用的电机多种多样。首先在大小上就有很多种，有的细而长，有的粗且短。这些在大小上的区分会标示在电机的壳体上，和螺旋桨类似，也是由四位数字组成，比如2204，前面两位表示的是电机定子的直径为22mm，后面两位表示的是电机定子的高度4mm，注意单位是毫米。看懂这个标识，你就可以马上分辨出电机的大小了。其次，电机还有一个重要的参数叫作KV值，表示的是电机在空转时每增加1V电压所增加的转速值。空转是什么意思呢，就是在电机没有装上螺旋桨的情况下转动。在装上螺旋桨后，电机转速会相应降低。

电调是电子调速器的简稱，英文名是ESC，如图12所示。我们从它的名字上就可以看出，电调主要是用来调速的。它调的是什么“速”呢？很显然，是电机的转速。电机的转速将会直接表现在螺旋桨的转速上，相应地也就会影响无人机的飞行状态。那么根据什么来调整转速呢？当然是根据我们给无人机的指令来调整转速。

电调和电机是直接相连的，所以在选择搭配电机和电调时，要注意匹配问题，合理地匹配电机电调，可以做到效率和性价比最高，也就是用最少的成本达到最好的效果。要是搭配不合理，很有可能造成电机或电调烧毁，发生飞行事故。

说到电池，大家都不陌生，因为我们在日常生活中会使用到很多电池。但是，你有没有仔细观察过你身边的电池呢？我们来思考一个问题：电视遥控器的电池和手机里的电池是不是一样的呢？和我们无人机用的电池又是不是一样呢？

电池有很多种，无人机所使用的电池和我们在日常生活中见到的电池大都不一样，是锂聚合物电池（图13）。别小看这一块小小的电池，它蕴含着很大的能量，无人机所需要的电力都是由它来供应的。锂聚合物电池的能量很大，但是它的“脾气”也很大，在使用过程中，要注意保护它，它才能发挥最大的作用。怎样保护它呢？第一，要注意在充电和使用过程中，不能过度充电和过度放电，一旦过度充电或过度放电了，它可能会生气地胀大肚子，造成使用寿命缩短，所以要用专用的充电器给它充电。第二，在使用的时候要注意不要磕碰它，磕碰会让它变形，很可能会使它鼓包炸开！还有，千万不能用尖锐的东西刺它，不能用火烧它！

（编辑 孙世奇）