无人机技术大科普

谈到无人机时你可能会想到四旋翼，它集成有四个独立的电动机，每个电动机都会驱动一个螺旋桨。说到电动机，设计工程师都会强调他们仅是整个飞行系统的一部分，电动机必须与电源（电池）、电子控制系统、软件、飞行传感器（比如加速度传感器）和有效载荷集成在一起才能够发挥作用。

但是为什么要为垂直起降（VTOL）的无人机配置四旋翼呢？为什么不采用一个主旋翼提供动力，一个尾旋翼用来抵消扭矩的方案呢？这个问题的答案是类似直升机的旋翼设计更加的复杂，每个旋转叶片都有一定的角度，从而与其他的叶片保持同步，叶片旋转时会不断增加向上升的速度。通过机械组件来改变叶片的倾斜角度就会产生某个方向的运动，机械改变叶片倾斜角度也会增加部分的重量。

四旋翼的转子设计很简单（叶片的角度是固定的），通过电流控制每个电动机就可以了。两个转子顺时针旋转，另外两个则是逆时针旋转，这样就抵消了扭矩效应。每个转子也都有轻微的倾斜，控制电动机转速就可以增加或减少升力，从而使飞机上升或下降。差动节气阀会控制仰角、偏航角和翻转。当无人机倾斜时增加节气阀的输入会使无人机朝期望的方向飞行。

一些价格更对的无人机则设计有六个旋翼，即使其中一个转子坏掉了也能够保证无人机正常飞行（图1）。

图1：这款六旋翼无人机相比普通消费级无人机具有更好的有效负载和飞行续航（来源：贸泽电子）

自由度

一款普通的消费级无人机的价格从几十美元到一千多美元不等，即使最便宜的无人机都具备一定的图像采集能力，可以作为飞行训练器，而价格更高的无人机通常意味着具有更好的图像采集能力和视频质量以及防撞传感器等功能。大多数消费级无人机续航时间在20-25分钟，飞行距离大约在2公里以上。根据美国联邦航空管理局（FAA）的规定消费级无人机的飞行高度不得超过地面122米，因为飞行员驾驶的飞机必须高于地面152米，而且无人机必须保持在使用者的视线范围内。

最新的一款消费级无人机是Parrot ANAFI（图2），按照Parrot无人机研发推进小组组长Edouard Rosset的说法，必须让消费者有愉快的飞行体验才能称得上是一款成功的产品。为了实现这一目标，ANAFI的开发与设计工程师们决定专注于开发一款具有高可移植性、易于操作和飞行以及更高图形质量（支持4K视频和HDR图像）的产品。

图2：Parrot推出的最新款ANAFI无人机的手臂可以折叠起来，方便用户携带（来源:KlausFoehl/CC BY-SA 4.0）

无刷电机起着至关重要的作用

无人机采用的电动机是Rosset强调的“汽车动力传输链”中重要的一部分，在将电能转换为机械能的过程中发挥着关键性的作用。设计团队对电动机的重量进行了严格的限制从而使无人机的重量尽可能的轻，这样可以提升无人机的续航能力以及整体便携性。他们发明了一种无刷永磁电机，具有较高的输出功率，支持的最高时速54km/h，抗风能力高达49km/h，优化了无人机处于悬停状态时的效率。

电动机的区别

从本质上讲，无刷电动机通过对电枢线圈中的电流进行换向或开关（由此产生磁场），从而生成与永磁体磁场的相互作用产生扭矩。相反，传统的有刷电动机线圈会一直处在固定的永久磁场中，当线圈旋转时电刷会接触到线圈绕组，从而造成的电流有规律的通断。无刷型电动机没有电刷以及与线圈绕组之间的摩擦，在结构上要简单一些。

然而无刷的方式完善了电枢线圈，有一个永久磁场会一直环绕整个线圈。而内流式线圈的方式则在线圈内部产生旋转磁场。因为外围的磁场方式会与线圈有更大的间隙，这样通过的磁场就更多，因此在旋转轴半径越大的情况下线圈产生的扭矩就越大。

为什么采用无刷的方式：从效率和性能的角度

Rosset评论到：“无刷电机更能够抵抗灰尘和湿气，线圈绕组被有效的隔离，不会与这些敏感环境相接触。”一般来说，“效率是电动机关键性能指标之一”，为了这个目标，电动机必须能够精确的适应螺旋桨从而提供良好的散热效果。对于ANAFI，这也是我们一直努力做的，这就是为什么线圈那么明显，就是为了线圈的散热，从而使电机的效率最大化。

作为功率传输过程的一部分， “电机的控制算法需要自定义设计”Rosset说道，“这是使得无人机无论在悬停状态还是最高速度飞行状态下最大限度提升效率的唯一方法，这需要控制电动机在每个飞行阶段的快速反应时间，从而提升飞行控制。”

他强调说：“最好是对无人机系统选用的电机磁场、机械结构和电气性能有一个深入的了解——同时尽可能的减小体积和重量。”

Rosset认为电动机（像电子产品一样）会继续朝小型化的趋势发展，他建议“即使无刷技术达到成熟，最终的目标是减小尺寸和重量，同时保持较高的性能。”

空中之眼

军事上用的无人机可能消费级无人机在尺寸和配置上大体相似，提供形势监控和快速反应的功能。但是这些特殊用途的无人机通常集成了性能更强的电池、电动机以及更好的质量，从而保证更高的可靠性。这些飞行器必须能够在各种天气条件下正常工作，而消费级无人机通常在下雨、大风和极端温度环境下就不能工作了。

这种军事上用的一款产品是来自InstantEye Robotics公司的InstantEye系列无人机（图3），这种飞行器能够在4公里的距离内传输加密图像，通过选装电池其续航时间可达1小时。它们还能够以时速90公里迅速爬升到指定位置，每分钟爬升大约610米。这行的性能数据（依赖于风力和有效载荷）会让消费级无人机用户羡慕不已，因为它们使用的大疆（DJI）Phantom3无人机通常飞行速度低于60km/h，最快的爬升速度约为每分钟300米。

图3：InstantEye系列是经过验证的高性能无人机平台而且价格合理，在任何天气下都可以由一个操作员手动起飞和回收