第三章无人机航电系统操作 所谓无人机航电系统即无人机综合航空电子系统。一套无人机系统的物理实体由五个主要的子系统组成，至少包括一个或多个飞行器、根据任务安排配置的有效载荷、一个或多个控制站(可能在空中，也可能在地面)、数据链路系统、一个发射与回收系统(有些无人机可能没有)，以及一些相应的地面支援设备。无人机系统通过装载有效载荷的飞行器、控制站和发射回收系统与外界发生信息交联。 后面将结合无人机航电系统的理论知识并使用无人机航电系统示教仪进行各系统模块之间的连线训练，无人机航电系统示教仪是无人机操控、维修与应用专业非常实用的高端实训教学仪器。通过有关环节的教学，可有效帮助学生们理解四旋翼无人机的工作原理，并且通过实操训练使学生掌握四旋翼无人机的电路原理、机械结构，可以自己动手进行飞行控制参数的调节，让学生具备外场试飞前必须掌握的相关知识及操作能力。 在无人机航电系统实操时分为两种模式，即自动驾驶模式和手动操控模式，两种模式下部分模块之间的接线方式不尽相同，后面根据实际情况会把每种模块之间的常见接线方式做简单介绍，实操时可根据示教仪向导接线方式练习。对于对应模块之间的连线会以视频形式进行理论讲解。 第一节动 力 系 统 一、 概述 动力装置为无人机提供满足飞行速度、高度要求的推力以及为无人机上通信系统、导航控制系统、有效载荷等提供电力和功率支持，是无人机执行各种任务的基础。为了满足不同的需求，无人机动力装置功率或推力变化范围很大，但基本属于中小型发动机的范畴。 无人驾驶航空器动力装置的发展是随着人们对未来战争的观念、作战形式和任务要求的改变而不断发展的，根据飞行速度、高度、起降方式、续航时间、航程和经济性指标等不同的要求，发展了适合执行各种不同任务的动力装置。目前轻小型无人机广泛采用的动力装置包括活塞式发动机、转子发动机、涡轮发动机等，还包括处于研究阶段用于未来新型无人机的太阳能、电池动力、混合动力等新型能源动力装置，见表31。 表31各种无人机动力装置的特点及适用范围 类型 特点 使用速度 /(km·h-1) 使用高度/m 续航时间/h 适用无人机 典型动力装置 活塞式发动机 油耗低，技术成熟，早期的无人机多采用活塞式发动机作为动力。目前，大多数无人机的动力装置仍然采用活塞式发动机 130~190 3000~9000 1~50 靶机； 侦察无人机； 低空、低速短程无人机； 中、高空长航时无人机(带2~3 级增压器)； 无人直升机； 攻击型无人机 奥地利的 Rotax 582/ 586/912/914续表 类型 特点 使用速度 /(km·h-1) 使用高度/m 续航时间/h 适用无人机 典型动力装置 转子发动机 将活塞式发动机中做往复运动的活塞改为旋转活塞，减小了振动，缩减了体积和质量，结构紧凑，功率/质量比高，油耗低 110~400 2500~5500 1．5~12 多用途小型无人机； 长航时无人机； 无人直升机； 攻击型无人机 英国的UEL AR731、 AR741、AR801 涡桨发动机 同样用螺旋桨作为推进器，涡桨发动机比活塞 式发动机功率更大，性能更好，无人机的速度更快，升限更高 400~600 15000~18000 10~12 中、 高空长航时无人机 Honeywell TPE33110T 涡轴发动机 涡轴发动机与涡桨发动机差别不大，涡桨发动机输出轴功率带动螺旋桨，而涡轴发动机输出轴功率带动直升机垂直起降或倾转旋翼机的旋翼 140~330 300~7600 3~24 无人直升机； 垂直起降无人机； 倾转旋翼无人机 RollsRoyce 250 C20R、 50C20W； Williams WTS34 16、WTS1175 涡喷发动机 对于要求高亚音速飞行(Ma=0．7~0．9)的无人机，宜采用涡喷发动机，但油耗较大 700~1100 3000~14000 0．2~2．5 高速靶机； 高空高速无人侦察机 Microturbo TRS18076、TRS181、TRI60 2/3/4/5 Williams WR26、WR246/7、 WJ248 涡扇发动机 高空高速性能优于涡桨发动机，经济性优于涡喷发动机，适合高空长航时无人机 600~900 14000~20000 8~42 高空长航时无人机； 无人战斗机 RollsRoyce Allison AE3007H； Williams的FJ44 1A/2A 电池组及电动机 结构简单、重量轻、使用方便，无人机的噪声很小，红外特征不明显，同时又能提供与内燃机不相上下的比功率。适合作为低空、低速、小型(微型)无人机的动力 50~170 15~9000 1/3~6 手掷式无人机； 便携式轻型无人机； 监视型微型飞行器； 可空中发射展开的小型无人机； 可回收式或消耗性小型无人机 以锂(Li)电池、Li/SO2电池、Ni/Cd 电池为电源，通过电动机驱动可折叠式螺旋桨 (一) 电机 即俗称的马达，对于电动无人机来说就是电机，是多旋翼无人机的动力机构，用于提供升力、推力等。无人机一般使用无刷电机，无刷电机去除了电刷，最直接的变化就是没有了有刷电机运转时产生的电火花，这样就极大减少了电火花对遥控无线电设备的干扰。无刷电机没有了电刷，运转时摩擦力大大减小，运行顺畅，噪声大幅度降低，这个优点对于模型运行稳定性是一个巨大的支持。 (二) 电子调速器 电子调速器用于将飞行控制器的信号转变为电流信号，进而控制电机转速，可简称为电调。因为电机的电流很大，每个电机正常工作时，通常会有平均3A左右的电流，如果没有电调的存在，飞控根本无法承受这样大的电流，而且飞控也没有驱动无刷电机的功能。同时电调在多旋翼无人机中也起着电压变化器的作用，可将11．1V电压变为5V电压给飞控供电。 (三) 螺旋桨 螺旋桨安装在电机上，多旋翼无人机安装的都是不可变螺距的螺旋桨，衡量螺旋桨的主要指标有螺距和尺寸两个，指标一般是4位数字，前面2位代表桨的直径，后面两位是螺距。 电机与螺旋桨的搭配是非常复杂的问题，建议采用常规配置，一般情况下，螺旋桨越大，升力就越大，也就需要更大的力量来驱动； 螺旋桨转速越高，升力越大； 电机的KV值越小，转动力量就越大； 综上所述，大螺旋桨就需要用低KV值电机，小螺旋桨就需要高KV值电机(因为需要用转速来弥补升力不足)。如果高KV值电机带大桨，力量不够，实际还是低速运转，并且电机和电调很容易烧掉。如果低KV值电机带小桨，完全没有问题，但升力不够，可能导致无法起飞。例如常用1000KV电机搭配10in左右的桨。 二、 接线向导 四旋翼无人机动力系统由四套电机和电调组成，为抵消无人机旋翼的扭力矩，对称的一对螺旋桨应沿同一方向旋转，另一对螺旋桨应沿相反方向旋转。桨叶的旋转方向由电子调速器和电机的线序来决定。 1号和2号电机（3号和4号电机）与电子调速器的接线方式使得桨沿顺(或逆)时针方向旋转(接通方式如图31~图34所示 )。 图311号电机与 1 号电子调速器接线方式 图322号电机与2号电子调速器接线方式 图333号电机与3号电子调速器接线方式 图344号电机与4号电子调速器接线方式 注意： 实操时会根据无人机机架布局及飞控参数确定每个电机转向，每个飞控对电机的编号也各不相同，如图35和图36所示。 图351号电机与1号电调实操示意图 图36所有电机与电调接线示意图 第二节电源管理系统 通常来说，小型或微小型无人机以电池为动力装置，随着飞行器向超长航时发展，对电池和能源系统也提出了越来越高的要求。蓄电池有动力但缺乏能量，燃料电池有充足的能量但缺乏动力。动力可以描述为保障无人驾驶系统运作所要达到的瞬间功率，而能量则指的是维持其持续工作一段时间所需要的动力总量。为了使蓄电池具有更多的能量，研究人员在试验含有各种新燃料成分燃料电池的同时，也在研究不同的可用物质作为新燃料。 一、 锂电池 目前，大部分电推进型微型无人机的动力来源是锂离子电池，锂离子电池也可以分为一次电池和二次电池两种类型，常用的锂蓄电池有LiMnO2一次电池、锂氯磺酰电池、锂二氧化硫电池和聚合物锂离子电池等。 LiMnO2电池是一种一次电池，使用金属锂为阳极，二氧化锰（MnO2）为固态阴极。由于固态阴极不会像液体电解质那样产生气体压力，因此这种电池即使过度使用或错误使用也不会充气，但是固态阴极的离子传导率相对较低，在低温条件下使用性能较差。因此，目前的研究工作主要围绕着如何在电解质中添加物质或优化阴极表面区域展开，目的在于使电池能在低温环境下提供更多的能量。锂氯磺酰电池以金属锂为阳极、液态氯磺酰为阴极和电解质，可实现大电流充放电，还可以制作成更大的螺旋状卷绕电池形式，但氯磺酰腐蚀性强，电池的储存寿命较短。为此，美国军方进行了研究往电池中加入添加剂，期望能够增加电池在室温下的储存寿命。LiSiO2电池以金属锂为阳极、液态SiO2为阴极和电解质，具有较高的能量密度。该技术发展于20世纪80年代后期的美国。 锂二次电池的研究始于20世纪60年代，当时研究主要集中在以金属锂及其合金为负极的锂二次电池体系，正极采用的是过渡金属硫化物和过渡金属氧化物。经过近二十年的探索，在20世纪80年代末诞生了以石墨化碳材料为负极，锂与过渡金属的复合氧化物为正极的锂二次电池——锂离子电池，开创了锂二次电池实用化的新时代。锂二次蓄电池具有比较高的比能量和优良的循环使用性能，特别是聚合物锂离子电池，随着技术的不断发展，越来越适合作为微小型无人机的动力源。在整个微小型无人机重量中电池部分所占比例很大，由于新的高能量密度电池技术目前没有明显的突破，采用结构能源技术成为解决此问题的一条有效途径。这种技术将具有较高能量密度的锂离子电池经特殊设计和加工，制造成无人机的结构件，例如，结构梁或固定翼等，代替无人机原有的结构件，具有结构和功能一体化的效果，可以有效减轻飞机重量，满足无人机长航时的飞行要求。 目前新型锂电池主要有： ①凝胶或全固态聚合物电解质锂离子电池，这种电池更加安全，可进行软包装和制成异型； ②美国Moltech公司采用独特的薄膜技术研制出具有高比能、高放电率、安全、无污染的新型锂硫二次电池，其比能量大于200Wh/kg，可以8C速率放电，可耐过充电及过放电而无须采取防护措施； ③薄膜锂电池，在信息产业中作为微电子的固定或移动电源，具有广泛的应用前景，比如用于医疗器械、微传感器、微传输器、智能卡、MEMS(Micro Electronic Mechanical System，微机电系统)器件等。 二、 燃料电池 一般情况下，较大型的无人机配备燃烧式发动机，使用传统燃油，如JP8或混合燃油来驱动； 而小型的无人机则大多使用电力发动机，一般由锂电池来驱动。随着军方对替代性能源的不断开发，使用燃料电池取代锂电池甚至内燃机来驱动的技术逐渐吸引了人们的注意。 图37燃料电池工作原理示意图 如图37 所示 ，燃料电池(Fuel Cell，FC)是把燃料中的化学能通过电化学反应直接转换为电能的发电装置．按电解质分类，燃料电池一般包括质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)、磷酸燃料电池(Phosphoric Acid Fuel Cell，PAFC)、碱性燃料电池(Alkaline Fuel Cell，AFC)、固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，SOFC)及熔融碳酸盐燃料电池(Molten CarbonateFuel Cell，MCFC)等。以质子交换膜燃料电池为例，主要部件包括膜电极组件(Membrane Electrode Assembly，MEA)、双极板及密封元件等。膜电极组件是电化学反应的核心部件，由阴阳极多孔气体扩散电极和电解质隔膜组成。电解质隔膜两侧分别发生氢氧化反应与氧化还原反应，电子通过外电路做功，反应产物为水。额定工作条件下，一节单电池工作电压仅为0．7V左右。为了满足一定应用背景的功率需求，燃料电池通常由数百个单电池串联形成燃料电池堆或模块。因此，与其他化学电源一样， 燃料电池的均一性非常重要。燃料电池发电原理与原电池类似，但与原电池和二次电池比较，需要具备相对复杂的系统，通常包括燃料供应、氧化剂供应、水热管理及电控等子系统，其工业方式与内燃机类似，理论上只要外部不断供给燃料与氧化剂，燃料电池就可以持续发电。 燃料电池不但能量转换效率高(一般都在40%~50%)、寿命长、比功率高，而且对环境无污染。与传统电池相比，燃料电池尺寸小、质量轻、工作时间长且安全性好； 与内燃发动机相比，燃料电池噪音低、排放量小、工作高效且能支持室内作战行动。然而，燃料电池仍存在许多缺点，包括元件价格较高，如PEM电池的催化剂和交换膜都是由昂贵物质制造的； 另外，电池内发生反应时会发热，因此对于电池的工作温度必须加以控制以防止出现热损伤； 还有，对水和空气的处理也非常关键，燃料电池运行时会产生热量和水，假如处理不当，没有及时将生成的水排出，电极很可能会被“淹死”或是出现高温，从而导致一系列问题。 美国海军实验室也在研究氢燃料电池、聚合物电解质膜燃料电池，现在已用于电动汽车，但问题是聚合物只能在低温环境下工作。同时，美国国防高级研究计划局正在关注一种能够在80℃下运行的高温燃料电池，这种燃料电池以丙烷为原料，并且最终将使用部队中最常用的燃料JP8(基于煤油的喷气推进燃料)为原料。 三、 锂电池的使用 锂电池主要由三部分构成，即锂离子电芯、保护电路(PCM)和外壳。而锂电池的电芯又分为液体锂离子电芯和聚合物锂离子电芯。由于锂离子电池的化学特性，在正常使用过程中，其内部会进行电能与化学能相互转化的化学正反应，但在某些条件下，如其处于过充电、过放电或过电流工作状态时，电池内部将会发生化学副反应，该副反应加剧后，会严重影响电池的性能与使用寿命，因此所有的锂离子电池都需要一个保护电路，用于对电池的充、放电状态进行有效监测，并在某些条件下切断充、放电回路以防止损害电池。通常情况下，有保护电路的保护作用，锂电池的使用安全性能是较高的。在使用锂电池时应注意以下情况。 （1） 当首次对新电池充电时，应用手触摸电池外壳感觉一下温度是否过高，一般电池充电初期(1小时内)会发热，但温度不会太高，之后温度会接近环境温度； 若充电 1 小时后，电池外壳温度很高(烫手)，则有可能电池过充电保护电路存在问题，为安全起见，应停止使用该电池。 （2） 谨慎选择充电器，最好选择与生产电池同厂家的产品。 （3） 建议不要频繁充电，且避免长时间充电，充满即可。 （4） 电池如果不慎摔过或被重物撞击过，请勿急于充电，一定要检查电池的外壳是否有裂纹，充电时注意电池外壳温度是否异常，以免内部保护电路损坏造成意外。 四、 接线方式 电源系统需分别为无人机动力系统和电子系统提供能量，电源的分配是靠电源分配器进行的，如图38所示。对于电子系统的接线方式如图39所示。其中接收机的SBUS接口需要与自动驾驶仪接通，以给自动驾驶仪提供地面遥控信号。示教仪电源与电源分配器实际接线如图310所示，自动驾驶仪和接收机实际供电接线方式如图311所示。 图38电源与电源分配器接线方式 图39自动驾驶仪和接收机供电接线方式 图310示教仪电源与电源分配器接线示意图 图311自动驾驶仪和接收机供电接线方式示意图 电子调速器的供电接线方式如图312~图315所示。示教仪电调实际供电连线方式如图316所示。 注意： 电子调速器的供电方式是一致的，千万不能反接电源正负极。 图3121号电子调速器供电接线方式 图3132号电子调速器供电接线方式 图3143号电子调速器供电接线方式 图3154号电子调速器供电接线方式 图316示教仪电调接电示意图