多旋翼飞行器的制造方法
【专利说明】多旋翼飞行器 【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及飞行技术领域，特别是涉及一种多旋翼飞行器。 【【背景技术】】
[0002] 多旋翼飞行器的结构趋于简单，成本较为低廉，性能以及飞行控制技术越来越完 善，具有广阔的应用前景，已经成为国际上的一大流行热点。
[0003] 多旋翼飞行器的动力系统主要包括电池，电机，螺旋桨以及电子调速器，再配合各 种传感器和飞控软件，通过电子调速器调节电机的电流大小，从而调节电机的转速，使得螺 旋桨产生的拉力和各个方向的力矩能实现多旋翼飞行器的起飞、降落以及其他飞行姿态的 控制。
[0004] 目前，多旋翼飞行器，无论是4旋翼，6旋翼或是8旋翼甚至更多，结构大同小异。 各个旋翼方向上的飞行器基本都采用同样规格的电子调速器，电机和螺旋桨，从现有的飞 行器结构设计和动力系统搭配而言，对于其性能如最大负载，可操控性，稳定性，机动性和 续航时间等方面的提升已经到达一个极限，不足以满足越来越高的性能和安全性要求。
[0005] 以现有的一种4旋翼飞行器为例，4个电机分布在四顶角，且位于同一平面，中心 对称，规格一致，通过4个一致化的独立的电子调速器来控制电机转速，驱动同样尺寸和螺 距但顺反不同的螺旋桨产生升力。相邻的的螺旋桨的旋转方向相反来保证水平面上的扭矩 平衡。通过各种传感器（如加速度感应器，陀螺仪等）测出即时姿态参数，飞控软件通过计 算姿态参数后输出信号给电子调速器，以调节电流来控制电机的转速变化，从而产生拉力 和力矩的变化，最终控制飞行器的各个姿态。其他多旋翼飞行器例如6旋翼、8旋翼飞行器 的姿态控制均类似。
[0006] 负载：
[0007] 根据螺旋桨的拉力计算公式得知，螺距不变的情况下，螺旋桨转速越快，直径越 长，面积越大，拉力越大。对于选定规格的螺旋桨，只有提高转速才能使得拉力提高。但由 于电机的效率与螺旋桨的转速并不是简单的线性关系，随着转速提高，拉力虽然也增加，但 幅度下降，也即效率没有同等程度的提升，反而会下降，同时温度急剧升高，对于飞行器的 操控性，安全性，电池续航能力等其他性能都产生不利影响。
[0008] 提升电机效率的简单有效方法就是加大轴距，选择直径更长的桨叶，同时选择更 大规格的电机如盘式电机，在提供同样升力的情况下，效率大大提高。但电机重量也随之增 加，同时桨叶强度要求更高，重量更大，同时会导致可操控性和机动性等其他方面的性能大 大降低而不能满足要求。
[0009] 可操控性：
[0010] 可操控性的影响因素主要包括飞控软件、电子调速器、螺旋桨和电机等的响应速 度。由于前两者的响应速度基本都是毫秒级，因此飞行器的的操控性主要取决于电机和螺 旋桨的响应速度。电机越大越重，转子的转动惯量越大，螺旋桨亦然，而角加速度和转动惯 量成反比，越大的电机和桨叶响应速度越慢，对于操控性都有负面的影响。配有15寸乃至 更长的桨叶和大型盘式电机的大型6旋翼，8旋翼飞行器的操控性的大大低于配有9寸桨叶 和小尺寸电机的小型4旋翼飞行器。
[0011] 稳定性：
[0012] 飞行器的稳定性取决于两个方面，一个是其自身的转动惯量，一个是其在环境干 扰影响其稳定性的情况下，其负反馈调节的能力。小型飞行器轴距小，质量小，转动惯量小， 容易受到环境干扰，但其操控性好，负反馈调节的响应速度快，但由于小型飞行器的总功率 较小，电池容量也小，大大影响负反馈调节的极限能力，总体而言，稳定性较差。大型多旋翼 飞行器轴距大，质量大，转动惯量较大，抗环境干扰能力优于小型飞行器，但其操控性差，负 反馈调节的响应速度较慢，对于飞行环境的抗干扰性总体上来讲也不太强。
[0013] 机动性：
[0014] 小型飞行器的电机和螺旋桨转动惯量小，反应迅速，而且整机体积小，重量轻，机 身的各个方向的转动惯量都小，因此机动性非常好；大型无人机的机动性则相对低的多，特 别的对于稳定性有强烈要求的专业航拍大型8旋翼飞行器，机动性相当差。
[0015] 续航时间：
[0016] 电子调速器调控电机的转速，类比汽车的加减速过程。从0-100码加速，可以小油 门慢慢加速，也可以大油门迅速加速；从100-0码的减速，可以轻柔刹车慢慢减速，也可以 重踩刹车，迅速减速。由于响应速度的需求，当需要转速迅速增加的时候，电机需要更大的 电流，好比汽车急速加速导致油耗突然增大一样，电机的瞬间电耗迅速增大；类似的，需要 转速迅速下降的时候，电流迅速减小，但电机和螺旋桨由于转动惯量的因素，减速较慢，这 种速度差造成的"刹车效果"亦会产生不必要的电耗损失。因此，无论加速和减速，电耗都 在大大增加。多旋翼飞行器的任何姿态调整都需要调节电流来调控电机的转速，这种方式 虽然使得飞行器的结构简单化，但极其耗电。并且越大型的飞行器，为了减少对于姿态调整 的响应时间，其所耗费的电量就越大。由此飞行器的实际使用的时间要远远低于理想状态 (海平面附近上方且无风环境下）的悬停的时间，大约只有理想状态悬停时间的40%左右。
[0017] 很多小型4旋翼飞行器由于电机效率不高，拉力较小，最大起飞重量小，电池已经 占了总重量的25%以上，无法承载更大容量电池，在无风静止悬停的工况下，悬停时间约为 20分钟，在实际使用过程中如果机动时间较长或者风大的情况下，甚至不到10分钟，极大 的限制飞行器的应用。6旋翼，8旋翼飞行器虽然可采用效率高的大型电机和桨叶，提高拉 力以承载更多的设备和电池，但为了实现较佳的稳定性和机动性，大型多旋翼飞行器的操 控起来极其耗电，实际使用时间相对小型飞行器并无较大提高。
[0018] 终上所述，小型飞行器和大型飞行器，因为轴距和体积不同，且采用了不同规格的 电机和螺旋桨，造成了电机效率，载重，操控性，稳定性，机动性和使用时间的变化。由于不 同大小电机和螺旋桨本身的性能的变化产生的各种优缺点，使得飞行器无法同时优化所有 性能：小型飞行器的电机效率低，载重小，稳定性差和使用时间短，但操控性和机动性强； 大型飞行器操控性和机动性差，但电机效率高，稳定性很好，载重大，使用时间也可以通过 增加电池容量来改善。
[0019] 另外，除了常见的4、6、8旋翼飞行器外，还有特殊结构的2旋翼、3旋翼飞行器。
[0020] 2旋翼飞行器两个螺旋桨的旋转方向设置相反，通过抵消扭矩可以保证水平面上 不自旋，但质量和力矩的分布基本在一条直线上，容易侧翻，总体来说没有4,6,8旋翼飞行 器稳定。垂直方向上的运动可以通过调节电机的拉力来实现，但纵向（俯仰）和横向（滚 转）运动，前后飞行等则需要通过方向舵或者电机所在轴本身扭转来实现，而不是类似4旋 翼飞行器等直接通过独立电子调速器调节电机转速来实现。同时由于电机数目少，总体拉 力较小，最大负载和使用时间有极大限制。
[0021] 3旋翼飞行器由于是奇数电机，扭矩平衡需要特殊结构设计，同样也多采用方向舵 或者转动电机轴的方式来实现各个方向的运动。
[0022] 总体而言，小于4旋翼的多旋翼飞行器，都需要非电子调速器的辅助装置来完成 其平衡性和可操控性，既增加了结构的复杂程度，一旦辅助装置失效，飞行器极有可能失控 并坠毁。同时由于螺旋桨数量很小，单个螺旋桨提供的升力有限，无法提供大量的额外的 升力用作它用，并且动力冗余小，但凡一个轴出问题，基本没有任何方法可以补偿失去的升 力。 【【实用新型内容】】
[0023] 本实用新型的目的在于，提供一种多旋翼飞行器，通过新颖的结构设计，使得飞行 器能在较低的电耗下其飞行姿态