摘 要目前市面上見到的無人機動力系統(tǒng)主要是活塞發(fā)動機系統(tǒng)及電力動力系統(tǒng)兩類，而電力動力系統(tǒng)由于其能量密度大、體積小、重量輕、易于維護等特點，占到了民用無人機的絕大多數(shù)，本文就對電動無人機的動力系統(tǒng)構(gòu)成方面進行了比較詳細的介紹。

【關(guān)鍵詞】無人機 動力系統(tǒng) 動力電源 調(diào)速

目前大型、小型、輕型無人機廣泛采用的動力裝置為活塞發(fā)動機系統(tǒng)。而出于成本和使用方便的考慮，微型無人機中普遍使用的是電力動力系統(tǒng)。電力動力系統(tǒng)主要由動力電源、動力電機、速調(diào)系統(tǒng)三部分組成。

1 動力電源

動力電源主要為動力電機的運轉(zhuǎn)提供電能。通常采用化學電池來作為電動無人機的動力電源，主要包括鎳氫電池、鎳鉻電池、鋰聚合物、鋰離子動力電池。其中，前兩種電池因重量重，能量密度低，現(xiàn)已基本上被鋰聚合物動力電池取代。動力電池不同于普通意義上的電池，具有能量密度大、質(zhì)量輕等特點。對于電池來說，有很多標稱來標識電池的性能，而最為關(guān)鍵的參數(shù)就是電壓值、儲能容量以及放電能力。

1.1 電池的電壓值

動力電源的電壓值是用伏特（V）來進行標識的。比如說：高壓版鋰聚合物電池的標稱電壓是3.7V，當充滿電后，電壓可達4.35V，最低放電電壓為3.5V。鎳氫電池標稱電壓是1.2V，當充滿電后，電壓可達1.5V，最低放電電壓為1.1V。

1.2 儲能容量

動力電源的儲能容量是用毫安時（mAh）來標識的，表示的含義為電池以某恒定電流進行放電時，能放電1小時，如鋰聚合物電池標識（15C、20000mAh、14.8V）。

1.3 放電能力

動力電源的放電能力是以放電倍率（C）來標識的，表示的含義為按照電源的標識的儲能容量，最大能夠達到的放電電流數(shù)。比如說：動力電源標識為2200MA，20C， 則該電源最大的持續(xù)電流計算如下：容量X放電C數(shù)=2.2X20=44A。如果該電源長時間超過44安進行工作，會極大影響電池壽命。對于我們常用的鋰聚合物動力電池，充滿電后，單片電池的電壓以4.15～4.20合適，使用后的單片最低電壓為3.5V以上，如果需要長期保存，單片電壓最好為3.85V，一定要注意，過放和長期滿電保存電池對于電池來說具有很大的傷害。

2 動力電機

微型無人機使用的動力電機可以分為兩類：有刷電動機和無刷電動機。其中有刷電動機由于效率較低，在無人機領(lǐng)域已逐漸不再使用。電動機的型號主要以尺寸為依據(jù)。比如無刷電機2814，這個標識指的是，電機不包括軸電子線圈的長度是14mm，電機定子線圈的直徑是28mm。當有時有一些標識并不是指的尺寸，而是說屬于哪個級別。動力電機的技術(shù)指標很多，與無人機動力特征最相關(guān)的兩個是轉(zhuǎn)速和功率。電機轉(zhuǎn)速常采用kV進行標識，kV的含義是每升高1伏特電機增加的轉(zhuǎn)速。比如說， 電機標識kV1400，當使用12.6V的電池時，轉(zhuǎn)速可以達到1400×12=17640.，也就是每分鐘17640轉(zhuǎn)。

3 調(diào)速系統(tǒng)

動力電機的調(diào)速系統(tǒng)成為電調(diào)，全程為電子調(diào)速器，簡稱ESC。針對動力電機不同，可分為有刷電調(diào)和無刷電調(diào)。它根據(jù)飛行控制器發(fā)出的PWM信號控制動力電機的轉(zhuǎn)速。

動力電源、電調(diào)、動力電機的鏈接情況一般如下：

（1）動力電源鏈接電調(diào)的電源輸入線；

（2）飛行控制器的控制信號線與電調(diào)的信號線連接；

（3）電調(diào)的動力輸出線與動力電機進行連接。

請注意，電調(diào)一般配有電源輸出線（BWC），一般都會在信號線上，電壓大概5V，通常用來給飛行控制器、遙控接收機或者是舵機供電。

4 螺旋槳

螺旋槳的工作原理就是槳葉進行高速旋轉(zhuǎn)，大量的空氣會不斷的向后推，這樣就會在槳葉上產(chǎn)生反向作用力，這就是無人機動力來源。如果將槳葉進行截斷，我們從剖面看非常像機翼的截面，旋轉(zhuǎn)后，螺旋槳相對氣流的速度由兩部分構(gòu)成，前進速度+旋轉(zhuǎn)速度。通過旋轉(zhuǎn)會在槳葉上形成氣動力，在前進方向上的分力就是我們常說的螺旋槳拉力。另外當螺旋槳旋轉(zhuǎn)時，會形成一個阻止螺旋槳旋轉(zhuǎn)的力矩，我們常稱為反扭，這個力矩將由發(fā)動機的力矩進行平衡。槳葉剖面弦與旋轉(zhuǎn)平面形成的夾角稱為槳葉安裝角。最后，當螺旋槳旋轉(zhuǎn)一圈，前推進的距離我們常稱為槳距。實際上槳葉上每一剖面的前進速度都是相同的，但圓周速度則與該剖面距轉(zhuǎn)軸的距離（半徑）成正比，所以各剖面相對氣流與旋轉(zhuǎn)平面的夾角隨著離轉(zhuǎn)軸的距離增大而逐步減小，為了使槳葉每個剖面與相對氣流都保持在有利的迎角范圍內(nèi)，各剖面的安裝角也隨著與轉(zhuǎn)軸的距離增大而減小。這就是每個槳葉都有扭轉(zhuǎn)的原因。比如常用的1240兩葉槳，表示螺旋槳的直徑是12寸，螺距為40。

5 機型與電機、槳的關(guān)系

無人機采用的螺旋槳如果越大，那么螺旋槳對飛機產(chǎn)生的反扭就會越大，所以如何選擇螺旋槳，這個將和無人機的翼展長短有關(guān)，還有螺旋槳的選擇也要注意相應電機的參數(shù)。例如如果采用1240螺旋槳，那么對于固定翼無人機的翼展就要在90CM以上合適，不然反扭大，飛行不穩(wěn)定；又如，與6040的螺旋槳合適的翼展就在40CM以上。如果用4530槳用到翼展1米以上無人機是否可行呢？當然可以，但飛機飛起來會非常耗電，因為翼展大飛行的阻力大，而4530螺旋槳產(chǎn)生的推力相對情況下小，就好比是小馬拉大車。所以在選擇無人機的動力系統(tǒng)的時候需要注意這動力電源、動力電機、電調(diào)、螺旋槳這4者之間的關(guān)系，一定要首先看無人機的機型、翼型及翼展的大小，然后再選擇配動力電機、螺旋槳、動力電源，特別要注意的是，絕對不能大尺寸螺旋槳配高KV電機，有可能會燒毀電機，影響電池壽命，甚至可能將電調(diào)也燒掉。

6 其他裝置

隨著有人渦輪噴氣機技術(shù)的發(fā)展，為無人機渦輪噴氣發(fā)動機的發(fā)展提供了重要的技術(shù)基礎(chǔ)。目前小型渦輪噴氣發(fā)動機已在少數(shù)高速無人靶機及突防無人機中得到應用。小型渦輪噴氣發(fā)動機的機構(gòu)包含四個部分：壓氣機、燃燒室、渦輪、噴管。壓氣機的作用就是將空氣以高速度通過氣道，最終到達燃燒室。燃燒室主要是將引入的燃油進行點火燃燒。膨脹的空氣將會驅(qū)動渦輪，渦輪反饋控制壓氣機，如此發(fā)動機將會循環(huán)運行。從噴管排出的加速高溫燃氣最終會作為整機的推力使用。除上述動力系統(tǒng)外，無人機中還有少數(shù)渦軸、渦槳、渦扇等動力裝置的應用。

作者簡介

石磊（1981-），男，河南省葉縣人。大學本科學歷，軟件工程碩士學位?，F(xiàn)為內(nèi)蒙古電子信息職業(yè)技術(shù)學院講師。主要研究方向為電子信息工程、無人機應用技術(shù)。

作者單位

內(nèi)蒙古電子信息職業(yè)技術(shù)學院 內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特市 010070