机电一体化如何改进无人机技术

作者：Asa Weiss

无人机是实践中机电一体化的一个很好的例子。他们有许多相互关联的系统，这些系统依赖于多个学科来按设计进行通信和运行。在本文中，我们将探讨无人机的内部工作原理以及使它们成为可能的技术。

无人机的定义已经涵盖了大多数小型无人驾驶车辆，包括遥控飞机。从技术上讲，无人机还意味着一定程度的自主性，从简单的自平衡到更复杂的功能，如不干涉 GPS 航路点导航任务或集群逻辑。这是导致最近无人机无处不在的每个基本机电一体化领域（电气、计算机、机械和控制工程）最近几项技术突破的高潮。

电气工程

使这些轰动一时的事情脱离实际的一些最大的发展是在电气工程中。直到现在，电动机和电池还没有能力举起自己的重量。爱好者一直在使用小型汽油发动机，它们不具备与电气系统几乎相同水平的速度控制或原型设计能力。

锂聚合物电池因其功率密度和输出速率而使电动飞行成为可能。为了达到与传统镍镉电池、碱性电池或锂离子电池相同的功率输出，重量将变得难以飞行。锂聚合物（LiPo） 的强大功能带来了更高的挥发性，因此需要小心处理，以防止热失控（爆炸）或不可逆的化学放电。

无刷电机并不是全新的。与使用物理金属垫沿电机轴滑动并换向功率的传统有刷电机不同（通常效率约为 80%），无刷电机通过选择性地激活偏置线圈旋转来避免摩擦损失，效率约为 90%。此外，可以控制旋转速度。

无刷电机与电子速度控制器 （ESC） 协同工作，电子速度控制器可将电流调节到正确的电机线圈。ESC 通过脉宽调制（PWM） 通信线路接收命令速度并将其转换为正确的电机节奏。

保持人类对这些设备的控制的一个重要环节是无线电网络。通常，用户命令通过 900 mhz、1.2 ghz 或 2.4 ghz 在民用频段内发送。由于有如此多的设备在相同的频率上通话，因此发射机通常采用“跳频”。这种技术与接收器协调快速的频道变化，以避免因干扰而失败，从而阻止单个频道上的通信。

计算机工程

虽然处理要求不高，但微控制器、功率晶体管和传感器的小型化和成本降低也降低了其他组件的有效载荷要求。

计算机工程对于在所有组件之间建立通信和处理控制算法至关重要。用户命令通过具有 PWM 通信机制的无线电接收器输入微控制器。传感器被读取和分解，然后通过控制算法与用户命令相结合。输出信号通过 PWM 发送到 ESC 和电机。

机械工业

机械设计在机身中最为明显。飞机和多旋翼飞行器的几何形状对于实现最大强度和轻量化以提高效率至关重要。强度不仅对于在不可避免的碰撞中幸存下来很重要，而且对于在推力和湍流载荷下的刚度也很重要。

使用机翼产生升力的翼型设计通常效率更高，长距离使用的功率更少，但不具备多旋翼飞行器的敏捷性。由于飞机通过在空气中移动产生升力，它们也更容易受到风和湍流的影响，因此如果它们太小，它们就会变得难以控制。

飞机的一般形状由所需升力、效率、目标有效载荷大小和角度稳定性的权衡决定。

L = （1/2） dv 2 s C L
L = lift，它必须等于飞机的重量，以磅为单位。
d = 空气密度。 这会因海拔而改变。这些值可以在国际民航组织标准大气表中找到。
v = 飞机的速度， 以英尺/秒表示。
s = 飞机的机翼面积 ，以平方英尺为单位。
C L = 升力系数，由翼型和迎角决定。

以下是无人机机翼设计的一些初步考虑：

为了设计更大的升力，机翼必须有更大的表面积，横截面弦会更高，并且需要更大的推力

为了提高效率，机翼应该长而细长，以扩展低压升力区并推迟翼尖涡流，从而增加阻力。然而，机翼只能在结构上可行的情况下变得纤细和长。机翼的俯视轮廓（矩形、梯形、椭圆形或后掠形）将在不同速度下改变失速特性。飞机也会减速以减少阻力和湍流。

为了设计一个更灵活的飞机，机翼和机尾必须更短，横截面应该是钝的和对称的，以防止在更大的迎角下失速。

四轴飞行器设计已变得无处不在，因为它在机械上是最简单、最坚固的无人机。使用以矩形方式安装的四个电机，当 这些东西碰撞时，没有小齿轮或连杆会断裂 。

翻滚（向左或向右倾斜）是通过打开或关闭左侧或右侧的电机组来完成的。俯仰（向前和向后移动）类似地通过打开或关闭后组或前组电机来实现。偏航（左转或右转）很有趣：由于对角线的电机组以相反的方向旋转（即左前和右后电机逆时针旋转），给一对电机加电并减少另一对电机的动力将保持升力，但会产生网瞬间转动身体。

直升机、双旋翼机和三旋翼机没有足够的电机来控制所有角度自由度，因此它们采用联动装置和小齿轮电机来调整其有限电机的俯仰角。尽管它们在某些方面更有效，但它们在机械上更复杂，因此更难以原型构建并且容易损坏。

六轴飞行器有六个螺旋桨，如果电机出现故障，则具有更高的稳定性和一些冗余。如果电机发生故障，八轴飞行器具有完全冗余的受控飞行。这些机身通常用于精密、昂贵或重型有效载荷。

控制工程

控制工程是与对系统做出平稳和快速响应有关的领域。这是通过了解系统的动态来设计接受用户命令、循环反馈、重新处理数据和调整输出的算法来实现的。由于大多数这些机身本质上是不稳定的（也就是说，它们会在没有即时计算机帮助的情况下疯狂翻转），因此需要控制工程来保持它们在空中。

最重要的传感器是组合陀螺仪和加速度计，也称为 IMU。它们共同建立了对无人机运动的敏感和准确的理解，这是无人机自我平衡和保持水平所必需的。该算法读取所需状态的用户命令，通过各种传感器提供测量状态的信息，通过控制功能处理这些数据，然后更新输出。

最常用的控制方式是比例-积分-微分 （PID） 控制器。理解和调整相当简单，因为大多数无人机都在不断地调整，必须进行增量调整。简而言之，“P”对与期望状态的瞬时偏移做出反应，“I”聚合了偏移的历史，“D”预测了未来的偏移。

图  PID 控制器相当容易理解和调整。

通过添加其他传感器，控件还可以在导航自主中循环。气压计用于高度控制，向下超声波距离传感器可以提高低高度精度。GPS 和磁力计增加了执行航路点任务的位置和航向意识。

无人机正在推动所有机电一体化领域的进步，在搜索和救援、包裹递送、测量和检查以及 3D 组装等角色中变得越来越有用。无人机的下一代目标包括避障和物体跟踪，以提高态势感知能力。此外，预计会看到群逻辑与合作伙伴无人机组成编队，以完成组装和增加飞行有效载荷、航程和持续时间等复杂任务。