无人机动力体系设计基础知识
1. 源由任何电子、机械装备，最为告急的就是动力体系。
通过业内人士的接触、沟通，通常对于产品定义PRD以及背后的底层物理逻辑相关性理解或者熟悉存在一些短板，在实际产品设计、验证、测试方面感觉乏力。
从而出现一种现象或者说一种做产品方法：
[*]大家都是这么做的。
[*]谁谁谁也是用的这颗芯片。
[*]就是照着谁谁谁的产品做的，性能上大要不会差很多。
[*]做好，去实际飞一下，没什么问题，就好了。
[*]实测远比实验室测试告急。
[*]其时给的要求就是满足xxx条件就好了。
[*]等等。。。。
其实这些做产品的方法都是一种对产品设计理解的不足导致的问题。
起首，大家要理解一个产品发布以后，产品规格书上的参数远远小于PRD内里的规格内容。那么为什么会形成这种环境，就需要做产品的工程技术职员深入思索。
为此，就个人的一些理解，起首对基础知识或者概念做一个汇总。
2. 组成
无人机的动力体系是飞行的焦点组成部分，主要负责提供推力和操控。
[*] 电机（Motors）：
[*]无人机常用的是无刷电机（Brushless DC Motor, BLDC）。每个电机毗连一个螺旋桨，电机通过旋转螺旋桨提供推力。
[*] 螺旋桨（Propellers）：
[*]螺旋桨是与电机相连的部件，通过快速旋转产生升力和推力。螺旋桨的尺寸、材质和设计直接影响无人机的飞行性能。
[*] 电子调速器（Electronic Speed Controller, ESC）：
[*]电子调速器负责控制电机的转速。它接收飞控体系发出的信号，并调治电机的功率输出，从而调解螺旋桨的转速。
[*] 电池（Battery）：
[*]无人机通常使用锂聚合物电池（LiPo），由于其能量密度较高，可以或许为电机和电子装备提供足够的电力。电池容量和电压直接影响无人机的续航时间和动力输出。
[*] 电源分配板（Power Distribution Board, PDB）或电源模块：
[*]PDB负责将电池的电力分配给各个电机及其他电子部件，如飞控体系和ESC。某些高级无人机使用集成电源模块，可以监测电池电量并调治供电。
[*] 飞控体系（Flight Controller）：
[*]固然不直接属于动力体系，但飞控体系通过感知无人机的姿态、位置和外界环境，控制电子调速器的输出，进而间接控制电机转速和动力输出。
3. 部件规格
3.1 电机规格书
提供了电机的具体参数信息，帮助使用者了解电机的性能和实用场景。以下是常见的电机规格书中会包含的关键参数：
1. 电机型号（Model Number）
[*]电机的具体型号，用于识别不同类型的电机。
2. 尺寸和重量（Dimensions & Weight）
[*]电机形状尺寸（Diameter x Height）：电机的物理尺寸，通常以毫米表示。
[*]重量（Weight）：电机的净重。
3. Kv 值（Kv Rating）
[*]Kv 值表示每伏特电压下电机每分钟旋转的速度（RPM/V）。例如，1000Kv 意味着每加 1 伏电压，电机的转速会增加 1000 RPM。Kv 值越高，电机转速越快，但扭矩相对较低。
4. 电压范围（Operating Voltage Range）
[*]电机的工作电压范围，通常以 “2S-6S” 或具体电压表示，如 7.4V - 22.2V。该参数决定了电机适配的电池规格。
5. 最大连续电流（Max Continuous Current）
[*]电机在正常工作时可以承受的最大电流，单位为安培（A）。超过该值可能会导致电机过热或破坏。
6. 最大功率（Max Power）
[*]电机的最大功率输出，通常以瓦特（W）为单位。该参数表示电机在满负载环境下的最大能量输出。
7. 最大推力（Max Thrust）
[*]电机在特定螺旋桨和电压条件下产生的最大推力，通常以克（g）或千克（kg）表示。这通常与螺旋桨尺寸相结合给出不同的推力值。
8. 空载电流（No Load Current）
[*]电机在无负载（不带螺旋桨）状态下的工作电流，通常以安培（A）表示。
9. 电阻值（Internal Resistance）
[*]电机内部绕组的电阻，单位为欧姆（Ω）。较低的电阻通常意味着电机服从更高。
10. 安装孔尺寸（Mounting Hole Dimensions）
[*]安装电机时的孔距和孔径大小，通常以毫米（mm）表示。这决定了电机能否兼容无人机机架或支架。
11. 轴径（Shaft Diameter）
[*]电机输出轴的直径，通常以毫米表示。轴径大小与螺旋桨的安装方式密切相关。
12. 使用场景（Application）
[*]电机得当的使用场景，例如用于多旋翼无人机、固定翼无人机、RC 船等。
13. 服从（Efficiency）
[*]电机的能量转换服从，表示输入电能转换为机械能的比例，通常用百分比表示。
14. 极数（Number of Poles）
[*]电机内部磁极的数目，通常为 12 或 14 极，影响电机的扭矩和转速特性。
示例：
[*]型号: TMotor MF2211
[*]Kv: 1000Kv
[*]工作电压: 2S-4S LiPo (7.4V - 14.8V)
[*]最大连续电流: 20A
[*]最大功率: 300W
[*]最大推力: 1200g @ 4S, 10x4.5 螺旋桨
[*]空载电流: 1A @ 10V
[*]内部电阻: 0.04Ω
[*]重量: 60g
[*]安装孔尺寸: 16x16mm
3.2 螺旋桨规格书
提供了螺旋桨的具体参数信息，帮助用户了解其性能和实用场景。以下是螺旋桨规格书中常见的关键参数：
1. 螺旋桨尺寸（Size）
[*]螺旋桨的尺寸通常以英寸表示，格式为 直径 x 螺距（Diameter x Pitch）。例如，10x4.5 表示直径为 10 英寸，螺距为 4.5 英寸。
[*]直径：螺旋桨旋转时划过的圆的直径。直径越大，产生的推力越大。
[*]螺距：螺旋桨每转一圈前进的距离，表示螺旋桨的进气角。螺距越大，速度越快，但所需动力也更大。
2. 材质（Material）
[*]螺旋桨通常由以下几种材质制成：
[*]塑料（Plastic）：轻便、价格低廉，但强度和耐久性相对较低。
[*]碳纤维（Carbon Fiber）：重量轻、强度高、刚性强，实用于高性能无人机，但价格较贵。
[*]尼龙混合质料（Nylon Composite）：常见于中档螺旋桨，具有良好的强度和耐用性。
3. 叶片数目（Number of Blades）
[*]螺旋桨的叶片数目通常为 2 片、3 片或 4 片：
[*]2 片螺旋桨：服从高，耗电量低，常用于较轻的无人机。
[*]3 片或 4 片螺旋桨：增加了推力和操控性，但服从略低，实用于竞速无人机和高负载应用。
4. 旋向（Rotation Direction）
[*]螺旋桨的旋转方向通常分为顺时针（CW, Clockwise）和逆时针（CCW, Counterclockwise）。
[*]无人机通常需要配对的 CW 和 CCW 螺旋桨，以实现均衡的飞行控制。
5. 实用电机（Compatible Motors）
[*]规格书中通常会列出得当该螺旋桨的电机 Kv 值范围，以确保电机和螺旋桨的推力匹配。例如，低 Kv 电机通常搭配大直径、大螺距的螺旋桨，而高 Kv 电机则搭配小直径、低螺距的螺旋桨。
6. 安装孔直径（Hub Diameter & Mounting Hole）
[*]中央孔直径：用于安装螺旋桨的电机轴的直径，通常为 5mm、6mm 或 8mm。
[*]固定孔数目：一些螺旋桨需要通过多个螺丝固定在电机上，通常会标明固定孔的数目及直径。
7. 最大推力（Max Thrust）
[*]螺旋桨在特定电压、电机和转速下产生的最大推力，通常以克（g）或千克（kg）表示。这个参数帮助评估螺旋桨的性能。
8. 服从（Efficiency）
[*]螺旋桨的推力与功耗之比，表示为每瓦产生的推力（g/W），服从高的螺旋桨可以或许在较少能量斲丧的环境下产生更多推力。
9. 重量（Weight）
[*]螺旋桨本身的重量，通常以克（g）为单位。重量较轻的螺旋桨有助于减少无人机的团体重量和电机的负载。
10. 噪音水平（Noise Level）
[*]一些螺旋桨规格书会提到螺旋桨的噪音水平，尤其是对于需要安静飞行的无人机场景。
示例：
[*]型号: 10x4.5 Carbon Fiber Propeller
[*]材质: 碳纤维
[*]叶片数目: 2 片
[*]直径: 10 英寸
[*]螺距: 4.5 英寸
[*]旋向: CW/CCW（配对）
[*]中央孔直径: 6mm
[*]最大推力: 1200g（搭配 2211 1000Kv 电机）
[*]重量: 15g
3.3 电子调速器规格书
提供了有关 ESC 的具体信息和性能参数，以帮助用户选择得当其电机和无人机体系的 ESC。以下是常见的电子调速器规格书中的关键参数：
1. 型号（Model Number）
[*]ESC 的具体型号，用于识别不同类型和系列的 ESC。
2. 连续电流（Continuous Current）
[*]ESC 在正常工作条件下可以处理的最大电流，通常以安培（A）表示。例如，30A ESC 意味着可以连续处理 30A 的电流。
3. 峰值电流（Burst Current / Peak Current）
[*]ESC 在短时间内可以或许承受的最大电流峰值，通常只连续几秒，通常以安培（A）表示。例如，30A ESC 的峰值电流可能达到 40A，但只能连续几秒钟。
4. 工作电压范围（Operating Voltage Range / Cell Count）
[*]ESC 支持的工作电压范围，通常以电池组的节数（S）或具体电压（V）表示。例如，2S-6S LiPo 表示 ESC 可以支持 7.4V 到 22.2V 的锂聚合物电池。
5. BEC 电压和电流（BEC Output / Battery Elimination Circuit）
[*]BEC 是 ESC 内置的电源调治器，它为飞控体系和其他低压电子装备供电。规格书通常会提供以下两个参数：
[*]BEC 输出电压：常见的有 5V、6V 或可调电压输出。
[*]BEC 输出电流：通常为 2A、3A 或 5A，表示 BEC 可以为外部装备供电的电流大小。
6. 支持的电机类型（Motor Compatibility）
[*]ESC 支持的电机类型，常见的有无刷电机（Brushless Motor）和有刷电机（Brushed Motor）。现代无人机的 ESC 通常仅支持无刷电机。
7. PWM 频率（PWM Frequency）
[*]ESC 处理脉宽调制信号的频率，通常以赫兹（Hz）表示。现代无刷 ESC 的 PWM 频率通常在 8kHz 到 32kHz 之间，较高的 PWM 频率可以使电机运行更加平稳。
8. 刷新率（Refresh Rate / Signal Frequency）
[*]ESC 接收飞控体系或接收机信号的刷新率，常见的有 50Hz、400Hz、600Hz 等。高刷新率可以更精确地控制电机转速，尤其在竞速无人机中很告急。
9. 通信协议（Communication Protocol）
[*]ESC 与飞控体系通信的协议，常见的有以下几种：
[*]PWM（Pulse Width Modulation）：传统的通信方式，广泛使用。
[*]Oneshot、Multishot：更快的通信协议，实用于竞速无人机。
[*]DShot：数字通信协议，精度更高，支持 150、300、600 和 1200 不同速度等级。
10. 尺寸和重量（Dimensions & Weight）
[*]ESC 的物理尺寸和重量，通常以毫米（mm）和克（g）表示。这些参数很告急，尤其在轻量化和空间有限的无人机设计中。
11. 冷却方式（Cooling Method）
[*]ESC 的散热设计，有些高功率的 ESC 可能会配备散热片或风扇。无良好的冷却措施，ESC 在高负载环境下可能会过热。
12. 保护功能（Protection Features）
[*]现代 ESC 通常具备多种保护功能，例如：
[*]低电压保护（Low Voltage Cutoff, LVC）：当电池电压低于设定值时，ESC 会自动降低功率以保护电池。
[*]过热保护（Overheat Protection）：当 ESC 温度过高时，降低或制止电机运转以保护电路。
[*]过流保护（Overcurrent Protection）：当电流超过安全范围时，ESC 会限定电流流过电机。
13. 启动模式（Startup Mode）
[*]ESC 提供的电机启动模式，常见的有：
[*]正常启动：平稳启动电机。
[*]软启动：电机启动时加速较慢，实用于带有大负载的体系。
[*]竞速模式：快速启动，实用于竞速无人机。
14. 制动功能（Brake）
[*]某些 ESC 提供电子制动功能，用于快速制止电机旋转。竞速无人机或高精度控制场景中常见。
示例：
[*]型号: BLHeli 30A ESC
[*]连续电流: 30A
[*]峰值电流: 40A（10秒）
[*]工作电压: 2S-6S LiPo (7.4V-22.2V)
[*]BEC 输出: 5V/3A
[*]PWM 频率: 24kHz
[*]支持协议: DShot600, Multishot, PWM
[*]尺寸: 45mm x 25mm x 8mm
[*]重量: 20g
[*]保护功能: 过流保护、低电压保护、过热保护
[*]启动模式: 软启动、竞速启动
[*]制动功能: 支持
3.4 电池规格书
提供了电池的具体技术参数，帮助用户选择得当其装备的电池，尤其是无人机、呆板人和其他电子装备。以下是电池规格书中的常见关键参数：
1. 电池类型（Battery Type）
[*]常见的电池类型有：
[*]锂聚合物电池（LiPo, Lithium Polymer）：常用于无人机，轻便、高能量密度，但需要审慎充放电。
[*]锂离子电池（Li-ion, Lithium Ion）：容量高，但相对较重。
[*]镍氢电池（NiMH, Nickel-Metal Hydride）：相对安全，能量密度较低。
2. 电压（Voltage）
[*]标称电压（Nominal Voltage）：电池的正常工作电压，单位为伏特（V）。LiPo 电池的标称电压为每节 3.7V。例如，3S 电池的标称电压为 11.1V。
[*]布满电压（Fully Charged Voltage）：LiPo 电池每节的布满电压为 4.2V，因此 3S 电池布满时的电压为 12.6V。
[*]最低放电电压（Cutoff Voltage）：LiPo 电池每节的最低放电电压为 3.0V，假如电压低于此值，可能会破坏电池。
3. 电池容量（Capacity）
[*]表示电池能存储的能量，单位为毫安时（mAh）或安培时（Ah）。例如，2200mAh 表示电池可以或许以 2.2A 的电流供电 1 小时。容量越大，续航时间越长。
4. 放电倍率（Discharge Rate / C Rating）
[*]电池的放电倍率（C 值）表示电池可以或许安全放电的最大电流。它通常以一个倍数的情势表示，如 20C 或 30C。
[*]最大连续放电电流（Max Continuous Discharge Current）：由容量和放电倍率盘算，公式为 最大电流 = 容量 x C 值。例如，2200mAh 的 20C 电池最大连续放电电流为 44A。
[*]最大瞬时放电电流（Max Burst Discharge Current）：一般为 C 值的 1.5 到 2 倍，但只能连续几秒钟。
5. 充电倍率（Charge Rate / C Rating）
[*]电池的充电倍率通常为 1C 或 2C，这表示电池可以或许以多少倍于容量的电流举行充电。1C 充电意味着假如电池是 2200mAh，则可以用 2.2A 的电流充电。较高的充电倍率可以收缩充电时间，但可能影响电池寿命。
6. 电池节数（Cell Count, S Rating）
[*]LiPo 电池的节数用 “S” 来表示，如 2S、3S、4S。每节 LiPo 电池的标称电压为 3.7V：
[*]2S: 7.4V（标称电压）
[*]3S: 11.1V（标称电压）
[*]4S: 14.8V（标称电压）
电池节数越多，电压越高，推力和功率输出也越大。
7. 电池重量（Weight）
[*]电池的重量通常以克（g）为单位。对于无人机等轻量化要求高的装备，重量是一个告急参数。
8. 尺寸（Dimensions）
[*]电池的物理尺寸，通常以毫米（mm）为单位，表示长度、宽度和高度。不同装备的电池仓大小会对电池尺寸提出要求。
9. 毗连器类型（Connector Type）
[*]电池使用的电源接口类型，如 XT60、XT90、Deans T 插头等。毗连器必须与装备的电源接口匹配。
10. 内部电阻（Internal Resistance, IR）
[*]电池的内部电阻影响电池的服从和发热环境，通常以毫欧姆（mΩ）为单位。内部电阻越低，电池的服从越高。
11. 充电时间（Charging Time）
[*]布满电所需的时间，通常与充电倍率和电池容量有关。较高的充电倍率会收缩充电时间。
12. 循环寿命（Cycle Life）
[*]电池可以或许履历的充放电循环次数，通常标示为循环寿命。这个参数影响电池的长期使用寿命。LiPo 电池的循环寿命通常在 300-500 次左右。
13. 工作温度范围（Operating Temperature Range）
[*]电池在充电和放电时的安全工作温度范围。LiPo 电池通常在 0°C 到 45°C 范围内充电，-20°C 到 60°C 范围内放电。
示例规格：
[*]型号: Tattu 3S 2200mAh 25C LiPo Battery
[*]电池类型: LiPo
[*]标称电压: 11.1V (3S)
[*]容量: 2200mAh
[*]连续放电倍率: 25C
[*]最大连续放电电流: 55A
[*]充电倍率: 1C（最大充电电流：2.2A）
[*]尺寸: 105mm x 35mm x 25mm
[*]重量: 180g
[*]毗连器: XT60
[*]工作温度: 充电 0°C - 45°C，放电 -20°C - 60°C
[*]循环寿命: ≥300 次
3.5 电源分配板规格书
具体列出了 PDB 的技术参数和功能，用于将电池电源匀称分配给无人机、电机、电子调速器（ESC）、飞控器和其他电子装备。以下是常见的电源分配板规格书中的关键参数：
1. 板载输入电压（Input Voltage Range）
[*]电源分配板支持的输入电压范围，通常与电池的节数（S）对应，例如 2S-6S（7.4V-22.2V）。这个范围应与无人机使用的电池相匹配。
2. 最大电流（Max Current Output）
[*]PDB 所能承受的最大电流输出，通常以安培（A）为单位。这个参数要足够高，以确保可以或许为多个电机、ESC 提供足够的电流。常见的 PDB 最大电流输出在 100A 以上，具体取决于设计。
3. 电源接口类型（Power Connectors Type）
[*]主电源输入接口：通常为 XT60、XT90、Deans T 插头或焊接垫，毗连电池。
[*]输出接口：通常通过焊盘分配电源，直接毗连到 ESC、电机或其他装备。有的 PDB 还提供插头式接口，方便毗连。
4. BEC 输出（BEC Output / Battery Elimination Circuit）
[*]PDB 内置的电源调治器（BEC）为飞控、电机控制器和其他电子装备提供稳定的低压电源，常见输出电压为 5V 或 12V。
[*]BEC 输出电压：常见为 5V、9V、12V，乃至有可调治的输出。
[*]BEC 输出电流：通常为 2A、3A 或 5A，供电量取决于装备需求。
5. 滤波功能（Power Filtering）
[*]许多 PDB 提供电源滤波功能，用于减少电机和其他装备工作时产生的电磁干扰（EMI），保护飞控和其他敏感装备的正常工作。
6. 电流检测（Current Sensing）
[*]一些高端 PDB 集成了电传播感器，用于及时监测整机的电流斲丧，数据可以反馈给飞控或 OSD（屏幕显示器），帮助用户了解电池斲丧环境。
7. LED 照明电源输出（LED Power Output）
[*]一些 PDB 具有专用的 LED 电源输出接口，可以为无人机的 LED 照明提供电源，通常支持 5V 或 12V。
8. ESC 毗连焊点（ESC Solder Pads）
[*]PDB 提供专门的焊接区域用于毗连 ESC。通常有 4 到 8 个 ESC 毗连焊点（分别为正极和负极），允许多旋翼无人机方便地将 ESC 毗连到电源。
9. 物理尺寸和重量（Dimensions & Weight）
[*]PDB 的物理尺寸（毫米，mm）和重量（克，g），影响无人机的布局和总重量。小型多轴无人机通常需要轻便、紧凑的 PDB。
10. 板载保险丝（Fuse Protection）
[*]一些 PDB 提供内置的保险丝，用于保护电路免受过电流的破坏。保险丝通常可以自动复位，或者是一次性的，需要更换。
11. 双层或单层设计（Single Layer vs. Double Layer）
[*]PDB 的层数设计，单层设计通常结构简单，得当小型无人机；双层设计则提供更多功能接口和更大的电流容量。
12. 绝缘和散热功能（Insulation & Heat Dissipation）
[*]高端 PDB 采用精良的 PCB 绝缘质料，并在设计上注意散热，以防止过热和短路。
示例规格：
[*]型号: Matek FCHUB-6S
[*]输入电压范围: 2S-6S LiPo (7.4V-22.2V)
[*]最大电流: 184A（电池电流），46A（BEC 电流）
[*]BEC 输出: 5V/2A 和 9V/2A
[*]电传播感器: 集成 184A 电传播感器，电压检测
[*]尺寸: 36mm x 36mm x 6mm
[*]重量: 10g
[*]电源接口: 主焊接垫（正极、负极），支持 XT60/XT90 插头
[*]LED 电源输出: 5V 可调
[*]ESC 毗连焊点: 4x 正负极焊点
[*]滤波功能: 内置 LC 滤波电路
告急注意事项：
[*]确保 PDB 的最大电流输出可以或许支持所有电机和 ESC 的需求。
[*]假如使用 BEC，请检查其电压输出与飞控或其他装备的输入电压要求是否匹配。
[*]确认 PDB 的物理尺寸和布局与无人机机架的电池仓符合。
电源分配板在无人机、电动工具和其他多电机装备中至关告急，它确保所有电子组件可以稳定地从电池获得所需的电力。
3.6 飞控体系
略。
[*]ArduPilot开源飞控体系之简单先容
[*]BetaFlight开源代码框架简介
[*]iNav开源代码之研读分析篇章目录梳理
4. 总结
上述最为基础的这些参数，是否都清晰背后的物理逻辑和底层应用含义？
不管如何，有了上述概念之后，我们将有机遇继承讨论和引出后续的一个话题：如何规划电子调速器，以及背后的物理逻辑和盘算方法。
后续：
[*]【1】无人机动力体系设计之桨叶推力盘算
[*]【2】无人机动力体系设计之电调+电机关键参数推演
[*]【3】无人机动力体系设计之电调芯片参数选型
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