飞行器笔记资料

本文主要记录多旋翼飞行器的笔记。

实验场地搭建：

5m x 7m x 2.2m 【长x宽x高】

电机拉力测试平台（515元，用于测试螺旋桨拉力和计算无人机力效）

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螺旋桨静平衡器（137元，调平螺旋桨平衡，降低无人机飞行时的震动和抖动）

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航模遥控器（900 元）

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SLAM经典算法

FAST_LIO

FAST-LIVO2

mid360 复现https://github.com/hku-mars/FAST-LIVO2/issues/119

问题：

为什么多旋翼不适合推广到大型飞行器？

当桨叶变大，其转动惯量（Inertia） 会呈指数级增加。这意味着电机无法迅速改变桨叶的转速。

如何理解飞行器的失速？机翼因角度过大（迎角超限）而导致机翼失去了足够的升力，无法再支撑飞行器的重量。

电机知识

无刷电机不论是外转子结构还是内转子结构旋转的都是磁铁。所以任何一个电机都是由定子和转子共同构成的。

无刷电机的定子是产生旋转磁场的部分，能够支撑转子进行旋转，主要由硅钢片、漆包线、轴承、支撑件构成；而转子则是黏贴钕铁硼磁铁，在定子旋转磁场的作用进行旋转的部件，主要由转轴、磁铁、支持件构成。除此之外，定子与转子组成的磁极对数还影响着电机的转速与扭力。

简单的一句话总结：磁极对数越多，电机转速越慢，扭力越大；磁极对数越少，电机转速越快，扭力越小。（这解释了为什么无人机电机的磁极对数比RC车的磁极对数多）

在交流电机（如感应电机、永磁同步电机 PMSM、无刷直流电机 BLDC）中，转速的理论公式为：

n=\cfrac{6 0 \times f} {p}

$n$ :表示同步转速（RPM）

$f$ :表示电源频率（HZ）

$p$ :磁极对数（1p表示2个磁极）

结构原理图如下所示：

机架参数

轴距：两个对角螺旋桨的距离

布局：除非特殊，一律选择 quad x布局

现在还有很多基于 X 型的改良布局，例如：

Stretch X (长X): 缩短左右间距，拉长前后间距，为了高速直线竞速（减少扰流）。
True X (正X): 正方形布局，手感最均衡，花飞首选。
Dead Cat (死猫型): 前两个机臂角度张得更开，确保超广角镜头也拍不到桨叶（常见于 DJI Avata 或远航穿越机）。

空气动力学

计算叶尖雷诺系数：

R e_{t i p}=\frac{V_{t i p} \cdot C_{t i p}} {\nu}

$V_{tip}$ :表示叶尖线速度，单位( $m/s$ ), 螺旋桨最外边缘划过空气的速度

$C_{tip}$ : 表示叶尖弦长，单位( $m$ )

$v$ :表示空气运动粘度，单位( $m^2/s$ ), 这是一个常数，取决于气温和海拔。标准海平面（15°C）下， $\nu\approx1 . 4 6 \times1 0^{-5} m^{2} / s$

螺旋桨

📝：1英寸 = 2.54 厘米

命名规则： e.g 5045[x] 桨，前两个数字表示直径：5英寸，后两个数字表示螺距：4.5英寸, x表示叶数。 有R（如 5045R）： 代表顺时针旋转（CW），通常叫“反桨”。【无人机必须买一对正桨、一对反桨才能飞，所以通常是成套卖的】

螺距：螺旋桨每转一圈，就会向前进一个距离，就称为螺距或桨距。

低螺距看起来比较平，切风时的阻力小，响应快，低速扭矩快，极速低。e.g 5030

高螺距看起来比较斜，转速提升慢，需要较大电流。 e.g 5050

弦长：螺旋桨叶片的“宽度”

桨叶数：数量越多，推力越大，效率越低。反之推力越小，效率越高。

转动惯量：计算公式（ $I = mr^2$ ）, $m$ 表示质量， $r$ 表示距离旋转中心的距离。转动惯量越大，越难旋转和停止。

无人机力效

通俗地说，力效就是：你每消耗 1瓦特（Watt）的电，能买来多少克（gram）的拉力？

数值越高，说明越省电，核心计算公式如下：

力效 = \frac{拉力(g)}{电压(V) \times 电流(A)}

⚠️：力效这个数字不是固定的，它会随着油门大小、螺旋桨尺寸而剧烈变化。低油门区的力效更高

动力控制系统

电源线

硅胶线：多股缠绕，可以通过很大的电流，同时又保证线材比较柔软；二是线皮用硅橡胶，非常柔软，不过同时也很容易破损

注：AWG越小，能通过的电流越大，参考如下：

插头

T形头

一般使用T型头。一般电源上为母头，而电调上的为公头，适合较小电流的情况

2.XT60

可以通过60A以上的电流。其内部是两个香蕉头，适合较大电流的情况

3.AS150

额定电流为70A，瞬时电流为150A，最高可承受500V直流，具备防打火设计

图传解码算法比较

编码算法	压缩效率	典型总延迟	4K（3840×2160）所需带宽	1080p（1920×1080）所需带宽	备注
H.264 (AVC)	基准	80–150 ms	20–40 Mbps	6–12 Mbps	最低延迟，兼容广，图传常用
H.265 (HEVC)	比 H.264 节省 30–50%	120–200 ms（略高）	12–25 Mbps	3–8 Mbps	高压缩率，但复杂度更高
专用低延迟编码（如 DJI 优化算法）	接近 H.265	30–80 ms（行业最佳）	10–20 Mbps	4–8 Mbps	深度优化延迟与抗干扰

系统通信协议

遥控器与接收器

PPM(Pulse Position Modulation) :模拟信号，但通过一根线传输所有通道数据。比PWM简洁，但精度和抗干扰能力一般。
SBUS (Serial Bus): 由Futaba开发，基于串口的数字协议。它使用反向电平，一根线可传输16-18个通道，延迟低，是目前最常用的协议之一。
CRSF (Crossfire): 由TBS (Team BlackSheep) 开发的高速、双向数字协议。它是目前远航和穿越机的主流协议（如ExpressLRS也主要使用CRSF协议与飞控通信），具有极低的延迟和带宽，支持OTA固件升级和参数调整。

飞控与电调

Standard PWM: 传统的模拟信号（1ms-2ms脉宽），刷新率低（50Hz-400Hz），响应慢。
DShot (150/300/600/1200): 目前的绝对主流。这是一种数字协议。抗干扰能力强，无需校准行程，支持反乌龟模式（电机反转），且可以通过电调回传转速信息。数字越大代表传输速度越快（如DShot600）。

控与板载传感器/外设通信（内部总线）

I2C (Inter-Integrated Circuit): 通用串行总线。常用于连接磁力计（罗盘）、气压计以及部分旧型号的陀螺仪。优点是只用两根线（SDA, SCL）挂载多个设备，缺点是速度相对较慢，抗干扰差。
SPI (Serial Peripheral Interface): 高速同步串行接口。目前高性能飞控主要使用SPI连接陀螺仪（如MPU6000, BMI270）和SD卡槽。SPI拥有比I2C高得多的带宽，能满足8KHz甚至32KHz的PID循环频率需求。
UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter): 也就是串口。这是飞控上最通用的接口，用于连接GPS、数传电台、接收机、激光雷达等。

飞控与地面站通信

MAVLink (Micro Air Vehicle Link): 开源无人机领域（ArduPilot, PX4）的行业标准。它是一种极其强大、轻量级的消息传输协议，用于飞控与地面站（如Mission Planner, QGroundControl）以及机载电脑（如树莓派、Jetson）之间的双向通信。
MSP (MultiWii Serial Protocol): 主要用于Betaflight/Cleanflight/iNav固件。用于飞控参数配置、OSD设置。相比MAVLink更轻量，但功能偏向于穿越机和竞速调整。

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