视频教程 - 延长无人机飞行时间
本报告旨在展示延长多旋翼无人机飞行时间的一种简单流程。此处介绍的许多概念也适用于固定翼飞行器。此处应用的概念也可用于提高无人机的载重能力。
目录
- 引言与假设
- 无人机是如何飞行的？
- 效率公式
- 寻找最高效的无人机螺旋桨
- 寻找最高效的无人机电机
- 选择电调
- 计算无人机飞行时间（使用计算器）
注意：本文将使用 Series 1585 动力测试台来收集电机和螺旋桨数据。
1. 引言与假设
优化过程是一个循环，因此我们需要先提出一些假设。首先，假设无人机已经能够飞行，因此你已经有了一个已知重量和电池容量的现有设计。此外，我们将优化一个主要用于悬停的多旋翼无人机（我们的无人机既不是竞速无人机，也不是比赛无人机）。
延伸阅读：无人机设计计算与假设
图 1：Otus 四旋翼无人机
为了更好地说明这一流程，我们将以 Otus 四旋翼无人机为例，尽管此方法适用于任何无人飞行器。
我们四旋翼无人机的初始未优化版本配置如下：
- 4 个螺旋桨：Gemfan 5040
- 4 个电机：Hypetrain 2207-2450Kv 电机
- 4 个电调：Afro 20A Race Spec Mini 电调（带 BEC）
- 1 块电池：Turnigy nano-tech 1300mAh 4S 45~90C 锂聚合物电池
- 机架和载荷
采用此当前设计时，我们的飞行时间约为 4 分钟。
2. 无人机是如何飞行的？
第一步是了解无人机是如何飞行和起飞的。为了让无人机腾空，它必须克服自身重量和空气阻力。无人机的重量是其质量与重力相乘的结果，而阻力是阻碍无人机在空气中运动的力，取决于参考面积、空气密度和流速。
螺旋桨的旋转产生推力，使无人机能够上升并维持飞行。在悬停状态下，我们可以假设螺旋桨的总推力等于无人机的总重量。
基于这一假设和无人机的重量，我们可以推算出维持悬停所需的每个螺旋桨推力。此处，我们的无人机重 777 g，因此悬停所需的总推力为 7.6 N，即每个螺旋桨需提供 1.9 N。
图 2：无人机重量与悬停推力需求
为了保持良好的控制权威，螺旋桨所能达到的最大推力应约为悬停推力的两倍。请记住，这仅是一项建议。竞速四旋翼无人机的最大推力与重量比会高得多。
我们正在寻找最高效的螺旋桨，其产生的推力为 1.9 N，最大尺寸为 6 英寸，且最大峰值推力可达 3.8 N。
我们可以改变螺距、尺寸、型线、材质和品牌等参数，以找到最高效的动力系统。
3. 效率公式
效率是输出与输入的比值。此处，螺旋桨将机械能转化为推力。
4. 寻找最高效的无人机螺旋桨
首先，根据制造商数据初步选择螺旋桨。遗憾的是，螺旋桨测试尚未标准化，因此无法比较不同制造商提供的数据。制造商通常只提供最基本的规格，因此在购买前，买家需要对预期性能有一定的了解。
我们整理了一份无人机电机、螺旋桨和电调数据的数据库，可帮助您在购买前评估螺旋桨。
您还可以使用我们的RCbenchmark Series 1585动力测试台，使用同一电机测试所有螺旋桨，并记录推力、扭矩、电压、电流、电机转速和振动。此外，您还可以使用应用程序的数据库上传功能，通过测试脚本逐步完成测试流程。
我们希望测量推力、扭矩和转速。当您依赖扭矩和转速时，螺旋桨数据与电机数据是相互独立的。特定螺旋桨的推力仅取决于螺旋桨转速和来流速度，而与为螺旋桨供电的电机无关。
无论您选择哪种电机，在给定转速下产生的推力都是相同的。这一特性有助于检查您的测试是否正确执行。在用多个电机测试同一螺旋桨时，推力与转速图表上的数据点应都非常接近下图中的同一条线。
当您确定了悬停状态下最高效螺旋桨所需的扭矩和转速后，就可以搜索在该扭矩和转速下最高效的电机。 但首先我们需要找到我们的螺旋桨。
为了保持简单，我们只关注 3 种螺旋桨。我们将使用Series 1585 动力测试台对它们进行测试。
- 6030R Gemfan => 直径：6 英寸，螺距：3 英寸，重量：2.22 g
- 6040R King Kong => 直径：6 英寸，螺距：4 英寸，重量：3.38 g
- 5040R Gemfan => 直径：5 英寸，螺距：4 英寸，重量：3.00 g
测试可以手动进行，也可以使用脚本。我们使用脚本进行了测试，并将结果与我们的 无人机动力系统数据库中的结果进行了比较。以下是螺旋桨机械效率（N/W）随推力（N）变化的对比。
如图所示，在 1.9 N 时，最高效的螺旋桨是 Gemfan 6030，效率为 0.077 N/W。我们可以排除另外两种螺旋桨，因为它们的效率较低。
在 1.9 N 推力下，Gemfan 6030 的转速为 1300 rad/s，同时产生的扭矩为 0.0184 N.m（图 6）。
5. 寻找最高效的无人机电机
既然我们已经找到了一种螺旋桨，下一步就是寻找在 0.0184 N.m 和 1300 rad/s 工作点下最高效的电机。为了本教程的目的，我们将搜索范围限制在 2 种不同的电机，但实际上，还有更多候选电机可供选择。
图 8 显示了安装 Gemfan 6030 螺旋桨后所测电机的机械效率。在 1.9 N 推力下，Multistar 的效率为 68%，而 EMAX 的效率为 60%。因此，我们得出结论，对于这款特定螺旋桨在悬停状态下，最高效的电机是 Multistar Elite 2306。
上面的图表让我们观察到两种电机扭矩-转速线之间的效率差异。我们并未认定 Multistar 总体上是更好的电机，仅认定它在配合这款特定螺旋桨时表现更好。Emax 电机在配合另一种螺旋桨时可能比 Multistar 更高效。
我们还必须检查这款电机是否也能产生足够的峰值螺旋桨推力，以提供足够的控制权威。我们之前说过，我们正在寻找在 1.9 N 推力下最高效、且同时能达到 3.8 N 峰值推力的螺旋桨。
我们通过图表确认，这款电机能够产生我们所需的 3.8 N 峰值推力。在 3.8 N 时，电机能够在 1783 rad/s 下产生 0.035 N.m 的扭矩。
6. 选择电调
电机和螺旋桨选定后，我们可以选择合适的电调。目前，我们只需选择一个能够提供电机 7 A 峰值电流并留有安全余量的电调。我们将选择支持 20 A 的 Afro Race Spec Mini 电调。电调还可以进行一些优化，但这超出了本文的范围。
7. 计算无人机飞行时间
最后，我们可以利用收集到的信息来确定飞行时间：
电池容量（Wh 单位的 Ebattery）可以表示为飞行时间（FT，单位为小时）乘以产生的功率（Power，单位为瓦）。
电池容量（Ebattery）等于电池重量（Wbattery，单位为克）乘以能量密度（sigmabattery，单位为 Wh/g）。
总功率（Power，单位为瓦）等于无人机重量（Wdrone (g) = Wframe (g) + Wbattery (g)）除以螺旋桨效率（propefficiency，单位为 g/W）。
螺旋桨效率是无人机总重量除以无人机螺旋桨数量的函数。
因此，通过组合这些公式，我们得到飞行时间 [eq1]：
增加电池重量会增大上述公式中的除数，并降低螺旋桨效率。因此，电池容量对飞行时间的影响可能是双向的。更大的电池容量可以延长飞行时间，但也会增加重量，从而提高运行所需的推力，进而缩短飞行时间。图 11 展示了在平衡电池容量与重量时寻找“最佳平衡点”的一个示例。
这些公式已在以下电子表格中实现：
使用 Google 表格时，您必须添加一些假设条件，例如电池的重量和容量。此外，还要填写无人机（不含电池）的总重量和螺旋桨数量。现在，您已经拥有了计算飞行时间所需的一切条件！
延伸阅读：无人机制作与优化（电子书）
您可以观察电池容量变化对飞行时间的影响。如您所见，将电池容量增加到 33.3 mAh 可以延长几分钟的飞行时间，但由于重量与推力的比值降低，会削弱控制权威。容量进一步增大时，对飞行时间的益处却微乎其微，但会增加噪音并削弱控制权威。
结论
本文介绍了如何为无人机选择螺旋桨、电机、电调和电池，并探讨了如何比较效率、分析数据和计算飞行时间。
所有这些修改都可能改变无人机的总重量，尤其是当您选择另一种电池时。如果无人机重量发生显著变化，您可能需要重新进行分析。
正如我们在文章开头所提到的，无人机组装过程是一个不断循环的过程：我们通过测试了解组件和性能，提出假设，根据这些假设选择零件，测试系统，更换零件，然后重复这一过程。
无论使用何种工具采集数据，我们都强烈建议您在测试过程中测量扭矩。这将使您能够独立分析电机和螺旋桨数据，并测量效率。我们设计了 多种工具 ，让数据采集和分析变得更加简单、准确。
Series 1585 的自动测试功能，结合我们的无人机动力数据库，应该能让您在几小时的测试中选出最佳的电机、螺旋桨和电调。这些测试可以延长飞行时间，提高载重能力，并降低系统产生的热量，从而延长组件的使用寿命。
如果您想深入研究电机理论，以充分优化您的电机，请观看我们YouTube频道上的视频 “如何最大限度延长无人机的飞行时间” 。在这个视频中，我们将带您了解我们组装 Otus 四旋翼无人机所采取的步骤，以及我们如何将其飞行时间从 4 分钟延长到 8 分钟，甚至延长到 13 分钟！
如需进一步了解这一优化过程，请查看本文的第 2 部分——无人机设计循环的计算与假设