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无人机六种动力驱动及常见接口盘点

2016-09-22 10:33:26

[导读] 无人机的出现为人们的生活提供了许多便利,现已被广泛应用到社会的各行各业。但其过短的续航时间一直是研究人员头疼的问题,目前无人机主要依靠6种动力完成复杂的工作。

无人机的出现为人们的生活提供了许多便利,现已被广泛应用到社会的各行各业。但其过短的续航时间一直是研究人员头疼的问题,目前无人机主要依靠6种动力完成复杂的工作。

 

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1、锂电池:大多数无人机都安装了锂电池,但效果只能维持20分钟左右,且需要经常拆卸、更换电池,十分耗时费力。针对这一现象,研究人员又探索了两种全新的动力来源,极大地提高了无人机的效率。

2、氢燃料电池:氢燃料电池代替锂电池,可以支持无人机连续运转两个小时,并且充电十分迅速;

3、激光发射器:激光发射器为无人机供电,从地面发射的激光光束被机身上的接收器转化成动力,几乎可以支持无人机一直工作。

4、太阳能发电:利用太阳能发电无人机通常同时安装了锂电池和太阳能电池,有阳光时就可利用太阳能提供飞行动力,锂电池则作为备用电池。

5、内燃机发电:用内燃机发电可支持无人机以100千米每小时的速度飞行1小时,但噪音大且存在安全隐患,因为无人机内有可燃气体。

6、有线电缆供电:利用有线电缆供电几乎可以让无人机永久地运转,也可以加快无人机向电脑传输数据的速度,但由于受到有线连接的限制,无法完成远距离飞行。

氢燃料电池和激光发射器这两种动力来源因效果显著、安全系数高更受研发群体青睐,也能为未来其他飞行器的动力源探究提供灵感。

另外,无人机飞控作为连接所有设备的大脑,接口种类越来越多,许多新手望而却步,老手也经常一脸茫然。常见接口到底都有什么,在无人机上做什么用?

PWM:

这是第一个要介绍的,所有航模和无人机都离不开的一种接口。单线信号,周期发送正脉冲,变化脉宽作为传递信息的方式,一个针脚传递一个通道,往往搭配地线和电源线可控制一个舵机或一个电调,是无人机或航模入门第一个需要了解的接口。优点是简单,稳定的传输一个可量变的信号,缺陷是速度低,目前常见的标准是每秒50次或300至400次。

PPM:

是PWM的升级版,就是每个信号周期变为发送一组多个脉宽的组合,来同时传递多个通道的变化信息。早期也被用于遥控器无线电信号和航模模拟器信号,现在多用于接收机与飞控连接,带有PPM信号输出的接收机很多,是无人机入门必配,那些用转换器的是脱裤子放屁。其优点是稳定传输多个通道,缺点是速度更慢。

S.BUS:

是日本遥控器厂商FUTABA设计的用单通道数字信号传输多通道信息的协议,只有一个信号针脚和一个基准地线,支持HUB扩展多个舵机和电调连接在一个信号源上,所以S.BUS其实是一种总线,其原理其实就是变化的串口协议,具体协议可以参考百度文库上我写的的文章“PX4飞控开发笔记-第五章:PWM,PPM,S.BUS与DSM2”。其优点是纯数字信号,很可靠,带有总线功能。缺陷是属于厂家技术兼容设备较少。目前是飞控连接接收机的最佳选择。

Relay:

其实就是数字IO信号,只有0和1两种状态,存在于飞控某些针脚用于自动控制相机快门和农药喷头。优点是可靠,缺点是信息量极小,浪费资源且没有校验等功能。

串口:

串口是目前控制领域最常见的设备接口,硬件形式有TTL,232,422,485几种。TTL是基本信号,常见三针用法,一个针用于信号输入叫RX,一针用于信号输出叫TX,另一针为信号基准地线。一般0伏和3-5伏表示0和1,飞控自带的都是这种串口,而且会带很多个,用于连接多个设备,PIXHAWK飞控有5个。TTL信号的电压较低,经验上不适合1米以上的长距离传输,于是发展出232接口,使用正负电平表示0和1其他与TTL相同,极大延长了传输距离,但是速度依然不足。

于是发展出422接口,RX和TX每个针脚都变为正负电压的一对信号线同时跳变,这样干扰信号被巧妙的抵消,传输距离和速度双飞跃,但是需要5根线,给调试造成很大麻烦,目前只有军品才使用这种串口。485串口是结合232和422优点,使用一对正负电压的信号线既发又收,但是他需要额外一个信号控制收发转换,485总线带有总线特征,可以在两根线与地线上连接多个设备,但是收发,片选,仲裁,校验等等工作都需要你写程序去协调,工作量巨大,现在很少有人用。

SPI:

这是一种用于板上通信的高速接口,使用了主从设计,和专门的时钟线,每个SPI拥有4个脚主入从出,主出从入,时钟和地线。主设备负责管理信息,时钟同步和所有设备通信,一路SPI可以连接多个设备,但是必须每个带有片选。因为有时钟线所以很容易做到所有设备的同步通信,由于其稳定性和高速特性,在飞控板上用来连接所有传感器与主单片机。

I2C:

其实是I平方C,是用于连接板上高速设备的总线。拥有三根信号线,信号,时钟和地线。也是采用主从设计,带有时钟的同步设计,但是信号线需要承担多个设备输入输出,有主设备来管理。I2C上所有设备都自带一个地址,或叫标签,主设备用这个地址来识别设备。在飞控中用来连接重要性不太高的众多设备,指示灯,磁罗盘,空速,超声波,激光测距等等。居然有厂家为了省事用这个总线连接多个电调,这是很危险的,因为3-5v电平在长距离传输中容易受干扰。

CAN:

最早为汽车设计的总线接口,据说是电流传输,所以抗干扰性能超强,专门用于大干扰环境设备间多个远距离传输。只有H和L两个信号线,所有设备都连接在上面,总线芯片负责仲裁。这其实是无人机上设备,尤其是多旋翼电调的最优选择,但是由于其复杂性和接口芯片成本问题,比较少有人用,PIXHAWK飞控和 ESC32电调多年前就已经具备该接口,至今无人问津。

AD:

模数转换接口,这种易被干扰的古老还存在,使用方式就是测量电压。目前飞控用来测量电压,电流,这种方式成本较低,在小型无人机上还可以使用。另外一些距离探测设备还在用,但是已经基本处于淘汰边缘,效果远远不如数字设备,不过成本较低,比如空速和超声波。

SDIO:

用于连接SD卡或TF卡,进行飞行数据记录。由于TF卡应用普遍,成本较低,容量速度都令人满意,所以渐渐成为高级飞控必备设备,用于飞行记录,事故分析,故障诊断等等。

USB:

民用总线接口,可以通过HUB连接多个设备,可以说是一种完美接口。但是其协议过于复杂,编程工作量极大,接口连接形式容易导致问题,必须使用专用线材,且不能超过2米。在飞控上主要用来地面进行调试,读写参数等等地面操作。

[整理编辑:中国测控网]
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