四旋翼无人机遥感侦测平台设计与开发

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书名：四旋翼无人机遥感侦测平台设计与开发

ISBN：978-7-115-65964-4

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版  权

著    张李希  汪驰升  张家胜  朱 武

责任编辑 邓昱洲

人民邮电出版社出版发行　　北京市丰台区成寿寺路11号

邮编　100164 　电子邮件　315@ptpress.com.cn

网址　http://www.ptpress.com.cn

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内 容 提 要

本书介绍了四旋翼无人机的相关知识，包括工作原理、组成、动力系统、遥控系统、PX4 飞控、QGroundControl（QGC）地面站和组装等内容。第一部分（第1～3章）系统介绍四旋翼无人机工作原理与组成，以及动力系统与遥控系统，阐述四旋翼无人机各部件的工作原理及其作用。第二部分（第4、5章）详细介绍PX4飞控的构成与使用，并且逐一讲解与PX4飞控配套的QGC地面站的主要功能和高级应用。第三部分（第6章）结合实际情况，为读者挑选无人机提供方案，并以F330无人机机架为例，逐步展示从零件选购到最终组装完成的全过程，方便读者轻松完成无人机的组装。

本书适合具备一定动手能力，并且对四旋翼无人机感兴趣的读者阅读，也适合参加无人机比赛的初学者或航模发烧友参考与学习。

前   言

2023年中央经济工作会议提出，打造生物制造、商业航天、低空经济等若干战略性新兴产业……加快传统产业转型升级。所谓低空经济，就是以民用有人驾驶和无人驾驶航空器为主，以载人载货及其他作业场景低空飞行为牵引，辐射带动相关领域融合发展的综合性经济形态。目前，无人机已经被广泛应用在交通、物流、农业、应急救灾等多个行业及领域。截至2023年，我国低空经济规模超5000亿元。低空经济这一新的经济形态已经成为拉动我国经济增长的新动力之一。

当前，我国已成为全球领先的无人机制造和应用大国。我国无人机产业发展迅速，产品应用范围广泛，涉及农业、物流、影视拍摄、安防监控、测绘等多个领域。在民用无人机领域，我国无人机企业如大疆创新在全球市场占据了显著份额，其产品因技术先进、性价比高而广受欢迎。此外，其他公司如亿航、零度智控等也在不断拓展市场。

除了上述民用无人机研发的领军企业，许多航模爱好者与发烧友也在自行设计、组装属于自己的无人机。本书作者在学习组装无人机之初，发现网络上各类无人机教程内容过于零散，且部分知识多年未更新或不适合零基础的初学者学习，因此希望总结前人与作者自身的无人机组装经验，编写一本方便初学者学习组装四旋翼无人机的图书。

本书以四旋翼无人机设计、组装、调试为核心内容，介绍无人机的工作原理、组成、地面站调参流程、航线规划流程与装配过程等。本书共6章，第1章为引言，介绍常见的3种无人机；第2章介绍无人机工作原理与组成，简单讲解无人机机架、飞控系统及飞控辅助设备；第3章介绍无人机动力系统与遥控系统的参数及选配方法；第4章为PX4飞控与QGC地面站详解，详细介绍PX4飞控构成、PX4飞控与各部件安装、QGC地面站简介与安装、飞控固件烧录与传感器校准等内容；第5章介绍QGC地面站高级应用，即如何使用 QGC 地面站的航线规划功能为无人机规划任务航线，并对无人机飞行模式进行介绍；第6章介绍四旋翼无人机组装实战，包括选购一台无人机的材料以及组装一台无人机的完整步骤。

本书得到了国家重点研发计划（编号：2020YFC1512000）的资助。

第1章 引言

很高兴你能打开这本书，如果你对四旋翼无人机感兴趣，想要了解并自己亲手组装一架无人机，这本书会帮助你。你准备好探索这个充满未知和精彩的领域了吗？

让我们一起来追溯一下无人机的发展历程。电影当中的无人机看起来科技感十足，在军事或者科幻题材的影片当中，我们经常能看到许多无人机出现的场景。例如，为了侦察情报，电影中的角色会使用形似蜻蜓或者蝴蝶的仿真无人机，它们可以穿梭在狭小的空间内，侦察情报；电影《流浪地球2》一开场也出现了令人震撼的“掠夺者”无人机群。

这些情境为无人机蒙上了一层科幻的色彩。实际上，无人机的发展历程相当漫长。早在1917年，人们就试着制造了第一架无人机。当时，正处于第一次世界大战期间，英国的卡德尔将军和皮切尔将军在1914年向英国军事航空学会提出了一个大胆的设想：研制一种不用人驾驶，而用无线电操纵的小型飞机，使其能够飞到敌方某一目标区域上空，进行轰炸。这个设想立即得到了当时英国军事航空学会理事长大卫·亨德森爵士的支持。于是，由阿奇博尔德·洛教授率领的研制小组开始了研发工作。为了保密，该计划被命名为“AT计划”。经过多次试验，研制小组首先研制出了一台无线电遥控装置。接着，飞机设计师杰弗里·德哈维兰设计了一架小型单翼机，并将无线电遥控装置安装到这架小型飞机上。

于是，在1917年3月，世界上第一架无人驾驶飞机在英国皇家飞行训练学校进行了第一次飞行试验。然而，飞机刚起飞不久，发动机突然熄火，导致飞机失速坠毁。尽管第一次试验失败，但研制小组并没有灰心，继续进行无人机的研制。10年后，他们终于取得了成功。1927年，由洛教授参与研制的“喉”式单翼无人机在英国海军“堡垒”号军舰上成功地进行了试飞，该机以322千米/时的速度飞行了480千米。这一成就在当时引起了极大的轰动。虽然那时的无人机和现在的无人机相比，简直就是“小巫见大巫”，但是，正是那些勇敢的尝试，让无人机技术逐渐走向成熟。

随着科技的发展，无人机逐渐变得越来越智能化、多功能化。现在的无人机可以做的事情可不只是飞几分钟然后摔到地上。它们可以在天空中自如飞行，拍摄壮丽的风景，甚至还可以用于科学研究和救援行动。我们也不像洛教授的研制小组，历时10年才能打造一台无人机。本书将尽可能让你快速了解无人机的基础知识，手把手教你组装一台无人机，并亲自操作，使它翱翔天际。

但在此之前，先让我们来了解一下目前主流的无人机种类。

1.1　固定翼无人机

固定翼无人机是一种以固定翼为主要飞行结构的无人机，类似于传统飞机的设计，通过翼面产生升力来实现飞行。固定翼无人机通常具有较长的航程和飞行时间，并且能够搭载较大型的机载设备和较高负载，适用于长距离侦察、地形测绘和农业监测等。

固定翼无人机通常采用电机或汽油机驱动螺旋桨旋转，使飞机获得前进的动力，当飞机向前运动时，机翼会产生向上的升力，当升力大于飞机自身重力后，便可起飞。固定翼无人机的飞行效率比多旋翼无人机更高，因此飞行距离更远，飞行载重更大。图1.1所示为某固定翼无人机。

图1.1　固定翼无人机

固定翼无人机的优点如下。

① 长航程：固定翼无人机由机翼提供升力，可使用单一发动机作为动力源，通常具有较长的航程和飞行时间，能够长时间停留在空中执行任务。

② 高速飞行：固定翼无人机飞行速度一般较快，能够迅速覆盖大范围的区域，提高任务执行效率。

③ 较强的风险适应能力：由于其飞行方式和结构特点，固定翼无人机具有较强的风险适应能力，能够在复杂的气象条件下安全飞行，并且在失去动力后仍可通过滑翔提供一定升力进行迫降操作。

固定翼无人机的缺点如下。

① 不适合垂直起降，需要较大的起降空间：由于其固定翼结构，固定翼无人机不能像多旋翼无人机那样垂直起降，通常需要较长的跑道或者滑行道进行起降，不适合在狭小的空间内飞行，部分轻型或小型固定翼无人机可采用手抛起飞的方式，但较大型的固定翼无人机则无法采用。

② 需要专业人员操作：固定翼无人机的飞行需要对飞机的副翼、升降舵、油门、方向舵进行综合操作，操作难度相对较高，通常需要具有一定飞行技能和经验的专业人员进行操作和控制。因此相比多旋翼无人机，它的学习难度更大，上手门槛更高。

固定翼无人机的用途如下。

① 长距离侦察：固定翼无人机可以长时间、长距离飞行，因此常被用于执行军事侦察、边境巡逻等任务。

② 地形测绘：固定翼无人机配备地形测绘设备后，可以高效地对地表进行测绘和建图，广泛应用于地理信息系统（Geographic Information System，GIS）等。

③ 农业监测：固定翼无人机配备红外线和多光谱传感器后，可以实现对农田的精准监测和施肥，提高农业生产效率。

1.2　固定翼垂直起降无人机

固定翼垂直起降无人机是一种结合了固定翼和多旋翼优点的无人机，既具备如多旋翼无人机垂直起降的能力，又具备固定翼无人机的长航程和高速飞行特性。这种设计使其在有垂直起降或长距离飞行要求的任务中表现优异。

图1.2所示为一款固定翼垂直起降无人机，这款无人机的整体外形与固定翼无人机相似，可看成在固定翼无人机机体的基础上，在两侧机翼前/后各增加一副由电机驱动的旋翼。

在固定翼垂直起降无人机的起飞阶段，4 个旋翼上的电机启动，推动旋翼产生升力，类似四旋翼无人机的起飞过程。当其上升至指定高度后，机体前部的主发动机启动，同时四旋翼电机功率逐渐减小，由主发动机推动无人机向前飞行，机翼产生的升力能维持无人机自主飞行后，4 个电机关机，仅依靠主发动机进行飞行。该无人机的降落过程与起飞过程相反，主发动机功率减小，由4个旋翼提供升力，直至无人机安全着陆。

图1.2　固定翼垂直起降无人机

固定翼垂直起降无人机多采用汽油发动机进行驱动，也可使用电机进行驱动，而旋翼则只采用电机进行驱动。

固定翼垂直起降无人机的优点如下。

① 垂直起降能力：固定翼垂直起降无人机可以像多旋翼无人机一样垂直起降，不需要长跑道或者滑行道，适用于狭小空间内的起降。

② 长航程和高速飞行：具备固定翼无人机的长航程和高速飞行特性，能够迅速覆盖大范围的区域，提高任务执行效率和响应速度。

③ 适应性强：固定翼垂直起降无人机具备多种飞行模式和能力，适应性强，可以应对不同任务需求和环境条件。

④ 灵活性高：结合了固定翼和多旋翼的优点，具有较高的灵活性和机动性，能够在复杂的环境中进行精确飞行。

固定翼垂直起降无人机的缺点如下。

① 复杂的设计和控制系统：固定翼垂直起降无人机既有垂直起降的多旋翼无人机功能，又支持固定翼无人机的方向舵操作，设计和控制系统相对更复杂，需要高级的飞控技术和系统集成能力，并且对于无人机驾驶员（俗称“飞手”）的技能要求也更高。

② 维护成本较高：由于其复杂的设计和控制系统，固定翼垂直起降无人机的维护成本较高，需要专业技术人员进行维护和保养。

固定翼垂直起降无人机的用途如下。

① 军事侦察：固定翼垂直起降无人机同时具备长航程和高速飞行的能力，可以进行高效侦察和监视目标。

② 城市监测和应急救援：在城市环境中，固定翼垂直起降无人机可以在狭小的空间内垂直起降，执行城市监测和应急救援等任务，提供高效的响应和支援。

③ 科学研究和资源勘查：固定翼垂直起降无人机可以在山区、丛林等复杂地形中进行科学研究和资源勘查，为地质勘探、环境监测等提供可靠数据支持。

1.3　多旋翼无人机

多旋翼无人机是一种以多个旋翼为主要动力装置的无人机，其通常采用4个、6个或8个电机和螺旋桨，分别对应四旋翼、六旋翼或八旋翼无人机，通过不同旋翼的转速变化实现飞行、悬停和转向。

多旋翼无人机具有简单的结构和稳定的飞行特性，因此在航拍、娱乐和科研等领域得到广泛应用。图1.3所示为大疆创新的四旋翼无人机。

图1.3　四旋翼无人机

多旋翼无人机的优点如下。

① 垂直起降：多旋翼无人机可以垂直起降，像直升机，不需要跑道助跑，适用性很强，可在任意地形起飞，甚至可在手上直接起飞（危险动作，不建议新手模仿）。

② 悬停能力：多旋翼无人机结构特殊，使用旋翼产生向上的升力起降，因而具有优秀的悬停能力，能够在空中稳定悬停，有利于执行航拍等任务。

③ 机动性强：多旋翼无人机可通过改变不同电机的转速实现快速转向，能够在狭小的空间内进行灵活的飞行。

④ 相对较低的成本：相比其他类型的无人机，多旋翼无人机通常具有较低的制造、维护成本以及学习成本，适合大众使用。

多旋翼无人机的缺点如下。

① 航程短：由于多旋翼无人机的升降与运动全靠电机旋转产生动力，航程一般较短，飞行时间受限，不能长时间停留在空中。

② 受风影响大：由于结构特点，多旋翼无人机在大风天气下受影响较大，飞行稳定性可能会受到一定影响。

③ 载荷能力有限：多旋翼无人机的载荷能力相比固定翼无人机较低，不适合携带大型传感器或者在较高负载下长时间执行任务。

多旋翼无人机的主要用途如下。

① 航拍摄影：多旋翼无人机具备优秀的悬停能力以及较强的机动性，搭载高清摄像头或者专业航拍设备后，能够轻松实现航拍摄影，为电影、电视、广告等提供高质量的空中影像。

② 娱乐玩具：由于多旋翼无人机的制造、维护以及学习成本较低，小型的多旋翼无人机成为许多人的娱乐玩具。这些无人机可以在室内或者室外飞行，并且凭借较低的上手门槛，能让从未接触过无人机的人快速体验到无人机带来的乐趣。

③ 搜救和监测：多旋翼无人机具有良好的机动性、悬停能力以及能适应复杂场地的起降条件，因此被广泛应用于搜救任务和监测任务，例如在灾区搜索失踪者、监测森林火灾或进行测绘作业等。

前文已简要介绍了无人机的起源和目前3种主流无人机的工作原理、优缺点及其用途，帮助读者对无人机进行初步了解。为了方便读者上手学习，本书选取四旋翼无人机展开讲解，深入探讨无人机的结构组成、组装方法以及操作技巧，为无人机组装、测试飞行和执行任务提供尽可能简明的指导。

第3章 动力系统与遥控系统

3.1　电机与电调

本节介绍无人机动力系统。无人机动力系统是为无人机提供飞行所需动力的一整套系统，主要包括电机、电调、螺旋桨和电池4个部分。本节首先对无人机的电机与电调进行详细讲解。目前无人机所使用的电机主要分为有刷电机和无刷电机两种类型。

3.1.1　有刷电机

有刷电机是一种较为传统的电机，特点是在电机的转子和定子之间使用碳刷和换向器进行电流的换向。这种电机设计相对简单，成本较低，因此在一些入门级无人机和遥控玩具中较为常见，如图3.1所示。有玩过迷你四驱车的读者对有刷电机应该较为熟悉，一般迷你四驱车上的电机属于有刷电机。

图3.1　有刷电机

在无人机领域中，有刷电机通常只用在迷你型穿越机或者塑料玩具无人机中，在进阶无人机领域中多采用无刷电机作为动力源。这是因为有刷电机存在如下许多缺点。

① 效率较低：有刷电机中的碳刷和换向器在工作时会产生摩擦，导致能量损失，降低电机的效率。

② 维护成本高：有刷电机的碳刷会随着使用而磨损，需要定期更换。这不仅增加了维护的工作量，也增加了使用成本。

③ 噪声和振动：碳刷与换向器的接触会在电机运行时产生噪声和振动，不仅影响用户体验，还可能对无人机的稳定性和精确性造成影响。

④ 寿命较短：由于碳刷和换向器的磨损，有刷电机的使用寿命通常比无刷电机短。在需要长时间稳定运行的任务中，该缺点更为明显。

⑤ 热量管理问题：有刷电机在工作时产生的热量需要有效管理，否则可能导致电机过热，影响性能和寿命。

⑥ 性能限制：有刷电机在转速和扭矩上通常不如无刷电机。对于需要高性能和高负载能力的无人机，有刷电机可能无法满足要求。

⑦ 环境适应性：有刷电机由于装有碳刷和换向器，对沙尘、潮湿等环境的适应性较差。无刷电机采用封闭的结构，对环境的适应性更强。

3.1.2　无刷电机

1．无刷电机简介

无刷电机是一种高效率、长寿命的电机，广泛应用于各种现代设备中，包括无人机、电动汽车、家用电器和工业设备等，如图3.2所示。与传统的有刷电机相比，无刷电机在设计和工作原理上显著不同。因此对比有刷电机，无刷电机具有如下多种优点。

图3.2　无刷电机

① 高效率：由于没有碳刷和换向器的物理接触，无刷电机在运行时产生的能量损失更少，因此比有刷电机更加高效。

② 更长的寿命：去除了碳刷这一易磨损的部件，无刷电机的使用寿命更长，几乎不需要维护。

③ 低噪声和不产生火花：无刷电机运行时几乎无噪声，由于没有碳刷与换向器的摩擦，也不会产生火花。

④ 更高的可靠性：无刷电机的结构简单，没有易损耗的碳刷，因此在苛刻的环境下也能保持较高的可靠性。

⑤ 更好的扭矩一致性：无刷电机能够提供更平稳的扭矩输出，在电机从低转速提升至高转速时，电机输出的扭矩基本保持一致。

⑥ 更大的速度范围：无刷电机可以在更大的速度范围内有效运行，且不会损失效率。

2．无刷电机工作原理

无刷电机的关键在于它去除了物理碳刷。在有刷电机中，碳刷用于物理接触换向器，以改变电流方向，从而维持电机的旋转。而无刷电机通过使用电调来控制电流的方向变化，从而避免了物理接触和相关的磨损问题。

无刷电机主要由两个部分组成：定子和转子，如图 3.3 所示。定子是电机当中的静止部分，由多个绕组（线圈）组成，这些绕组在电调的控制下交替通电，产生旋转磁场。而转子则是电机的旋转部分，通常包含一个或多个磁铁，这些磁铁在定子产生的旋转磁场作用下旋转。

图3.3　外转子电机

无刷电机具体的工作过程包括以下几个部分。

① 电调控制：无刷电机的工作由电调控制，电调接收来自无人机飞控的信号，并根据这些信号控制流经定子绕组的电流。

② 产生旋转磁场：当电流流经定子绕组时，会在每个绕组周围产生磁场，通过控制这些绕组的通电顺序，在定子内产生旋转磁场。

③ 磁场与磁铁的相互作用：转子上的磁铁受到定子产生的旋转磁场的作用，产生吸引力和排斥力，这些力促使转子跟随磁场旋转。

④ 调节转速和扭矩：通过改变通电绕组的频率，可以调节旋转磁场的速度，进而控制电机的转速。同时，调整流经绕组的电流大小可以控制电机产生的扭矩。

3．外转子电机与内转子电机

图3.3所示为外转子电机，带磁铁的转子位于整个电机外壳。这种电机具有较大的扭矩，但转速较慢，适合驱动较大的螺旋桨，因此多旋翼无人机或固定翼无人机多采用这种电机作为动力源。另一类型为内转子电机，带磁铁的转子位于电机内部，而外壳内侧带有线圈，如图3.4所示。这种电机的扭矩较小，但转速较高，通常应用于遥控模型汽车等。

图3.4　内转子电机

4．无刷电机的基本参数

挑选无刷电机之前需要比较不同电机的参数，以选出性价比高或满足需求的型号。

电机的选购可以根据其基本参数确定，如尺寸（定子外径和定子高度）、KV值、定子槽数、转子级数、工作电压、最大电流、最大拉力、最大功率和力效等进行选择。表 3.1所示为朗宇电机X4112S电机的参数。

表3.1　朗宇X4112S电机参数

（1）尺寸

讨论无刷电机的尺寸时，通常指无刷电机的定子大小，而非电机外壳尺寸。这是因为无刷电机的性能（扭矩大小和效率等）与定子的大小直接相关。较大的定子尺寸通常意味着电机可以容纳更多的绕组或更大的磁铁，从而提供更高的功率输出和更好的性能。因此，定子尺寸是衡量电机性能的重要指标，能为制造商和消费者提供标准化的参考。相比之下，同样性能电机的转子或外壳尺寸可能因设计和制造过程而变化，不能作为可量化的标准，使用转子或外壳尺寸进行讨论容易引起误解。

电机的定子尺寸包括定子外径和定子高度，如图3.5所示。电机名称通常以定子尺寸命名，例如，朗宇X4112S电机中的数字4112指的就是电机定子的尺寸。其中，前两位数字代表的电机定子外径，单位是 mm；后两位数字代表电机的定子高度，单位也是 mm，即X4112S电机的定子外径为41mm，高度为12mm，和表3.1中的信息一致。通常情况下，定子尺寸越大，电机尺寸也越大，相应地能够提供更强的动力。

图3.5　定子尺寸的定义

（2）KV值

KV值是能够直观表示一个电机性能或该款电机适配什么类型无人机的重要参数。电机KV值表示电机转速与电压之比，单位是r/(min·V)。KV值可表示电机的速度特性，即电机在未承担任何负载且供电电压为1V时的理论转速。

使用式（3.1）可以计算电机空载时不同电压下的转速，从而确定电机是否适合。然而，实际应用中的负载会影响电机的转速和性能，因此在选购时还需要考虑电机的扭矩、最大电流、效率等。

空载转速（r/min）=KV值（r·min^-1·V^-1）×电源电压（V）　　（3.1）

电机尺寸和KV值都会对电机性能产生影响，因此不同尺寸电机的KV值对比并无意义，通常只对同一尺寸电机的不同KV值进行比较。例如，朗宇X4112S电机在官网上显示有3款不同KV值的型号，分别是KV340、KV400、KV450。

理论上，对于同一尺寸的电机，KV值与转速成正比，与扭矩成反比。在相同电压下，KV值较大的电机转速更快，但产生的扭矩较小，适用于较小的螺旋桨；而KV值较小的电机转速较慢，但产生的扭矩较大，适用于较大的螺旋桨。

但以上仅为理想情况下的状态，在实际使用过程中，高KV值的电机可以通过增大电流来驱动较大的螺旋桨，但功耗会提高，力效降低。若要组装对续航有一定要求的无人机，在选购电机时建议优先考虑KV值较小的电机。

（3）定子槽数与转子极数

电机由转子和定子组成。转子由转轴、钕铁硼磁铁组成，定子则由硅钢片、漆包线、轴承等构成。

大多数电机（包括朗宇X4112S）采用12N14P构型。电机构型参数表明其定子上有多少个电磁线圈，以及转子上有多少个磁铁。字母N前面的数字代表定子上的电磁线圈数，称为定子槽数；字母P前面的数字代表转子上的磁铁数，称为转子极数。由于无刷电机是三相电机，磁铁南极、北极成对出现，因此电机槽数是3的倍数，电机极数是2的倍数。

一般而言，定子槽数越多，电机设计越精细，有助于提高效率和减少扭矩脉动，但同时，绕组制作和组装可能更复杂，成本也可能增加。转子极数影响电机的基本转速和扭矩，增加极数会降低电机转速，但能提供更大的起始扭矩。因此，转子极数高的电机适合低速、大扭矩的应用场景。

（4）工作电压

无刷电机的工作电压是指电机正常运行所需的电压。在选购电机时，电机厂家会给出对应的适合电压。例如在表3.1中，朗宇X4112S电机支持的锂电池节数为6S，即使用6S航模电池供电。表3.2列出了该电机在22.2V与25V状态下的拉力表现。

表3.2　朗宇X4112S电机拉力数据

6S航模电池在正常亏电情况下电压为22.2V，满电电压为25.2V，因此该电机适合的工作电压为22.2～25.2V。在低于22.2V的情况下，电机也能够启动，但是其性能相比正常工作电压的情况更差。若电压高于25.2V，电机会处于超负荷运作状态，在这种情况下电机有可能会过热，甚至烧毁。

（5）最大电流

无刷电机的最大电流是指电机在全油门工作中，单个无刷电机所需电流的最大值。最大电流决定了与电机配套的电调型号。电调是为无刷电机提供电流、控制无刷电机转速的装置。如果电调最大的输出电流小于电机最大的输入电流，无人机便无法正常工作。由表3.1可知，官方推荐使用50A电调，这可能并不是性价比最高的方案，读者可参考表3.2并根据实际情况进行选择。

在表3.2中，朗宇X4112S电机使用EOLO CN13*5，即螺旋桨为13寸时，所需最大电流为15.5A。单个电调为单个电机供电，而官方推荐使用50A电调。虽然50A电调远大于15.5A的实际所需电流，搭配该电机不会有问题，但会增大成本。因此在使用13寸螺旋桨时，建议使用20A电调，以节省成本。

同理，在使用15寸螺旋桨时，电机最大输入电流为23.1A，此时不宜再使用20A电调，而应选择25A或30A电调。使用16寸螺旋桨时，电机所需最大输入电流为35.6A，此时需更换为40A电调，或选择官方推荐的50A电调，以保证电调具有足够的冗余。

（6）最大拉力

电机的最大拉力指的是电机在最大功率下所能产生的拉力，这一参数直接决定了该电机是否适合作为无人机的动力源。多旋翼无人机的飞行依赖电机带动螺旋桨旋转，从而产生向上的升力。因此，选购电机时需确保所有电机产生的拉力能使无人机起飞。四旋翼无人机的飞行是本书讨论的重点，即4台电机产生的拉力必须大于无人机自身的重力。

然而在实际飞行过程中，四旋翼无人机的拉力需要分配到多个方面，包括做飞行动作和机动抗风。因此，选购无人机电机时需确保电机最大拉力留有冗余。电机最大拉力之和需与无人机自重成一定比例，这一比例称为推重比。推重比的计算公式如式（3.2）所示。

　　（3.2）

所有四旋翼无人机推重比必须大于1，即电机最大拉力之和大于无人机自重才能起飞。通常情况下多旋翼无人机推重比应为1.6～2.5，推重比过低时动力冗余不足，难以保证无人机的飞行安全，而推重比过高则说明动力系统配置选型不合理，会造成动力的浪费。

一般情况下，电机最大拉力之和的一半等于无人机自重，即半油门情况下无人机可以起飞。此时使用了一半的拉力来保证无人机的上升和下降，剩余一半的拉力用于做飞行动作和抗风，这样能保证在电池电压稍降低后不至于升力不足而坠机。

以朗宇X4112S电机为例，在使用15寸螺旋桨时，单台电机满电最大拉力为3160g，亏电最大拉力为2570g，4台电机拉力总和的一半为6320g或5140g，即6.32kg或5.14kg。因此，这款电机最适合的无人机质量应为5～6kg。

（7）最大功率

最大功率是电机在短时间内可以安全运行而不会过热或损坏的最高功率输出。它通常以瓦特（W）为单位，是电机性能的一个关键指标。这个值并不代表电机可以持续在这个功率水平下运行，而是指在特定条件下，电机可以承受的最高负载。电机的功率可以通过式（3.3）计算。

功率（W）=电流（A）×电压（V）　　 （3.3）

此外，也可以直接从拉力数据表中获取该参数，通常厂商会将其列出。电机最大功率决定了无人机的性能，包括速度、加速度和爬升能力等，高功率电机能够提供更强的拉力。

需要特别关注的是，无人机悬停状态（即半油门状态）下的电机功率。在确定了无人机在悬停状态下的电机总功率后，可以据此计算无人机悬停时间。计算公式如式（3.4）所示。

　　（3.4）

（8）力效

无刷电机的力效通常指的是电机将电能转换为机械能的效率，表示其拉力（或扭矩）与消耗功率之间的关系。在无刷电机的工作过程中，由于自身发热、电流经过电线所产生的损耗，以及不同的螺旋桨在不同转速下受到的空气阻力影响，电能在转化为动能的过程中会产生一定的损耗。

而力效这一指标，代表电机在当前工况下的能源利用率，既电机的能效比。无刷电机的力效可以通过电机拉力与电机当前功率进行计算，具体公式如式（3.5）所示。

　　（3.5）

参考意义比较大的是当电机提供一半最大拉力时的力效，此时无人机为悬停状态。通过对比表3.2当中的数值可以看出，在电压同样为25V的情况下，朗宇X4112S KV340电机为13寸、15寸、16寸螺旋桨分别提供近似一半最大拉力时，力效分别为8.33g/W、8.77g/W、7.27g/W，而其提供拉力的分别是1000g、1250g、2000g。

因此，在需要电机提供1000g左右的拉力时，推荐使用15寸的螺旋桨，此时的力效会更高，电机更节能，续航时间会更长。而当需要电机提供2000g左右的拉力时，15寸螺旋桨力效仅有7.02g/W，此时更换16寸螺旋桨会提供更好的力效，延长续航时间。

从上述例子可知，无人机的动力系统配置并非一成不变，而是需要根据不同任务的需求动态变化，没有最好的配置，只有更适合的配置。

5．无刷电机选购建议

无刷电机作为给整台无人机提供动力来源的部件，在很大程度上决定了一台无人机的性能和可靠性。在选购无刷电机时建议选择比较知名的品牌，如T-Motor、JFRC、朗宇、银燕、致盈动力等。

T-Motor（老虎动力）以其高质量和可靠性著称，这种电机通常用于高性能要求的应用场合。然而，其高昂的价格往往令许多刚入门的组装新手望而却步。在规格相同的情况下，T-Motor的价格通常比其他品牌高出两至三倍，因此仅推荐预算充足的用户选择。

JFRC（飓风电机）以高性价比著称，适用于预算有限但仍希望获得良好性能的消费者。虽然在耐用性上可能不足，但对于大多数中等负载的应用场合已经足够。

朗宇电机在无人机爱好者中广受欢迎，提供了各种型号的电机以满足不同的飞行需求。官方网站设计美观简洁，方便用户查询不同电机的参数。朗宇电机在提供强劲性能的同时，价格也较为亲民，因此特别推荐初学者使用。

银燕和致盈动力的知名度虽然不如上述品牌，但在竞速无人机领域中以产品稳定的性能、优秀的做工和合理的成本效益赢得用户好评，适合预算有限但需要可靠电机的用户。若要组装竞速无人机，银燕和致盈动力是值得考虑的选择。

在大致了解电机品牌后，可开始选择适合的电机。首先，需要预估整台无人机的质量，从而计算单台电机所需提供的拉力。其次，选择一个电机品牌，查看该品牌能够提供的满足需求电机的尺寸。在确定电机大致尺寸后，可在购物网站上搜索该尺寸的电机品牌，比较不同品牌电机在使用同一尺寸的螺旋桨并提供足够升力情况下的力效。对于较大型无人机，建议选择低KV值电机，配合大螺旋桨提供较高力效。最后，查看该电机的价格是否符合预期，如不符合，再挑选其他电机。

3.1.3　电调

电调是一种用于无人机、遥控车、遥控船，以及其他遥控电动设备的电子设备，主要功能是调节和控制电机的转速。对无人机来说，电调是连接电池、飞控、电机的中间设备，可根据来自飞控的信号控制电机的转速，从而达到控制无人机飞行的目的。

1．电调分类与构成

电调可以分为两大类：针对有刷电机的电调和针对无刷电机的电调。两者的主要区别在于控制电机的方式不同。有刷电机的电调相对简单，主要调节通过电机的电流大小来控制电机速度；而无刷电机的电调则更复杂，需要通过精确控制电流流向电机各相位的时序实现电机的驱动，因此无刷电调通常包含更为复杂的电路和控制算法。本书主要介绍无刷电机的电调。

图3.6所示为飞盈佳乐研发的飞龙Lite电调，由输入端、输出端、电调主体和信号线组成。电调输入端为电源输入线，与电池的正负极相连。对于多旋翼无人机，一块电池需要为多个电机或机载设备同时供电，仅依靠电池单独的供电口无法为4组电调或其他机载设备同时供电，因此需要使用分电板，如图3.7所示。

图3.6　飞龙Lite电调

图3.7　分电板

分电板可将一块电池所提供的固定电压和电流分成多份为电调供电，部分型号还集成降压模块，可将较高的电池电压降为机载设备所需要的电压。

在将电调输入端与分电板相连后，电调主体将电池提供的直流电转换成三相交流电输送给无刷电机，信号线连接到飞控或接收机，电调在接收到信号后便可控制输出的三相交流电频率和电流大小从而控制电机的转速大小。

无刷电调的电流大小可以为20A、30A、40A、50A、60A、80A和120A等。无刷电机在不同工作状况下需要不同的电流，需要根据实际情况挑选适合的电调，防止出现电机所需电流超过电调最大承受范围而烧坏电调，或电调支持电流过大造成“大马拉小车”的情况。

2．电调的作用

电调是连接飞控、电池和电机的桥梁，负责精确控制无人机的电机转速和转向。电调通过接收来自飞控的信号，这些信号通常是脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）信号，表示电机应该运行的速度。电调利用这些信号控制电机电源，调整电源的频率和电流，以改变电机的速度。综上所述，电调的具体作用如下。

① 速度控制：电调最基本的功能是根据飞控或接收机发送的PWM信号进行电机调速，从而使无人机实现起飞、悬停、前进、后退、左/右平移以及降落等动作。

② 动力分配：在多旋翼无人机中，电调用于确保每个电机的动力输出均匀，避免因动力不均导致飞行轨迹偏移。

③ 保护功能：电调具备多种保护机制，如过热保护、过载保护、低电压保护等，能够在异常情况下保护无人机的电机和电池，避免损坏造成飞行事故。

④ 能量管理：电调在控制电机的同时，也参与能量的管理和分配，确保电池能量的有效利用，以提高无人机的飞行效率和续航能力。

3．电调的基本参数

（1）持续电流

持续电流是指电调能够长时间稳定提供给电机的最大电流。这个参数对于确定电调和电机是否匹配非常重要。电机的持续运行电流不能超过这个值，否则可能会导致电机或电调过热甚至损坏。在选择电调时，应确保其持续电流高于电机的额定电流，以保证电机正常运行。例如，电机的额定电流是25A，则电调的持续电流应高于25A，可选择30A或者30A以上的电调。

（2）峰值电流

峰值电流是指电调在短时间内能够提供的最大电流，通常出现在电机启动或需要大功率输出的瞬间（如起飞或全油门加速时）。选择电调时，应确保其峰值电流足够应对电机的瞬间负载需求。

（3）适用电池类型

电调通常设计为与特定类型的电池（如聚合物锂电池等）配合使用。电池的放电电压范围应在电调的输入电压范围内，而电调的输出电流能力则需要与电池的放电能力相匹配。通常在电调参数界面会显示该款电调适配的电池节数，如表3.3所示。

表3.3　乐天系列电调参数

（4）适配机架种类

不同的无人机可能需要不同尺寸和形状的电调来适配其机架。电调的尺寸、质量和安装要求（如螺丝孔距、安装孔径等）都是需要考虑的因素。选择电调时，应确保其物理尺寸和安装要求与飞行器的机架兼容，以便实现最佳的空间布局和质量分布。

（5）BEC电调

免电池电路（Battery Elimination Circuit，BEC）电调是一种带有内置电池消除回路的电调。BEC电调的主要功能是为无人机中的接收机、飞控或其他低功率设备提供稳定的低电压供电，从而消除需要独立电源供电这一需求。

BEC电调的工作原理是从主电池取电，然后通过BEC电调回路降压（或在某些情况下升压）到一个固定的低电压（通常是5V或6V），供给接收机和飞控使用。这样即便是在使用高电压电池驱动大功率电机的情况下，接收机等也能获得稳定安全的电源，确保遥控系统的正常工作。

目前常见的BEC电调有两种：线性BEC和开关BEC。线性BEC通过线性电压调节器来降低电压，优点是结构简单、成本低，缺点是效率较低，尤其在输入和输出电压差较大时会产生较多的热量。开关BEC使用开关电源技术转换电压，相比线性BEC，它具有更高的效率，产生更少的热量，尤其适合高负载和高输入电压的应用场景。不过，这种类型的BEC电调价格通常较高，电路也更复杂。

由于分电板引入了BEC功能和小型化的稳压模块，四旋翼无人机所使用的电调已基本不集成BEC功能，只有部分体积较小的无人机、无人船或无人车会使用BEC电调为接收机供电。

4．电调校准

电调校准是无人机在组装完毕后必须进行的测试流程之一，目的是匹配各电调油门行程与遥控器的油门行程，使遥控器油门杆为最高位置时，电调也相应输出最大功率。

常用的电调校准方式有两种：遥控器手动校准和地面站电调校准。地面站电调校准需要使用地面站控制飞控对电调进行校准，校准流程比较简单，本书将在后文介绍，本节主要介绍遥控器手动校准。

不同厂商的电调校准方法有所不同，但大致如下。

确保无人机处于断电状态，并且拆卸了电机的螺旋桨，以防止螺旋桨旋转造成危险。检查遥控器是否与无人机接收机连接，若两者未连接，需要进行对频连接。检查接收机信号线、电调信号线是否与飞控相连。一切检查完成，即可开始无人机电调校准工作。

先打开遥控器，将遥控器油门杆推至最高位置，然后将电池与无人机相连，观察飞控指示灯，当飞控指示灯开始循环闪烁时，代表已准备进入电调校准模式。

此时，断开电池连接，保持遥控器油门杆始终处于最高位置，重新连接电池，电调发出几次“哔”声（“哔”声数量通常表明电池芯数，即3S为3声、4S为4声），代表飞控已进入电调校准模式。

接下来，电调将发出两声“哔”声，代表已记录最大油门。这时候需要将油门杆拉至最低，电调将会发出一声长长的“哔”声，表示已记录最小油门，校准完成。

无人机解锁后，4个电机若同时旋转，代表电调校准完成；若不同时旋转，请重新对电调进行校准。

若校准多次后仍出现解锁后部分电机旋转，部分不转，请将油门杆推至50%以上，观察4个电机是否旋转。若旋转代表校准无误可以试飞，否则需要联系电机或电调商家进行咨询。

5．电机反向操作

对于使用三相交流电的无刷电机，电调与电机之间的3根电线的连接顺序决定了它旋转的方向。在完成电调校准操作后，可以解锁无人机，观察4个电机的旋转方向是否符合图2.1和图2.2中电机的旋转方向，若发现电机旋转方向与正确的旋转方向相反，仅需将3根连接线中的任意两根对调即可改变其旋转方向。

6．电调的选购建议

目前主流的电调品牌有好盈、飞盈佳乐、银燕、T-Motor 等。如果预算充足，可以使用T-Motor电调。T-Motor电调以高性能和出色的耐用性闻名，通常设计得较为复杂，支持多种编程功能，适合高要求的专业应用。

好盈的无刷电调以较高的性价比和稳定性受到众多无人机爱好者的欢迎，提供了多种型号以适应不同大小和类型的无人机。如果需要一款经济实用且性能稳定的电调，好盈是一个值得考虑的品牌。

初学者在选择电调时应该考虑以下因素。

① 电调的持续电流和峰值电流：在选择电调时，首先要确定电机的最大电流，如果电机的最大电流为30A，那么所选电调的持续电流应该大于或等于30A。

出于安全考虑，通常建议选择略大于电机最大电流的电调，以留有足够的电流余量，避免在高负荷工作时损坏电机。

② 品牌口碑与市场占有率：良好的品牌口碑与较高的市场占有率，往往意味着其产品在质量控制和性能表现上都经过了市场的检验。这些品牌的电调通常会采用先进的技术，以提供更好的飞行体验。选择那些提供良好客户服务和技术支持的品牌，可以在遇到问题时更快地获得解决方案，这对无人机初学者来说是非常重要的。

③ 电调的散热设计：电调在大功率工作时会产生大量热量，因此散热设计非常重要。选择电调时，应考虑其散热能力，以及将其放在机身的什么位置。

如果电调处于机身外部，在飞行过程可实现撞风散热，可以选择不带散热鳍片的电调。若电调需要在机臂内部隐藏式安装，在无人机飞行过程中无法撞风散热，那么最好选择带有散热鳍片的电调，确保其在高负荷工作时不会过热。

3.2　螺旋桨

3.2.1　螺旋桨简介

无人机的螺旋桨也称为桨叶，其作用是将电机旋转产生的动力转换为整台无人机飞行所需要的升力，它是整个动力系统的最终执行部件，可类比为汽车的轮胎。汽车产生的动力传递到轮胎上，由轮胎与地面摩擦从而推动车辆前进。螺旋桨需要为无人机提供飞行的升力，同时又需要承担整台无人机自身的重力，保障无人机飞行的安全。因此，挑选合适的无人机螺旋桨十分重要。

螺旋桨的设计、尺寸、材料对无人机的飞行效率和性能都有重要的影响。螺旋桨产生升力可以用伯努利原理与牛顿第三定律来解释。在微观层面，当螺旋桨旋转时，由于桨叶上下表面形状不一致，气流流经桨叶上下表面。根据伯努利原理，上表面气流速度较快导致压力降低，而下表面压力较高，从而形成向上的压力差（升力）。在宏观层面，螺旋桨向下推动空气，根据牛顿第三定律，空气会对螺旋桨施加反向的升力。升力的计算公式如式（3.6）所示。

　　 （3.6）

式中参数说明如下。

是升力，单位为N。

是空气密度，单位为，在海平面标准条件下为。

是升力系数，这是一个无量纲系数，反映了螺旋桨设计的升力效率。升力系数取决于螺旋桨的形状、倾角等条件。

A 是螺旋桨圆盘面积（即螺旋桨旋转时扫过的面积），单位为，可以用圆的面积公式进行计算，其中是螺旋桨的半径。

是螺旋桨圆盘处的空气流速，单位是，与螺旋桨的转速和螺距有关。

从上面的公式中可以看出，能影响螺旋桨产生的升力的主要因素有3个。

（1）升力系数

升力系数由螺旋桨的形状和倾角决定。多旋翼无人机上常见的螺旋桨形状为两叶桨和三叶桨。在半径、倾角和转速相同的情况下，三叶桨相比两叶桨能够提供更大的升力，但相应的阻力也更大。

在介绍电机时提到了力效概念，即拉力与当前功率的比值，螺旋桨也有类似的概念。通常，两叶桨的力效优于三叶桨，因此组装不追求速度、只追求最大运行效率的无人机时，两叶桨是首选。而组装追求极致速度、续航要求不高的竞速无人机时，通常使用三叶桨或五叶桨，如图3.8和图3.9所示，以充分发挥电机的强大动力。

图3.8　三叶桨

图3.9　五叶桨

（2）螺旋桨圆盘面积

该面积取决于对应螺旋桨半径的大小，螺旋桨半径越大，在旋转过程中与空气接触的面积越大，从而产生更大的升力。在表3.2中可以看到，在提供相同拉力的情况下，螺旋桨半径越大，电机产生的拉力越大。

（3）转速

从公式中可以看出，转速对于升力的影响是呈指数级上升的，这也解释了为什么竞速无人机所使用电机的KV值比市面上常见的四旋翼无人机电机的KV值大得多。转速越高，螺旋桨产生的升力越大，才能让竞速无人机在1～2s从静止加速到100km/h。

3.2.2　螺旋桨的分类

螺旋桨按照材质可以分为3类：木质螺旋桨、碳纤维螺旋桨、塑料（尼龙）螺旋桨。

1．木质螺旋桨

木质螺旋桨是组装无人机时传统的选择，如图3.10所示，木质螺旋桨的诞生可以追溯到飞行器刚出现的时期。尽管后来出现许多更先进的材料，如碳纤维和各种合成塑料，木质螺旋桨依然因其特性和美学价值占有一定的市场份额。

图3.10　木质螺旋桨

木质螺旋桨通常由高质量的硬木（如桦木、橡木、胡桃木等）制造，这些材料具有良好的韧性和耐磨性。制作一些高端或定制的木质螺旋桨时，可能会使用多种木材层压结合的方式来进一步优化其性能和外观。

（1）优点

① 吸震性：木质螺旋桨能有效吸收飞行中产生的振动，确保无人机平稳飞行。

② 美学价值：木质螺旋桨具有自然的纹理和温暖的色泽，能为飞行器增加美感。

③ 成本相对适中：相比碳纤维螺旋桨，木质螺旋桨的成本较低，但其成本通常比塑料螺旋桨高。

（2）缺点

① 易受环境影响：木质螺旋桨容易受湿度和温度的影响，可能会发生变形或损坏。

② 强度和耐久性有限：与碳纤维和塑料相比，木材的强度较低，在遭受强烈冲击时比碳纤维或某些合成材料更易损坏。

③ 质量较重：木材的密度较高，比相同尺寸的碳纤维和塑料的质量更大，会增加无人机机体质量，影响飞行效率。

目前，木质螺旋桨主要应用在较大型的固定翼飞行器或航模爱好者制作的复古型无人机中。由于碳纤维材料以及强化塑料材料的出现，木质螺旋桨已基本不使用在多旋翼无人机中。

2．碳纤维螺旋桨

碳纤维螺旋桨是现代航空材料技术的一种先进应用，它具有轻质、强度高和耐用性好的特点，成为高性能无人机和其他飞行器的首选，如图3.11所示。

图3.11　碳纤维螺旋桨

碳纤维螺旋桨由碳纤维复合材料制成，这种材料由极细的碳原子丝（碳纤维）和树脂基质（通常是环氧树脂）组成。碳纤维有着卓越的强度质量比，能够提供比传统材料（如金属或木材）更高的强度和刚度，同时保持轻质的特性。

（1）优点

① 强度高、质量轻：碳纤维具有极高的强度与刚度，同时质量轻。这种特性使得碳纤维螺旋桨能够承受较大的无人机自重，并且不会过多增加无人机的负载，从而提高无人机的载重能力和飞行效率。

② 耐用性强：碳纤维复合材料对多种环境条件（包括湿气、烟雾等）具有很好的抵抗力，这使得碳纤维螺旋桨在各种气候条件下都能保持性能稳定，延长使用寿命。碳纤维材料具有良好的耐摩擦性，可以减少因摩擦导致的损耗。

③ 优异的振动吸收能力：虽然碳纤维较硬，但它的结构特性使其能够有效吸收和减少振动，提供更平稳的飞行体验。

（2）缺点

① 成本较高：碳纤维螺旋桨的制造成本高于木质螺旋桨和塑料螺旋桨，这使得它的价格也相对较高。

② 易损坏：尽管碳纤维螺旋桨具有高强度的物理特性，但它属于脆性材料，容易在受到冲击时损坏，一旦损坏通常无法修复。

高性能无人机对性能和稳定性有较高要求，它们的机身较大且质量较重。在飞行过程中，螺旋桨中部与电机连接的部分需要承受机身的自身重力，而螺旋桨的两端又要提供飞行升力。在此过程中，螺旋桨会发生拉伸变形。承重能力较差的塑料螺旋桨可能会直接变形，而木质螺旋桨本身质量较大。因此，碳纤维螺旋桨已几乎成为组装高性能无人机的唯一选择。

3．塑料（尼龙）螺旋桨

塑料螺旋桨是无人机领域中最常见的螺旋桨，因其成本较低，且能满足基本的飞行需求，从玩具无人机到准专业级无人机都会使用。此类螺旋桨由各种塑料材料制成，包括ABS（丙烯腈-丁=烯-苯乙烯共聚物）、PC（聚碳酸酯）和尼龙等，如图3.12所示。

图3.12　塑料螺旋桨

（1）优点

① 成本低：塑料螺旋桨的最大优点是制造成本较低，适合大规模生产和供应消费市场。

② 质量轻：塑料的密度较低，使得塑料螺旋桨相对于同尺寸的木质或碳纤维螺旋桨更轻，有助于提高飞行效率和延长电池续航时间。

③ 颜色和样式多样：塑料材料易于成型和加工，因此塑料螺旋桨可以很容易地制成各种颜色和样式，满足对外观多样性的需求。

④ 易于替换：由于成本较低，受损的塑料螺旋桨可以很方便地被更换，降低维护成本。

⑤ 安全性：在玩具和娱乐产品中，塑料螺旋桨比起其他螺旋桨更安全，可降低意外伤害的风险。

（2）缺点

① 强度和耐用性相对较低：相比碳纤维或某些高端木质螺旋桨，塑料螺旋桨的强度较低。对于质量较大的无人机，在飞行过程中塑料螺旋桨难以同时承担机身重力与提供飞行升力，容易损坏。

② 性能限制：在高负载或高速飞行条件下，塑料螺旋桨的性能可能不如碳纤维螺旋桨，尤其是在需要高精度和高效率的应用中。

③ 热稳定性：塑料螺旋桨的耐热性不足，特别是使用劣质塑料生产的螺旋桨，由于无刷电机在高强度负载时会产生一定的热量，质量较差的塑料螺旋桨与电机连接的部位有可能因温度过高融化，造成无人机坠毁或射桨。

塑料材料的应用使得无人机的量产与普及成为可能。塑料螺旋桨凭借低廉的价格、足够的强度以及轻便的质量，成为普通中小型无人机的首选螺旋桨。

竞速无人机由于体积小、质量轻，对于螺旋桨强度要求并不高，但竞速无人机速度极快，在飞行过程中经常会出现坠毁的情况。塑料螺旋桨相比碳纤维和木质螺旋桨韧性更强，在发生碰撞后也不容易受损断裂，弯折后也常可以掰直继续使用，即便需要更换成本也很低，因此深受竞速无人机玩家的喜爱。准专业级无人机（如大疆精灵4pro、御2等）或体积较小的无人机也会使用塑料螺旋桨。

3.2.3　螺旋桨的基本参数

1．螺旋桨命名原则

螺旋桨的性能和适用性在很大程度上取决于其主要参数——直径和螺距，这两个参数不仅是螺旋桨设计的核心，也常常用于螺旋桨的命名和分类。螺旋桨的命名形式通常为英文字母+4位数字。其中，前面的英文字母通常为螺旋桨生产厂商名字的缩写，或者厂家不同类型的产品名称；后面4位数字则代表螺旋桨的尺寸大小，其中前两位数字表示螺旋桨的直径，后两位数字除以10则为螺旋桨的螺距，两者的单位均为英寸。

当然，也存在一些特例。当前两位数字大于30时，需要除以10才代表螺旋桨的直径；而后两位数字如果小于10，其数字大小就是螺旋桨的螺距。例如，型号为7037的螺旋桨，其直径为7英寸，螺距为3.7英寸；型号为1508的螺旋桨，其直径为15英寸，螺距为8英寸；型号为1712的螺旋桨，其直径为17英寸，螺距为12英寸。

从这些例子可以看出，螺旋桨的直径一般不会超过30英寸。而螺距一般小于10英寸，但也存在大于10英寸的情况。螺距大于10英寸的螺旋桨，其螺旋桨直径通常也较大。

2．螺旋桨直径

螺旋桨直径是指螺旋桨从一端到另一端的最长直线距离，单位是英寸，如图 3.13所示。直径的大小直接影响无人机的推力和飞行效率。大直径螺旋桨能产生更大的推力，适合低速飞行和需要稳定飞行的无人机，如四旋翼无人机、航拍无人机等；而小直径螺旋桨则使无人机拥有更高的速度和更强敏捷性，适合需快速飞行的无人机，如竞速无人机。

图3.13　螺旋桨

3．螺距

螺距是指螺旋桨完整旋转一周时，理论上可以推动物体前进的距离，如图3.14所示，单位是英寸。螺距的大小由螺旋桨角度决定，在相同转速下，螺距大的螺旋桨每旋转一周理论上能推动无人机前进的距离就越远，意味着其能提供更快的速度，但同时需要的功率也越大。反之，螺距小的螺旋桨提供的速度较低，更适合载重和需长时间悬停的无人机。

直径和螺距的选择需要根据无人机的具体应用和性能需求进行平衡。例如，较大的直径和较小的螺距组合适合需要较大升力和较好悬停性能的无人机（如航拍无人机），而较小的直径和较大的螺距组合可能更适合追求高速飞行的竞速无人机。

图3.14　螺距

4．正/反桨

在2.1节中曾提到，螺旋桨旋转时会产生与螺旋桨旋转方向相反的扭矩，称为反扭矩，使无人机产生自转。为了抵消反扭矩，通常需要在机身上安装一对或多对旋转方向相反的螺旋桨。逆时针旋转的螺旋桨叫正桨（CCW），顺时针旋转的螺旋桨叫反桨（CW）。

针对具有快拆设计的螺旋桨（如大疆精灵系列、御系列无人机所使用的螺旋桨），厂商通常会在螺旋桨上标明螺旋桨锁定与解锁的方向，如图3.15所示。这类螺旋桨通常具有防呆设计，螺旋桨与电机不匹配则无法直接安装。但对于其他单独生产螺旋桨的厂家，往往不会在螺旋桨叶片上做出标识记号，只能由用户自行辨认螺旋桨方向。

图3.15　正/反桨

下面介绍分辨正/反桨的通用方法。固定翼飞机通过机翼上/下表面形状不同，使气流经过机翼的速度不同从而产生升力实现起飞，如图3.16所示。机翼先接触空气的一端（前端）更厚，而机翼后端更薄。

图3.16　机翼剖面

无人机螺旋桨产生升力的原理与此类似，可以将螺旋桨想象成两片安装在桨毂上的机翼，当螺旋桨旋转时，其较厚的一部分先接触空气，如图3.17所示。

图3.17　螺旋桨剖面

先判断电机的旋转方向，然后根据电机旋转方向确定螺旋桨旋转方向，用手触摸螺旋桨确认螺旋桨前端与后端位置，螺旋桨前端比后端更厚，在旋转过程中，使螺旋桨前端作为迎风面，即可确定正/反桨。

3.2.4　螺旋桨的平衡

影响螺旋桨性能的另一个指标是静平衡和动平衡，静平衡是指螺旋桨在静止状态下的质量分布均匀。如果螺旋桨的每个叶片的质量完全相等，并且重心位于旋轴线上，那么它就是静平衡的。动平衡考虑的是螺旋桨在旋转时的平衡性，螺旋桨的动平衡不理想是造成多旋翼无人机在飞行过程中抖动的原因，振动会对飞行控制器的传感器性能造成影响。

测试桨叶的静平衡比较简单，只需要使用图3.18所示的螺旋桨平衡器即可，也可以使用十字螺丝刀制作简易的平衡支架。而动平衡测试则较为复杂，必须在桨叶高速旋转的时候测量其对转轴的作用力变化，如果螺旋桨对称位置上的转动惯量或螺距有略微差异，在高速旋转时会使转轴受力不均匀，从而使无人机产生剧烈振动。

图3.18　螺旋桨平衡器

动平衡测试需要使用动平衡仪，价格较高，不推荐初学者购买。简单的测试方法是将螺旋桨和电机安装在弹性支架上，如果在旋转过程中弹性支架出现明显振动，则说明其动平衡不是很理想。螺旋桨厂商在桨叶出厂时会进行动平衡测试，因此不必太过担心刚出厂的机器桨叶因动平衡不理想而产生问题。对初学者来说，掌握桨叶静平衡测试方法即可。下面将着重介绍静平衡的测试流程。

静平衡是指当螺旋桨静止时，其重心与旋转轴心线重合，没有倾斜或偏移的状态。简单来说，静平衡的螺旋桨可以看作一个完美的天平，两边完全对称，没有倾斜。在理想的静平衡状态下，螺旋桨无论以任何角度放置，都能保持水平或不发生自转。如果螺旋桨的重心不在旋转轴心线上，那么在飞行中就可能产生振动，影响飞行稳定性，甚至可能导致电机或其他部件损坏。

静平衡测试有两种方法，一种是使用图3.18所示的螺旋桨平衡器，可以对小型的螺旋桨进行静平衡测试，这种方法容易实现，成本较低，适合初学者使用。另一种方法是将螺旋桨桨毂穿过铁棒或者一字螺丝刀，并使用书本等物体将螺旋桨两端架起进行测试。两种测试方法大同小异，下面将基于平衡器进行讲解。

平衡器主要由中心固定轴、法兰轴承、三角支架组成，如图3.19所示。三角支架中装有N45高性能磁铁，中心固定轴为铁质材料，因此可以在吸力的作用下悬浮于两块磁铁之间，从而实现图3.18的效果。

图3.19　螺旋桨平衡器零件

在组装好螺旋桨平衡器后，取出中心固定轴，调整两个法兰轴承使其锥形面相对，如图3.20所示。

拆卸其中一个法兰轴承，将螺旋桨装入中心固定轴，再将刚刚拆卸的法兰轴承重新旋入。通过旋转两个法兰轴承将螺旋桨调整到中心固定轴的中间，然后旋紧法兰轴承以固定螺旋桨，如图3.21所示，将中心固定轴放入平衡器。

将平衡器放置在水平面上，任意触碰桨叶一端使其摆动，待其静止后观察桨叶两端是否处于图3.18所示的静平衡状态。若静平衡不理想，桨叶会一边高一边低，如图3.22所示。

图3.20　调整法兰轴承

图3.21　安装螺旋桨

图3.22　螺旋桨静平衡不理想

螺旋桨的静平衡不理想是由于桨叶两端的叶片质量不同，因此只需使两端的质量一致即可解决问题。解决问题的方法有两种：削减法和增重法。

削减法：通过将较重一侧的桨叶用刀削减一部分，或者用砂纸打磨掉一部分，降低这一侧桨叶的质量，从而实现静平衡。但是这种方法属于破坏性且不可逆方法，如果削减得过多，桨叶仍为不平衡状态，需要再对另一边进行削减。对于质量较差的桨叶，削减太多可能造成整体强度下降，轻则无法提供足够升力起飞，重则在飞行过程中破裂造成射桨风险。

增重法：通过在较轻的一侧添加配重，比如粘贴胶带、滴胶水、涂指甲油、喷漆等操作，使两片桨叶质量一致。增重法属于非破坏性方法，即使失误导致这一侧桨叶增重过多，也可进行修正，并且对于桨叶强度影响不大。因此，相比于削减法，更推荐使用增重法。下面以增重法为例，介绍解决螺旋桨静平衡不理想问题的方法，如图3.23所示。

图3.23　增重法

注：为了与黑色桨叶区分，使用彩色胶带进行处理。

① 选取一卷常见且黏性较好的绝缘胶带，使用剪刀将胶带裁剪成长条。将裁剪的胶带轻轻粘贴在较轻一侧的桨叶叶尖部分。需要注意的是此时不要完全粘贴胶带，因为还不确定桨叶是否平衡，后续可能还需要对胶带进行移动或更换。

② 桨叶静止后，如果粘贴胶带的一侧桨叶下沉，则将胶带从叶尖移到靠近桨叶中部的位置，直至螺旋桨两端可以保持水平。

③ 如果粘贴胶带后这一侧桨叶仍然处于较高位置，说明胶带质量还不足以抵消另一侧桨叶多出的质量，此时可以裁剪更长的胶带，粘贴在相同位置。一旦螺旋桨保持水平，就可以把胶带用力粘贴在桨叶表面。需要尽可能使胶带在粘贴后保持平滑，不要留下凸起或者改变螺旋桨形状。

3.2.5　螺旋桨的选购建议

螺旋桨作为无人机升力的来源，其重要性不言而喻。在保证稳定性和效率的前提下，可以选择APC和大疆创新的螺旋桨。除此以外，也可以选择飞越与乾丰的螺旋桨。预算充足的情况下可以考虑前两者，但螺旋桨毕竟是易损件，追求性价比可以选择后两者。而对于较大载重的无人机，建议选择碳纤维螺旋桨。螺旋桨选购建议如下。

① 根据电机的KV值与机架尺寸的不同，选购尺寸合适的螺旋桨。通常来说，在选购机架或者电机时，厂商都会给出推荐的组合配置。如果螺旋桨太小，则不能发挥电机最大的作用；螺旋桨过大，电机会过热，使电机退磁，造成电机性能的永久下降。本书总结出不同尺寸机架与不同KV值电机推荐搭配的螺旋桨，分别如表3.4与表3.5所示。

表3.4　不同尺寸机架推荐搭配的螺旋桨型号

表3.5　不同KV值电机推荐搭配的螺旋桨尺寸

② 根据预算与机架尺寸确定螺旋桨的材质。推荐初学者先用尺寸较小的机架进行练习，小型的机架质量较轻，可搭配塑料螺旋桨，成本较低。在预算充足的情况下，也可以考虑入手碳纤维螺旋桨。

③ 选购螺旋桨保护罩尺寸内的螺旋桨。对于初学者，对无人机操作不熟练造成无人机坠毁的情况是十分常见的。因此，在组装第一台无人机时，推荐选购一款当前机架能够搭载的螺旋桨保护罩。这样既可以在“炸机”时尽量保证螺旋桨不被损坏，也可以避免螺旋桨伤人。

3.3　电池

3.3.1　锂电池的种类

锂电池是一类由锂金属或锂合金为正/负极材料、使用非水电解质溶液的电池。锂电池相比传统的一次性电池、镍镉或镍氢电池拥有更高的能量密度，这意味着它们可以在相对较小的体积内存储更多的能量，因此锂电池体积更加小。

市面上的锂电池种类繁多，常见的有手电筒所用的18650锂电池、电动汽车所用的三元锂电池、磷酸铁锂电池，航模和无人机常用的Li-Po电池。锂电池可根据电池的外形、正极材料、电解液进行分类，如图3.24所示。

图3.24　锂电池种类划分

1．根据外形划分

（1）18650电池

18650电池是较常见的锂电池。这种锂电池以日本索尼公司定下的一种标准型锂电池型号为名，其直径为18mm、高度为65mm，型号中的0表示圆柱形电池。

标准化的尺寸和较低的制造成本，使得18650电池广泛应用于手电筒、蓝牙音箱、充电宝等各类电子产品。

（2）4680电池

受限于固定尺寸，18650电池的单体电池容量难以得到突破。对电动汽车来说，电池的容量决定了续航时长。为此，特斯拉公司推出了4680电池。

这款电池的直径为46mm，高度为80mm，比传统的18650电池尺寸更大；应用了无极耳技术，功率是传统有极耳电池的6倍；降低了电池内阻，减小了电池在充放电过程中的损耗，提升了电池的充放电效率。

（3）软包电池

软包电池也称为软体电池或软壳电池，软包是指锂电池的封装形式，与传统的圆柱形（如18650）和方形硬壳电池不同。这种电池采用柔软的复合铝质膜作为外壳材料，而非硬质金属。软包电池的这种特殊结构使其在多个方面显示出独特的优势，特别适合对质量和形状有特殊要求的应用，例如无人机、智能手机和高性能便携设备。

（4）刀片电池

刀片电池是一种新型锂电池，由我国电动汽车制造商比亚迪首次推出。这种电池的设计理念在于使用超薄、类似于刀片的电池片，从而实现电池的模块化和更高的能量密度。刀片电池的设计不仅增强了电池的安全性，还提高了装车效率，使其在电动车领域应用广泛。

2．根据正极材料划分

根据所使用的正极材料不同，电池可以分为钴酸锂电池、三元锂（镍钴锰）电池、磷酸铁锂电池、锰酸锂电池等。因此一节18650电池可以是磷酸铁锂电池，也可以是三元锂电池或者锰酸锂电池。锂电池使用的正极材料可以根据电池的应用场合进行更改。

（1）钴酸锂电池

在4种不同正极材料制成的电池中，钴酸锂电池的能量密度是最高的，因此相比另外3种，在相同体积的情况下，采用钴酸锂为正极的材料能够容纳更高的能量。手机、平板电脑、笔记本电脑等精密的电子产品对电池体积控制要求比较高，且需要电池能够提供较大的容量、实现较长的续航，通常会采用钴酸锂作为正极材料的软包电池供电。

然而，相对其他3种正极材料，钴酸锂的化学性质比较活泼，在发生电池包刺穿或者弯折短路的情况下，产生的热失控会更猛烈，并且价格也更高。但并不用过于担心电池可能产生的危害，企业一般都会配置电池保护板以防止电池过充或过放。若这类电子产品的电池发生鼓包情况，及时将其送往官方指定维修点进行维护即可。

（2）三元锂电池

三元锂电池又称为镍钴锰电池，特点是正极材料使用了含有3种金属元素，镍（Ni）、钴（Co）和锰（Mn）的化合物。根据这3种元素的元素符号，这种电池也被称为NCM电池。

三元锂电池具有较高的能量密度、较高的充电效率、相对适中的价格，可以在低温下保持正常的容量密度，是目前使用较广泛的一种锂电池。但是，三元锂电池与钴酸锂电池一样，一旦发生热失控便会起火燃烧。

（3）磷酸铁锂电池

磷酸铁锂（LiFePO₄）电池简称为LFP电池。与其他3种电池相比，LFP电池具有安全性强、循环次数长、环境友好、成本低廉等特点。

首先，LFP电池的热稳定性较高，即使在过充或受热的情况下也不易发生热失控，这使得它在安全性方面比其他类型的锂电池更具优势。

其次，LFP电池能够承受数千个充放电周期而不显著降低容量，这使得它具有长达数年的使用寿命。并且与含有钴和镍的电池材料相比，磷酸铁锂是一种更环保的选择。

最后，LFP电池材料中的金属元素相比其他电池材料的金属元素更容易获取，价格更低。以上种种优势使得磷酸铁锂电池在新能源电动车和储能电站中应用十分广泛。但磷酸铁锂电池的能量密度不如三元锂电池，并且在低温中电池密度衰减很快，不适合在寒冷地区使用。

（4）锰酸锂电池

锰酸锂电池的能量密度与磷酸铁锂电池接近，循环寿命是四者中最差的。但因它具有较高的安全性以及四者中最低的价格，特别适合某些需要多节电池串联的快速消耗产品，常用作充电宝内部电池。

3．根据电解液划分

（1）聚合物锂电池

聚合物锂电池又被称为Li-Po电池，使用凝胶状聚合物作为电解液，这种聚合物可以是“干态”或“胶态”。这种材质能够形成薄膜，使电池更薄、更轻。聚合物锂电池广泛应用于智能手机、平板电脑、笔记本电脑及航模无人机等电子设备。

（2）液态锂电池

液态锂电池使用液态有机溶剂和锂盐组成的电解液，通常可提供更高的能量密度。由于技术成熟，液态锂电池的生产成本相对较低，是当前市场上较常见的电池类型，目前圆柱状动力电池多为此类电解液。

（3）固态锂电池

固态锂电池，严格意义上指的是电极与电解液材料均为固态的锂电池。固态锂电池由于不存在液态物质，极大地提高了安全性，特别是在高温环境中或存在物理损伤时可以保证安全。并且固态锂电池的化学稳定性更好，通常能提供更长的使用寿命和更好的循环稳定性。但目前固态锂电池的商业应用还处于研究阶段，未来有望应用于电动汽车和大规模能源存储系统。

目前航模、无人机所使用的大多为聚合物锂电池，如图3.25所示。本书提及的航模电池均为聚合物锂电池。

图3.25　聚合物锂电池

3.3.2　航模电池的参数

1．电压

航模电池是由若干块电压为3.7V的长方形电芯组成的。航模电池通常用“xS”表示有多少块电芯组成，例如3块电芯则用3S表示，4块电芯用4S表示，以此类推。

（1）放电截止电压

放电截止电压是指电池在放电过程中应停止放电的最低电压，以保护电池并避免过度放电。过度放电会损害电池的寿命和性能，甚至可能导致电池永久性损坏或发生安全事故。

航模电池中一块标准电芯的标称电压通常为3.7V，而放电截止电压通常为3.5V。虽然在理论上，电池电量完全耗尽时的电压为2.75V，但当电池放电至电压低于3.5V已经属于过放，可能会使电池鼓包导致永久性损伤（电量无法充满）或直接报废（电池完全无法充电）。因此为了尽量延长电池的寿命，建议电池放电至电压低于3.7V即可充电，最低电压不宜低于3.5V。

而对于由多个电芯组成的电池，其放电截止电压为单个电芯的放电截止电压×电芯数量。例如，对于3S电池（由3个3.7V电芯串联组成），放电截止电压为3.5V×3，即10.5V。

（2）充电截止电压

充电截止电压是指在对电池进行充电时，为了保护电池防止过充应当停止充电的最高电压。过放会导致电池损坏，过充同样也会导致电池性能下降、寿命减少，甚至可能引发安全问题，如电池膨胀或起火。

对于单个锂电芯，充电截止电压一般设定为4.2V。这是为了确保电池在充电过程中的电压不会超过其最大安全电压，从而保护电池免受损害。对于由多个电芯串联组成的电池，充电截止电压是单个电芯的充电截止电压×电芯数量。例如，对于3S电池（由3个3.7V电芯串联组成），充电截止电压为4.2V×3，即12.6V。表3.6所示为常见的1S～6S电池的标称电压、放电截止电压和充电截止电压，供读者参考。

表3.6　电池充放电推荐电压

由于航模电池多由多个电芯组成，要让多个电芯同时获得相同的电压，避免某些电芯过充而某些电芯未充满，则需要使用具有平衡充电功能的充电器。这类充电器具有过充保护装置，可以防止电芯过充，具体内容将在后文进行介绍。

（3）电池存储电压

电池的存储电压是指电池在长时间存储时应保持的理想电压，旨在最大程度减少电池的性能退化。对锂电池而言，推荐的存储电压通常是其额定电压的40%～70%，这有助于防止电池过充或过放，减少化学活性流失，从而延长电池的使用寿命。

由于长时间不使用，锂电池的电量会逐步流失。而锂电池单电芯的标称电压为3.7V，放电截止电压为3.5V。为了保证在长时间不使用时，电池电芯不会因为缓慢放电低于3.5V造成电池损坏，通常厂商建议电池在电压为3.9V的情况下进行保存。

对于部分具有智能保护板的电池，可设置在充满电后多少天将电池电量放至多少，例如大疆无人机的无人机智能电池。而大部分的电池都是不具备智能保护板、没有自放电功能的。对于这类电池，则需要自行检测电池的电压，并使用具有放电功能的平衡充电器对其进行放电操作。

（4）电池电压测量器——万用表和BB响

对于不具备智能电路板的电池，需要手动测量其电压。若无人机配备电流计，操作员可通过飞控的外置电流计从地面站获取电池当前的电压。然而，每次开启无人机和地面站进行操作较为烦琐。更为简便的方法是使用万用表和BB响对电池电压进行测量。

万用表既可以测量电流，又可以测量电压。要测量电压时，只需将万用表调至电压测量挡位，如图3.26所示。需要注意的是，万用表有多个挡位，如果拧到20V挡位，使用万用表只能测量20V以下的电压，对于超过的20V的电压则无法测量。因此建议直接将万用表挡位设置为200V。最后只需要将万用表的红、黑表笔分别与电池的正、负极接口相接，得到的万用表读数如图3.27所示，此时显示的便是当前电池的实时电压。

图3.26　将万用表调至电压测量挡位

图3.27　用万用表读取电池电压

但是万用表只能用于对电池的电压进行测量，并不能实时监测，因为红、黑表笔不便一直与电池相连。因此，需要使用专门为测量航模电池电压所设计的低电压报警器，俗称为BB响，如图3.28所示。这种装置容易购买，有不带壳[见图3.28（a）]与带壳[见图3.28（b）]两种，读者根据喜好进行选购即可。推荐初学者至少购买一个，可以很方便地对电池电压进行监测。

（a）不带壳　　　　　　　　　　　　　 （b）带壳

图3.28　BB响

BB响的使用方法十分简单，将平衡充接口（即图3.29所示的白色接口）与BB响相连即可，具体操作方法如下。

图3.29　BB响连接图

将BB响正面朝向操作者，发声器朝上，针脚朝下。将平衡充接口连接在BB响接口最左侧，保证红线在右侧、黑线在左侧，且第一根黑线要与BB响左侧第一个针脚相连，如图3.29所示。

正确连接后，BB响会以高音量发出“哔哔”两声，然后显示“ALL”，接着显示一个数字，该数字代表的是电池总电压。随后，BB响会依次显示“NO1”，表示第一个电芯的电压。例如，显示“NO1”后接着显示“3.85”，表示第一个电芯电压为3.85V。然后BB响会依次显示“NO2”“NO3”“NO4”“NO5”“NO6”及对应的电压，分别表示第二、第三、第四、第五、第六个电芯的电压（若电池为3S，则只显示到“NO3”，以此类推）。

BB响不仅能够测量电压，还可以进行电压监测报警。使用方法如下：按一下两个喇叭中间的黑色小按钮，BB响会显示数值，并循环显示。显示“OFF”表示关闭报警功能，显示数值则表示BB响的报警电压，即电池中任何一个电芯低于显示（设定）的电压时，BB响便会报警。

例如，若需将BB响的报警电压设置为3.5V，则按动按钮直到BB响显示3.5，设备会自动保存用户当前设定值，几秒钟后会恢复显示当前实时电压。

2．电池容量

电池容量单位为mAh，即毫安时。电池容量代表电池能以某电流持续放电多少小时，例如一块电池的电池容量为2300mAh，表示能以2300mA（即2.3A）的电流放电一小时。

航模电池可选的容量范围很广，一般为450mAh～32000mAh。电芯数量较少的电池容量通常较小，因此多电芯电池的起步容量要比少电芯电池更高。

电池的容量决定了无人机续航时间，对于相同电压即相同电芯节数的电池来说，容量越大，能提供的电能越大，但其电芯的总尺寸及质量也将随之增大。以格氏3S航模电池为例，电池容量为650mAh时电池质量为59g，电池容量为1300mAh时电池质量为121g，容量翻倍的同时质量跟着翻倍还多，电机和螺旋桨需要产生更多的升力来抵消多出的这部分质量。因此，对于给定的无人机，需要在不超出电机和螺旋桨最佳力效的负载情况下，尽可能增大电池容量，以便获得更长的续航时间。

3．电池电量

在讨论电池续航时，电池容量是一个关键参数。容量越大，续航时间通常越长。然而，比较电池的续航时间时，仅考虑电池容量并不充分。容量对比的结论基于相同电压的前提，容量更大的电池提供的电能更多。对于不同电压的电池，需要引入电池电量（单位为Wh）这一参数。

通过式（3.7），可以计算出不同电压的电池容量，从而确定哪个电池提供的电能更多。

　　（3.7）

式中，E表示电池电量，单位为Wh；表示电池的额定电压，单位为V；C表示电池的容量，单位为Ah。以3S电池为例，额定电压为11.1V，电池容量为1800mAh（即1.8Ah），则电池电量为19.98Wh。同理，4S电池的额定电压为14.8V，电池容量为1500mAh（即1.5Ah），电池电量为22.2Wh。

根据上述计算结果可知，4S 1500mAh电池提供的电量（22.2Wh）比3S 1800mAh电池的电量（19.98Wh）更多。因此，尽管4S电池容量较小，但其续航时间可能更长。

4．电池放电倍率

电池放电倍率通常以C为单位，用于描述电池能以多大的电流安全放电，计算公式如式（3.8）所示。

放电倍率（C）=最大持续放电电流（A）/电池容量（Ah）　　　　　　 （3.8）

例如，一个放电倍率为20C的2000mAh电池意味着这个电池可以在3分钟内以最大40A（20×2A）的电流持续放电。电池的放电倍率和电池内阻相关，电池内阻越小，放电倍率越高。相反，电池内阻越大，放电倍率也就越低。在日常使用中，随着电池的充放电次数增多，电池的内阻会逐渐增加，放电倍率逐渐减小。

图3.30所示为一块1300mAh的航模电池在不同放电倍率下，电压随时间变化的曲线。其中横坐标表示时间，单位为min；纵坐标表示电压，单位为V。

15C～25C已属于大放电倍率，仅几分钟电已全部放光，符合航空模型的实际情况。可以看到在放电起始阶段电压曲线下降得很快，随着时间延长逐渐变缓，又在放电即将结束时迅速下降。当电压低于2.5V时，电池很可能已因过放而损坏。同普通干电池（电压慢慢降低）相比，高倍率放电条件下的锂电池电压下降的速度是相当快的，所以使用者必须在电压明显下降且电压高于3.5V时立即停止使用。

图3.30　某电池放电曲线

由此可以得出以下结论。

① 放电倍率越大，电池电压下降越快。

② 放电倍率越大，电池能放出的电量越少。

③ 电池放电截止电压在3.5V附近，若电池电压低于3.5V，电池很容易进入过放状态。

根据放电倍率选择电池时，需要考虑所用无人机的种类。竞速无人机对续航要求不高，但追求极致的速度。这类无人机的电机转速更高，需要更大的电流驱动电机从而爆发出更强的动力，因此这类无人机通常使用小尺寸、高倍率的电池，电池只需要能支撑其高强度飞行5～10min，甚至更短即可。

而对于追求更长续航的航拍无人机，则推荐选择容量更大但放电倍率较低的电池。在同电压、同容量前提下，放电倍率越高，电池价格也就越高。航拍无人机并不追求爆发性动力，提高电池容量以实现更长续航才是关键。

5．电池内阻

电池内阻是指电池在工作时，电流流过电池内部所受到的阻力。这种阻力主要由电池的物理和化学特性决定，包括电池的尺寸、结构、材料以及电解液的性质等因素。电池内阻很小，因此单位通常为mΩ或μΩ。

电池内阻的大小会影响电池的性能，例如，内阻较小的电池放电倍率较大，而内阻较大的电池放电倍率较小。电池内阻较大时，在电池正常使用过程中会产生较多热量，引起电池温度升高，导致电池放电电压降低、放电时间缩短，对电池的性能和寿命造成影响。

由于每个电池的电芯内阻不同，电池厂在生产成品电池时会尽量挑选内阻接近的电芯进行组合，如果电芯内阻相差过大，多个电芯充放电不一致，会导致电池鼓包，影响电池寿命。部分高端的电池平衡充电器具备电池内阻测试功能，可以通过该功能测试电池的内阻大小，判断一块电池的使用寿命。

6．电池接口

电池接口种类繁多，具体接口类型如图3.31所示。不同接口所能承受的电流大小不同，对于无人机最常使用的便是XT30、XT60、XT90这3类接口。这3类接口体积较小，且能够承载的电流比大多数接口更大，更适合无人机这种需要高电流负载的运作场景。

通常来说，航模电池默认是XT60接口，只有部分输出电流较大的电池才会配备XT90接口。因此，在无人机上使用的接口也选择XT60接口即可。

图3.31　电池接口

此外，电池接口分为公头与母头两种类型，如图3.32所示，左侧的接口为XT60母头，右侧接口为XT60公头。公头接口内部为金属突出针，而母头接口内部则为金属导电套筒，刚好可以容纳公头的金属突出针。其他类型接口的公头、母头设计与此大同小异。

电池接口通常采用防呆设计，以防止将电池正、负极反接，造成电子元器件损坏。例如，图3.32中，公头、母头上侧外沿为梯形设计，下侧为矩形设计，该设计即为防呆接口，若方向不正确则无法插入。

图3.32　XT60公头、母头

然而，部分接口的防呆设计并不像XT60接口那样明显。如果发现接口插入不顺利，应检查正、负极是否插反，而不要强行插入。

航模电池通常有两个接口，一个是用于放电的XT系列接口，另一个是白色的平衡头充电接口（XH2.54母接口），简称平衡充接口，如图3.33所示。电池电芯数目不同，平衡充接口的电线线束也有所不同。1S电池的平衡充接口有1红1黑共2根线，2S电池有1红2黑共3根线，以此类推。在平衡充接口中，除了两端固定正、负极的线，其余中间的几条线为正、负极一体，用于连接各个电芯，具体连接情况如图3.34所示。

图3.33　平衡充接口

平衡充接口在充电时能够为不同电芯输送不同电流，实现同时平衡充电，防止不同电芯间电压差距过大导致电芯损坏。由于充电电流相对放电电流较小，平衡充接口的电线比XT60接口电线更细。

图3.34　平衡充接口与电芯的连接

7．最大充电电流

与最大放电电流类似，电池在充电的过程中也有最大充电电流，其电流倍率也以C为单位。通常来说，电池的充电电流并不大，电池包装上的“≤6C”代表电池的充电倍率。在商品详情页当中，商家会标明电池最大充电流与推荐电流。

如果在充电过程中需要快速充电，可在平衡充电器中设置低于最大充电电流的数值对电池进行充电，这要求使用的平衡充电器具有电流调节功能。一些平衡充电器会根据电池类型自动分配充电电流大小，但无法手动更改。更高级的平衡充电器则允许手动选择充电电流，价格也相对较高。

3.3.3　航模电池的日常使用与保养

任何电池都有使用寿命，航模电池也不例外。通常情况下，锂电池使用寿命为300～500次循环。所谓循环是指电池从满电到完全放电，再从完全放电，充至满电的过程，例如从满电使用至50%再充至满电的情况只能算半个循环。

在经历300～500次循环后，电池并不会立即报废，但其健康程度会显著下降。这是因为每次充放电过程中，电池内部的化学成分发生变化，从而导致电池的寿命降低。目前，市面上的高品质电池能够在经历300～500次循环后保持约80%的原始电量存储能力。因此，在多次循环后电池仍然可以继续使用，只是续航能力会下降。

锂电池的使用寿命相对较长。然而，绝大部分航模电池并不是因为多次循环导致健康程度下降而损坏的，而是由于错误的充放电操作、不当的使用方式以及缺乏日常维护保养所致。例如，电池过放可能导致新买的4S航模电池仅使用3～4次便鼓包损坏。为了避免类似情况发生，本书列出一些电池的日常使用与维护注意事项，供读者参考。

1．充电操作

购买新电池后，首先应确定电池的芯数和规格是否与购买时一致，并询问卖家推荐的充电电压，使用万用表或BB响检测电池当前电压。通常，商家售卖的电池属于长期存放电池，电池电压一般为3.7～3.8V。如果新电池为满电或亏电，应询问卖家是否是退货电池，并申请换货或退货。若检查电池电压无误，可使用无人机进行接电测试，检查电池放电是否正常（仅测试放电情况，不可直接进行使用）。

电池检测无问题后，即可对电池进行充电。需要参照电池说明书或询问卖家推荐的充电电流，使用平衡充电器正确设置电池参数，如电池类型（通常为Li-Po）、电池芯数、电池电流，进行充电激活操作。正规厂商生产的平衡充电器具备安全保护功能，因此在确定电池充电参数设置无误后，等待电池充电完成即可。

在日常使用过程中，如无特殊情况，应将充电电流设置为推荐值。如上一次更改过电池充电电流参数，下次充电时应恢复设置，以较大程度延长电池寿命。

2．放电操作

与手机的锂电池不同，手机锂电池自身带有电池充电板，并且手机本身也具有充放电集成电路（Integrated Circuit，IC），在多重保障的情况下，即便将电池电量完全耗尽也不会对其造成过大损伤。而大多数的航模电池本身并不具有电池板，没有电压显示功能（智能电池除外），因此在使用过程中无法实时监看电池的电压大小，很容易造成电池过放，绝大部分的电池损坏情况出现在电池放电这一阶段。航模电池发生过放情况极容易造成电池鼓包导致电池损坏，而且在这种情况下，厂家通常不提供保修服务。所以推荐每位读者在购买电池的同时购买至少一台BB响对电池电压进行实时监测，并购买电流计在飞行过程中对无人机进行监控。

在对无人机进行地面通电检测或为图传等额外设备供电时，最好连接BB响，将电池低电压报警值设置为3.7V。当电池中某块电芯电压低于3.7V时，BB响会发出警报，提醒用户避免电池过放。

而在无人机飞行过程中，由于输出功率较大，电压会急剧下降，造成地面站监控到的单节电池电压低于3.7V，但当无人机降落后，由于电池没有负载，地面站监测到的电池电压会回升至3.7V甚至3.8V以上。实际上电池的电量还有许多，此时将3.7V设置为电池单芯最低电压便会浪费相当多的续航时间。因此，可以将电池的放电截止电压设置为3.5V。

3．长期存储

当需要长期存储电池时，需要将电池的单芯电压设置为 3.85V，对满电的电池以及亏电的电池进行长期存储都对电池的寿命不利。可以使用具有电池存储功能的平衡充电器进行该操作。

若平衡充电器不具备该功能则需要手动操作。对于电压较高的电池需要使用耗电设备（如无人机）对其放电，直至电压降低至3.85V；而对电压较低的电池则需要使用充电器充电，并监测该电池当前电压，当充至3.85V后手动停止电池充电。

在长期存储过程中，需要在常温下存放电池，并且在存放时每三个月时对电池进行一次充放电，以保持电池中化学成分的活性。

4．低温环境使用注意事项

由于聚合物锂电池化学和物理性质的限制，当电池温度低于4℃时，其放电性能会受到影响，能够释放的电能相比常温时有所降低；当温度低于-10℃时，电池性能受到严重影响，可能无法放电。这并不是电池损坏，而是温度过低导致电解液凝固，只需将电池置于常温环境中，待其温度恢复后即可正常使用。因此，应尽量避免将电池放置在低温环境中。

若无人机需要在低温环境中工作，建议先在常温室内将电池充满电，并采取保温措施，例如，将电池放置在保温袋或泡沫箱中，并使用暖宝宝或热水袋等提供热量。在取出电池后，应尽快将其放置于无人机中并启动，无人机工作时电池会产生一定热量，从而维持温度，并且需实时监测电池电压变化。

若长期在低温环境中工作，建议购买专门设计的低温聚合物锂电池。这类电池采用特殊电解液和材料，能够在较低温度下正常工作。

5．保养注意事项

① 在使用电池的过程中应该尽量避免将之与尖锐的金属物体一同放置，以免金属物体刺穿电池造成电池短路起火。

② 尽量避免下雨天使用无人机，如果在飞行过程中遇到下雨，请尽快降落，以防止电池或电机进水短路。

③ 在无人机飞行完毕降落后需要及时将电池取出，一方面防止电池过放，另一方面防止误操作导致无人机伤人。刚飞行完毕的无人机电池温度较高，此时需要等待电池完全冷却才可以充电，防止电池在高温环境或者高温状态充电影响电池寿命。

④ 使用过的电池应与未使用的电池进行区分，可以放置在不同的收纳袋中，或使用不同颜色的标签。在为无人机安装电池后最好对电池电压进行测量，防止飞行过程中电量不足造成无人机坠机。

3.3.4　航模电池的选购建议

1．电池的质量与容量

为无人机选择电池的难点在于电池的质量。通常，根据需要执行的任务选择机架、电机和电调，然后再挑选电池。此时，无人机的载重已经确定，只能在剩余的载重范围内选择电池。例如，无人机的设计总质量为2kg，而除电池外的其他设备质量已达到1.5kg，那么只能选择0.5kg以内的电池。

电池的质量与电池的容量成正比，容量越大，质量也越大。因此，需在不超过设计载重（即0.5kg）的范围内挑选所需电池。例如，可选用4S 5300mAh 45C（477g）、6S 3000mAh 75C（480g）、6S 3300mAh 45C（485g）等型号。具体选择哪款电池需根据所选电机和电调来决定。

2．电池的电压与持续电流

电池的电压与持续电流主要由所选择的电机和电调决定。首先，电机的详情介绍中会标明该电机适配的电压参数，所购买的电池必须符合电机要求的电压。例如，380机架推荐的2212电机，要求使用的电池为3S或4S，则可以选择4S电池进行搭配。再如，适用于550机架的3508电机推荐使用4S～6S电池，则可在此范围内选择。

确定电池电压后，需要根据电机所需电流大小确定电池的放电倍率，即电池需要的最大持续放电电流。通常，该数值为4个电调电流之和。例如，2212电机使用9045螺旋桨时最大电流为18.2A，电调应为20A，4个电机总电调电流为20A×4=80A。4S 5300mAh 45C电池的最大持续放电电流为5.3A×45=238.5A，远大于4个电机所需的总电流，因此可以使用。而4S 2400mAh 30C电池的最大持续输出电流为2.4A×30=72A，不足以支撑4个电机全功率输出，因此尽管是4S电池，但不适合2212电机使用。

对于容量相同但放电倍率不同的电池，例如6S 3000mAh 75C与6S 3300mAh 45C，两块电池质量均在480g左右，此时需根据无人机的用途进行选择。对于航拍无人机，45C电池已经足够，而对于竞速无人机，75C电池则是更优选择。

3．电池品牌选择

国产电池品牌众多，类型丰富。读者可以选择使用信赖的电池品牌，本书推荐初学者使用格氏（格瑞普）电池。该品牌电池种类齐全，信息获取方便，因此深受广大无人机爱好者的信赖。

3.4　平衡充电器

平衡充电器是一种专门用于航模电池充电的设备，它能够确保电池在充电过程中的电压平衡，避免因电压不平衡导致的充电问题，如充电不完全或电池损坏等。平衡充电器的主要功能是通过智能识别电池类型，自动调整输出电压和电流，确保电池能够安全、快速地充电。此外，平衡充电器还能保护电池，延长电池寿命，并具备避免过温、过流、过充、反接的功能，以及自我检测等功能。

3.4.1　平衡充电器的选购参数

1．兼容的电池类型

平衡充电器必须与用户当前使用的电池类型兼容。对于不同类型的电池，需要不同的充电算法以确保兼容。

航模电池通常为Li-Po电池，大部分平衡充电器均支持Li-Po电池。但是部分平衡充电器并不支持为Li-Po电池以外的电池充电，如果想购买平衡充电器为其他电池进行充电，需确保该充电器的型号匹配。

2．电池的电芯数量

平衡充电器应支持所使用电池的电芯数量。例如，对于4S（四电芯）Li-Po电池，平衡充电器应能支持至少4个电芯的平衡充电。部分价格较低的平衡充电器只适配特定电芯数的电池，即这些平衡充电器仅具有支持特定电芯数的平衡充接口。图3.35所示为HOT RC A400充电器，仅具有3S和4S平衡充接口，因此只能为这两类电芯数的电池进行充电，其他电芯数的电池无法连接。

图3.35　HOT RC A400充电器

高端平衡充电器则支持多种电芯数的电池进行充电。通过使用图3.36所示的平衡充转接板，可以将一个平衡充接口拓展为多个平衡充接口，以适配不同电芯数的电池。

图3.36　平衡充转接板

3．最大充电电流和功率

平衡充电器的最大充电电流和功率决定了电池的充电速度。前文提到，电池具有最大充电电流这一参数。如果需要快速充电，可以将充电电流设置为大于推荐充电电流，但不超过最大充电电流，前提是所使用的平衡充电器能够支持如此大的电流输出。

图3.35所示的平衡充电器的最大充电电流为3A，最大功率为40W。这意味着在为3S电池充电时，平衡充电器会以每个电芯4.2V的电压输出，即总充电电压为12.6V，此时充电电流为3A，充电功率为37.8W。考虑到充电过程中电流的损耗，充电功率可能接近40W，即平衡充电器最大充电功率。

对于4S电池，满电流情况下充电功率将达到50.4W，已超出该充电器设计的最大充电功率。此时，充电器的输出电流不会是3A，而是低于3A的电流，以尽可能接近40W的功率运行。具体功耗和电流由充电器内置的电流芯片实时控制。因此，选购平衡充电器时，既要查看其支持的最大输出电流，也要注意其最大输出功率。可以根据电池类型进行手动计算，以确保平衡充电器满足需求。

4．显示屏和用户界面

好的显示屏和用户界面可以使操作更简单明了，查看当前的充电状态、电压、电流和已充电量等信息是很有帮助的。低端的平衡充电器不具备显示屏，无法进行模式选择或者更改电流。而具有模式选择功能的平衡充电器当中，绝大部分为英文界面，用户友好性不高，只有部分高端的平衡充电器才具有中文界面。但此类充电器的价格相比其他类型的充电器来说会更高，需要用户根据自身预算进行考虑。

5．安全功能

平衡充电器的安全功能包括过充保护、输出过流保护、输入过流保护、输出过压保护、过热保护、短路保护和电压监测等。这些安全功能能防止充电时发生意外，确保充电过程的安全，直接关系到电池的使用安全和充电器的可靠性。市面上主流的充电器都具备以上功能，甚至具有更多安全保护功能。但也有少部分劣质平衡充电器产品并不具备此类功能，在选购时务必查看商品详情页是否介绍安全功能。若平衡充电器连基础的安全保护功能都不具备，请不要购买！

6．附加功能

高端充电器除了基础的充电功能，还提供附加功能，例如可选的电池放电模式、电池储存模式和电池内阻测试等。

电池放电模式是指将电池连接平衡充电器后，平衡充电器不是给电池充电，而是消耗电池的电量直至电池电量完全放完，用户可以设置电池的截止电压。

电池储存模式是指针对需要长期存储的电池，通过平衡充电器将电池电压调整至适合长期存储的电压，通常为3.85V。该模式是智能模式，当检测到电池电压低于3.85V时，平衡充电器会为电池充电；若电池电压过高，则会进行放电操作。

电池内阻测试是指通过平衡充电器检测电池各电芯的内阻大小，从而判断电池的健康状态。一般来说，新的或健康的电池内阻较低，而随着电池老化或损坏，内阻会逐渐增大。对于多电芯组成的电池包（如无人机所用的Li-Po电池），电池内阻测试可以帮助用户确认所有电芯的一致性。如果某个电芯的内阻显著高于其他电芯，表明该电芯可能存在缺陷或损耗严重，需要特别注意或更换，以防止电池鼓包产生危险。

3.4.2　平衡充电器的选购建议

平衡充电器的选购相对其他组件来说较为简单，主要根据预算决定。

对初学者而言，第一台无人机通常是体积较小的机型，所需电池通常为3S或4S。此时，选择图3.35所示的HOT RC A400充电器即可，该充电器能够满足大部分无人机的充电需求，且价格较低，对初学者来说是一个不错的选择。部分读者可能使用电芯数更少的2S电池，对于这些读者，如果预算不足，可以选择Imax B3 Pro充电器。这款充电器属于入门级，具有10W功率的2S和3S平衡充电接口，适用于容量较小的2S和3S电池。上述两款充电器的优点是价格较低，适合只需要为单块电池充电、不追求充电速度且预算有限的用户。

对于预算在100元以内，追求更快充电速度和更高充电效率的用户，建议选择功率更大的充电器，如Imax B6AC。这款充电器提供更高的充电功率和更多功能，适合为多块电池或较大容量的电池充电。

对于预算在200元左右，或者对于充电速度有一定要求，希望能尽快充满电池的进阶用户，推荐购买C1-XR平衡充电器，如图3.37所示。该充电器具备进阶用户需要的各种功能，如充电保护、电池放电、电池存储功能、电池内阻测试，并且适配多种电池类型，可以为高电压Li-Po电池充电。C1-XR平衡充电器的最大充电功率为100W，最大放电功率为5W，最大充电电流为10A，最大放电电流为2A，属于性价比较高的高端充电器。它的缺点是只有英文界面，且描述较少，对于新手用户不太友好，但代理商提供的中文操作说明手册对各类功能的介绍足够详细，用户可按照操作手册进行操作。

图3.37　C1-XR平衡充电器

针对预算较高的用户，推荐ToolkitRC M7AC、ToolkitRC M6D、HOTA D6 Pro 3款充电器。

ToolkitRC M7AC充电器兼容多种电池类型，最大充电功率为300W，最大放电功率为15W，最大充电电流为15A，最大放电电流为3A。且该充电器具备多种功能，只需使用原厂附带的电源线进行供电，整体小巧轻便，并能提供高功率充电。

ToolkitRC M6D和HOTA D6 Pro充电器属于双输出充电器，可同时为两块电池进行大功率充电，适合对充电功率要求较高的用户。ToolkitRC M6D双口输出最大功率500W（25A），单口输出最大功率250W（15A）；HOTA D6 Pro双口输出最大功率为650W。这两款充电器的缺点是需要使用体积较大的开关电源进行供电，不能像前面几款充电器仅通过电源线连接机器本体进行供电。这3款充电器均具备中文显示界面，用户体验更好。

若有大功率单块电池充电的需求，推荐购买ToolkitRC M7AC；若需要对多块大容量电池同时进行高功率充电，推荐购买ToolkitRC M6D与HOTA D6 Pro。