2.3　动力

无人机按动力的不同分为油动无人机、电动无人机、油电混合无人机（见图2-3-1～图2-3-3），常用的电池有锂电池、氢燃料电池、太阳能电池（见图2-3-4～图2-3-6）。

2.3.1　常用动力系统

小型无人机（见图2-3-7）的动力系统主要以电动机（见图2-3-8）为主。电动的动力系统主要包含电机、电调、螺旋桨以及电池。

电机是指将电能转化为机械能的一种转换器，由定子、转子、铁芯、磁钢这几个主要部分组成。电机分为有刷电机和无刷电机，无人机的电机主要以无刷电机为主。无刷电机一头固定在机架力臂的电机座上，另一头固定螺旋桨，通过旋转产生向下的推力。

电调是指电子调速器，其主要作用是将飞控板的控制信号转变为电流的大小以控制电机的转速，包括有刷电机电调和无刷电机电调（见图2-3-9）。

螺旋桨（见图2-3-10）是指将发动机转动功率转化为推进力或升力的装置。螺旋桨有两个重要的参数，即桨直径和桨螺距，通常直径单位是英寸（1英寸等于2.54厘米）、螺距单位是毫米，常用的8045桨就是指直径8in、螺距45mm的桨。

无人机上的电池一般是高倍率锂聚合物电池（见图2-3-11），特点是能量密度大、重量轻、耐电流数值较高等。

以上就是小型无人机动力系统的组成部分，这些部分共同组成了无人机中极其重要的动力系统。

普通无人机动力系统通常有电动机以及内燃机两种，其中以电动机为主，见图2-3-8。动力系统各个部分之间是否匹配、动力系统与整机是否匹配，直接影响到整机效率、稳定性，所以说动力系统是至关重要的。不同大小、负载的机架需要配合不同规格、功率的电机，电机并不是越大越好，效率是最关键的因素。单独的电机并不能工作，需要配合电调（见图2-3-9），电调用于控制电机的转速。与电机一样，不同负载的动力系统需要配合不同规格的电调，虽然电调用大了没太大影响，但电调大了机体自然也就重了，效率自然也不会提高。螺旋桨是直接产生推力的部件，同样是以追求效率为第一目的。匹配的电机、电调和螺旋桨搭配，可以在相同的推力下耗用更少的电量，这样就能延长无人机的续航时间。图2-3-10的螺旋桨是有正反两种方向的，因为电机驱动螺旋桨转动时本身会产生一个反扭力，会导致机架反向旋转，而通过一个电机正向旋转、一个电机反向旋转就可以互相抵消这种反扭力，相对应的螺旋桨的方向也就相反了。现今无人机的电池主要以锂聚合物电池（见图2-3-11）为主，手机领域也有部分使用锂聚合物电池的，但这些电池的充、放电能力远远不及无人机的这些电池。而由于这些电池用于无人机的动力系统，所以也被叫作“动力电池”。

2.3.2　电调

电调是无人机动力系统的核心器件。电调全名电子调速器，英文名简称ESC，其在无人机上的主要作用是将直流电转换为交流电、控制电机的转速，其相当于汽车的变速箱。电调按功能分为两种，一种带BEC（BEC即稳压模块，一般是5V稳压给飞控或者接收机供电），一种不带BEC。多旋翼无人机（见图2-3-12）的多数不带BEC，航模则一般用带BEC的。按种类特征的不同，电调可以分为单向电调和双向电调。单向电调不能改变信号，控制电机反转，双向电调则可以控制电机反转（一般用在竞速型的3D机上，可以使竞速机做3D动作）。

电调的选配应注意以下5方面问题。①应关注电调可以通过的电流的大小。应根据电机的最大电流来选配且只能高不能低（一般高5A或者10A）；应遵守电调的规格规定；应留有余量，低了会烧电调，太高则价格太贵。②应注意是否带刹车。竞速机选择带刹车的会比较灵活，普通机带不带刹车无所谓。③应关注是否带过流保护。这一点非常重要，因为飞行的时候没法保证不摔机，当电机被卡住堵转的时候电流会非常大，此时带过流保护的不会烧电调。④应关注响应速度问题。电调就和汽车变速箱一样，响应速度快自然是灵敏的，响应速度慢就像老爷车一样跑不动。⑤应关注电压问题。电压高了会烧电调，电压低了则带不动（一定要和电机匹配）。

2.3.3　动力源

要不断推动无人机飞行性能的发展，动力系统的体积必须越来越小、重量必须越来越轻。当涉及功率密度时可以发现许多瓶颈问题。锂聚合物（Li-Po）和锂离子（Li-ion）电池的体积已经变得很小，价格也在人们的承受范围之内。这归因于手机行业的发展。因此这类电池被广泛使用，故绝大多数（96%）的无人机都使用电池作为动力源。如果仅仅是为无人机系统增加电池数量，并不能延长其飞行时间以及扩展其负载能力。鉴于特定的能源现状，想实现更高的有效载荷和更长的飞行时间就需要考虑以下2个因素，即质量比能和体积比能，质量比能是指每单位质量所具有的能量，体积比能是指每单位体积所具有的能量。当然，仅仅考虑能量源并不是正确的方式，因为整个系统（能源+推进系统）都会影响飞行的性能。如果推进系统（比如涡轮或燃料电池）非常沉重则具有极高能量密度的能源（比如煤油或H₂）并不会起到什么作用。另外，推进系统的效率因素也有很大的不同，电池供电系统可将73%的能量转化为动力，燃料电池可将44%的能量转化为动力，而燃料发动机则仅有39%的能量转化为动力。另一个影响能源用途的因素是其预期的使命，比如无人机应该飞行的时间更长还是携带更高的负荷；无人机应该在有限的半径内飞行还是在遥远的云层之上飞行；这些问题对能源的选择有很大的影响，不同的操作方案要选择不同的能量源。

（1）锂电池

锂电池有很多优势，例如充电方便、在大多数情况下可以没有限制条件地进行运输、没有溢出或发热的情况、通过更换电池块可以很容易地完成能量补充。对于无人机来说，Li-Po和Li-Ion是最常见的动力源，但这并不是唯一的选择。锂亚硫酰氯电池（Li-SOCl₂）与Li-Po电池相比，其每千克的能量密度是Li-Po电池的2倍多，而锂空气电池（Li-air）每千克的能量密度则是Li-Po电池的7倍多，但这两种电池却没有得到广泛的使用，其原因是价格太高。锂硫电池（Li-S）可能会被Li-Ion电池代替，因为Li-Ion电池具有高能量密度，还可以减少硫的使用。

（2）氢燃料电池

氢燃料电池有很多优点，比如没有直接污染、没有声音。将液态H₂与锂离子电池的能量密度相比较，它们之间的系数比是150，仅此一点就足以使氢燃料无人机进军市场。燃料电池开发商巴拉德动力系统的子公司Protonex向波音公司的子公司Insitu提供了他们的质子交换膜（PEM）燃料电池。波音公司生产了军用级和工业级的长航时固定翼无人机，比如“Phantom Eye”和“Scan Eagle”。FSTD Singapore已经在固体氢的需求动力系统领域获得了突破。机器人技术开发商H₃ Dynamics也发布了其手动发射的固定翼无人机“Hy wings”的情况，这款无人机可以飞行10h，飞行范围可达500km。Horizon Unmanned System公司发布的Hycopter无人机可以在零负载的情况下飞行4h，在负载约0.9kg的情况下飞行2.5h。Micro Multi Copter Aero Technology（MMC）公司专门为无人机推出商业化氢燃料电池“H-1燃料电池”。此外，MMC还设计和制造了世界上第一个氢动力无人机“Hy Drone1550”。蒙特利尔某能源技术公司的“H₂ Quad-1000”在有效载荷1kg的情况下可以飞行2h。Intelligent Energy也在销售燃料电池动力无人机，其声称“Intelligent Energy的风冷燃料电池系统在氢气和环境空气的基础上运行，产生清洁直流电源，而电池本身结构简单、重量轻但很坚固，并具有成本效益，这种电池要比以锂电池为基础的系统能量质量比更高并且可以在几分钟内充满电”。

（3）汽油、煤油、甲醇、乙醇、液化石油气、丙烷

目前有许多成熟可用的汽油动力解决方案，其中的一些也具有卓越的飞行性能。UAV Factory公司的“Penguin C”固定翼无人机在油箱加满时可以飞行超过20小时，Siebel的“CAMCOPTERS-100”在油箱装满时可以飞行6个小时。这种能量源的优势在于高质量能量密度（W·h/kg）和体积能量密度（W·h/L）的结合。与Li-Po电池相比，汽油的质量密度是其48倍，而容积密度是其13倍。此外，内燃机坚固、小巧、重量轻，具有良好的耗油率。在耐力问题上，汽油动力无人机的另一个优势是随着时间的推移其重量减轻并使平台更轻，从而增加了飞行范围。

（4）气电混合物

加拿大Pegasus Aeronautics公司和德国柏林YEAIR公司的产品是气电混合引擎的最佳代表。两家公司将电动机的快速反应和汽油动力飞行的优点结合在了一起。

（5）太阳能

过去几年中，太阳能电池的效率不断增加，从10%到近46%，达到了约175W/m²的单位面积功率。很显然，这需要整个机翼的表面覆盖大面积的太阳能板，这样就可以和多旋翼无人机一样进行正常的工作。硅谷的高科技公司也在探索太阳能无人机的潜力，Facebook希望通过其“Aquila”（高空、长航时）太阳能无人机将无线网络带向世界偏僻的角落，另外，还有谷歌现已解散的Titan项目。空客的“西风”无人机是一个高海拔的伪卫星（HAPS），可用来填补卫星和无人机之间的能力差距。“西风”无人机通过太阳能运行，可以在高于对流层天气和商业空中交通的位置飞行，它的飞行高度可达21000m。Open Robotix Labs正在开发一款Mars航空车“XSOL-E1”，这是一款以太阳能提供动力的四轴飞行器，公司的一位发言人介绍其飞行时间取决于很多因素，但一般情况下可通过太阳能辅助技术将原来的15min的飞行扩展到40～45min。

（6）太阳能混合物

太阳能混合物（太阳能+电池）的耐力惊人。Alta Devices和Power Oasis已经宣布他们正合作研发世界上第一个集成太阳能和Li-Ion电池供电系统的小型无人机。无人机的参考架构为2～4m，使用5S～7S锂离子电池。

（7）系留系统

系留系统可以在一个小半径范围内进行无限期的飞行，是监视和侦察的完美选择。MMC公司的“T1”系留系统可以支持多数无人机，比如MMC的“TDrone1200”、大疆的“Matrice600”、DJI的“S1000”、Yuneec的“TyphoonH”、Intel的“Falcon8+”、Microdrones的“md4-1000”等。Bluevigil、Elistair、Drone Aviation Corp和SPH Engineering这些公司也有类似的项目。

（8）超级电容

石墨的单原子层会将超级电容提升到新的高度。2015年2月，通用电气公司赞助超级电容的研究工作。内燃机、燃料电池之类的初级能源作为低功率的持续动力源可以很好地工作，但不能有效地处理峰值功率或回收能源，因为它们放电和充电都十分缓慢。超级电容器在峰值功率需求下可以提供快速爆发的能量，然后迅速存储能量并捕获可能会丢失的剩余动力。电容看起来似乎远远落后于电池的能量密度，但其似乎是一种超级的媒介物，可提升敏捷的油电混合动力配置。

（9）激光

Laser Motive公司已经研发出无人机功率链技术，即一种配备了激光接收器的功率光束无人机。2012年，洛克希德马丁公司在Laser Motive的协助下展示了“Stalker”无人机，这款无人机在激光充电系统的基础上持续飞行了48h。Stalker的项目经理Tom Koonce说“像这样的地对空系统可以让我们为Stalker提供几乎无限的飞行耐力并扩展Stalker可以完成的任务范围” 。德国的Ascending Technologies公司与Laser Motive在2010年通过一架小型无人机证明了这项技术的效率，这架小型四轴飞行器持续飞行了12h。

所有的无人机能量源在特定的任务中都有着各自的优势。混合解决方案（能量源和推进系统）符合向清洁能源过渡的需求。由于混合物可以均衡利弊成为一种单独的技术，所以将两个领域中最好的物质相结合似乎是一个明智的选择。此外，从其他领先的领域（比如汽车）中也可以看到这是一种明智的举动，尤其是当涉及降低未来大规模生产和基础设施的成本时。