为什么大疆无人机的续航时间普遍在半小时内，是技术瓶颈还是刻意而为？

为什么大疆无人机的续航时间普遍在半小时内，是技术瓶颈还是刻意而为？

先上结论：续航里程不够是目前技术只能到这一层次

续航里程高低无非就两大方面原因决定：
——电池能量密度高低和
——系统功耗大小
（通俗讲就是用电量大小与储电量高低对比关系）。
1、在电机方面，现在无人机所使用的马达基本为无刷直流电机、高度总结其特点就是用其它电机一半的重量贡献了一样的输出扭矩和转速。
在这几年无刷电机的研发中我们做了大量的工作来优化电机性能、整体功耗已极大降低（相当于原来40%）、部分产品转速高达10万转（kv值更高），我们一直在为行业内提供顶级电机产品



这是通过大量仿真与工程实验得出特定的永磁体构型



这是针对具体应用，验证专用一体转子

预计在今年下半年（最晚7月份），我们会推出更优异（相比市场现有主流电机重量降低10%、功耗降低15%）的马达产品走向市场
2、在电池方面，情况目前很不秒（航空产品对重量高度敏感）。选用放电倍率高的电池如10c、15c系列往往安全系数不够，也就是发热量无法有效控制、容易导致电池自保护而突然断电；选用放电倍率低电池往往马达电流供不上。在技术没有大突破之前这一块策略是采取折中点——针对客户特定无人机（如航拍、植物保护）来提供差异性电池。

增大续航很简单
在现有电池能量密度下，尽可能增大电池重量占比就可以。
现有电池能量密度是多大呢？
以大疆御2Pro为例，是250wh/kg，这个能量密度是现有锂电池技术下最高的。
以大疆air2为例，是270wh/kg，这个概念是什么？世界能量密度最高的量产电池是特斯拉和松下合作搞得特斯拉21700，电池能量密度265wh/kg。（澄清一下，没有说特斯拉21700超过300wh/kg的，各种媒体不知道从哪里得来的300wh/kg，真正用21700的都知道特斯拉电芯能量密度也就5000mah顶天合250-265wh/kg，特斯拉给外面搞新能源的企业的值也是265wh/kg。）
这次atl为大疆定制的电池能量密度已经超过特斯拉，相对上一代250wh/kg也提升了8%。因此它在相同电池质量占比（约23%，算的是电池除去壳，电路板，线以后光电芯的质量）下，比御2Pro续航多了那8%四分钟。
不过你不用指望特斯拉去用atl的电池，atl为大疆定制的电池一直以来的特点就是循环次数低的令人发指，几十次容量就掉到95%90%的不在少数，而容量掉到90%是特斯拉官方报废的容量，在相同情况下，特斯拉21700循环多少次？循环1000+次。要是特斯拉用了atl电池思考一下电池组每500×50=25000km就必须换电池的悲剧，并且大疆的电芯35一块，特斯拉才10块钱一块，差了3倍。而且特斯拉是钢壳不是软包，钢壳相对更安全一些。
电池问题谈完了，我们考虑一下第二点就是电池质量占比。
无人机在天上飞，功率在一定条件下是和重量成正比的，比值一般称作力效，我个人喜欢取相反的，即多少瓦每kg，对于大疆无人机，这一数值是130瓦/kg
所以那些说增大电池容量的小伙伴们可以休息休息了，你吧电池容量翻一倍，由50wh提升到100wh，电池质量也是要翻倍的，带来的是驱动电池的功率翻倍，得不偿失
那么我们怎么增大续航？只能增大电池质量占比，比如原来你电池占比25%，续航30分钟，我给你提升到50%，续航就可以一个小时
那么大疆为什么不提升电池占比，这个原因就很简单了，因为大疆要考虑便携性和电子零件的重量，两者需要妥协，电路板的重量很大很大，往往有200多克，如果这时候你希望无人机总质量是500克，请问留给电池的重量是多少？
可能有小伙伴们要说了，那我增大总重不就行了？假设电路板200克，我把总重由500克提到1000克，电池占比不就由60%提到80%了吗？
事实上，重量增加带来的一个效果是电机质量也增加，不过电机质量虽然增加，电池占比还是可以提升的，不过要慢，要把60%电池占比提到80%，需要500g提到3.5kg即一架air2提到悟2的重量
3.5kg便携性已经完全没有了得不偿失
所以，大疆34分钟是现有的性能和电池占比最佳的妥协。个人组机的话，可以削弱一部分自己不看重的性能来扩大电池占比，比如我，组了一架续航116分钟的机子，摄像头换成720p的网络摄像头，云台也不要了，飞控用的mini版飞控，极限减重，电池占比高达77%。这样机子是符合我的要求的，我组四轴就是纯玩，不怎么看重拍照，不过这样的你会要吗？当然你不会所以续航提不上去。所以还是那句话，自己要不得就必须妥协了，妥协的结果就是30分钟，反对一下楼上某人说的，什么超过30分钟手酸了这种话，我玩2小时都不会酸，四轴又不是数学作业，玩多久都没问题，顺便感谢某老哥为我提供的atl大疆air2的超高能量密度的电芯
对了，还有一个气动外形的因素我没提，之所以没提是因为大疆精灵4机型的桨叶气动结构和电机气动效率都已经挖到底了，旋翼机的气动已经接近尽头了，再砸钱研究估计也就提升个几十秒一两分钟得不偿失，所以气动优化这个就没提。不过，未来也不一定就非得是旋翼机，四轴旋翼机的气动效率是最低的，美国那边搞出来一个蜂鸟仿生飞行器，效率是四轴10倍有余，如果在蜂鸟仿生机里面也做23%电池占比，那这架机子续航就是300分钟，5个小时
不过电机特地问了一下，还是有一些空间可以挖的，据透露djiphantom5的电机改用的2312se电机（名称似乎是这个？）相对于精灵4电机效率提高18%，桨叶优化实际上还也有的挖，不过dji牙膏厂绝对不会那么快的投钱把桨叶效率挖完的（实际上也不多5%-7%？），毕竟目前dji桨叶效率只有两家超过的，不过这两家目前一家体量太小对它没有威胁，一家还没在大陆市场打开知名度，都没有威胁，牙膏厂在没有威胁的时候，牙膏总是涓流挤出的，即一年一个小进步，所以电机效率不会那么快挖完。
不过虽说提升18%，实际上dji效率估计也就提升12%左右，不会太多
所以，dji精灵系列电机力效数据如下：
精灵2 3s   2312 156w/kg
精灵3a Pro se    2312a 140w/kg
精灵4    2312s 130w/kg
精灵5   2312se？  116w/kg？
按这趋势也可以预测一下精灵6的电机
精灵6 2312精灵6版？  109w/kg？
开玩笑的，109w/kg真的有点难做到了，估计电机用的材料估计要死贵死贵的，这点进步还不如电池能量密度提升来的实惠。
不过dji力效提升缓慢我觉得也是桨叶形状问题，因为在现在，dji一向领先的动力系统，已经被一家海外公司道通给赶超了，另一家就不提了。其发布的evo2力效在采用不同桨形情况下，达到了111w/kg（电池82wh，悬停续航35min，重量1200g，电子元件功率约10w），比目前dji全系机型都要高，这个突破真的很了不起，道通桨叶看起来不好看但是实际上空气动力学性能比dji还好，看来道通这桨叶设计优化，比喻一下，dji是匀速小跑，道通是前面睡觉后续冲刺，这真的了不起。那么有人会提到道通跟dji打过官司，道通在dji挖了不少人等等传闻，真相真的是这样吗？欲知真相如何，请戳下文：
拓展阅读：看看dji和道通的恩恩怨怨：
如何评价道通智能在CES2020发布的Autel EVO 2系列无人机 ？

这跟无人机的结构特性及空气动力学等因素有关，在常见的固定翼、多旋翼、直升机之间在同等条件下做比较的话可以大体得出以下几个结论：
续航时间最长的是：固定翼（可以长达数小时）
载重能力最强的是：直升机
操纵简单稳定性强的是：多旋翼
固定翼起飞需要跑道，不过现在有垂起，在测绘领域固定翼是主流，直升机对飞手的操控能力要求高，容易炸机，但在无人机表演里最有看头的表演当属直升机的。
多轴无人机飞行相当平稳，可以轻而易举的做到常规直升机飞机都不好做到的飞行控制能力，现在市面上很多无人机产品普遍采用四轴或者六轴无人机，此类无人机操控性好，能为拍摄头提供稳定的飞行环境。对于航拍这类无人机经常用到的功能，非常适宜。
我们知道植保机大多主流的也是多旋翼，但其也限制在续航跟载重上，加大载重可以，但是同样的电池下续航时间会大幅降低，因此植保机现在也是在续航与载重上做斗争，有人也做出了纯油动多旋翼。
那接下来我们在来科普一下多轴无人机结构跟原理：
下面内容转载于CSDN，作者：Zhang_p_y
原文链接：<a href="http://link.zhihu.com/?target=https%3A//blog.csdn.net/LG1259156776/article/details/48827787" class=" external" target="_blank" rel="nofollow noreferrer">https://blog.csdn.net/LG1259156776/article/details/48827787
旋翼的原理：升力的来龙去脉这是空气动力学中的知识，研究的内容十分广泛，本文只关注通识理论，阐述对翼型升力和旋翼升力的原理。



翼形的升级

根据流体力学的基本原理，流动慢的大气压强较大，而流动快的大气压强较小。由于机翼一般是不对称的，上表面比较凸，而下表面比较平(翼型)，流过机翼上表面的气流就类似于较窄地方的流水，流速较快，而流过机翼下表面的气流正好相反，类似于较宽地方的流水，流速较上表面的气流慢。大气施加与机翼下表面的压力(方向向上)比施加于机翼上表面的压力(方向向下)大，二者的压力差便形成了升力。[摘自升力是怎样产生的]。
所以对于通常所说的飞机，都是需要助跑，当飞机的速度达到一定大小时，飞机两翼所产生的升力才能抵消重力，从而实现飞行。
旋翼的升力飞机，直升机和旋翼机三种起飞原理是不同的。飞机依靠助跑来提供速度以达到足够的升力，而直升机依靠旋翼的控制旋转在不进行助跑的条件下实现垂直升降，直升机的旋转是动力系统提供的，而旋翼旋转会产生向上的升力和空气给旋翼的反作用力矩，在设计中需要提供平衡旋翼反作用扭矩的方法，通常有单旋翼加尾桨式(尾桨通常是垂直安装)、双旋翼纵列式(旋转方向相反以抵消反作用扭矩)等;而旋翼机则介于飞机和直升机之间，旋翼机的旋翼不与动力系统相连，由飞行过程中的前方气流吹动旋翼旋转产生升力(像大风车一样)，即旋翼为自转式，传递到机身上的扭矩很小，无需专门抵消。


而待设计的四旋翼飞行器实质上是属于直升机的范畴，需要由动力系统提供四个旋翼的旋转动力，同时旋翼旋转产生的扭矩需要进行抵消，因此本着结构简单控制方便，选择类似双旋翼纵列式加横列式的直升机模型，两个旋翼旋转方向与另外两个旋翼旋转方向必须相反以抵消陀螺效应和空机动力扭矩（通俗的来说一部分能量被这样内耗了，打个不恰当的比喻：如果把旋翼比作人的话，一个人是龙，多个人在一起合作就变虫 了）。
结构形式
旋翼对称分布在机体的前后、左右四个方向，四个旋翼处于同一高度平面，且四个旋翼的结构和半径都相同，四个电机对称的安装在飞行器的支架端，支架中间空间安放飞行控制计算机和外部设备。结构形式如图 1.1所示。


2.工作原理
四旋翼飞行器通过调节四个电机转速来改变旋翼转速，实现升力的变化，从而控制飞行器的姿态和位置。四旋翼飞行器是一种六自由度的垂直升降机，但只有四个输入力，同时却有六个状态输出，所以它又是一种欠驱动系统。


四旋翼飞行器的电机 1和电机 3逆时针旋转的同时，电机 2和电机 4顺时针旋转，因此当飞行器平衡飞行时，陀螺效应和空气动力扭矩效应均被抵消。
在上图中，电机 1和电机 3作逆时针旋转，电机 2和电机 4作顺时针旋转，规定沿 x轴正方向运动称为向前运动，箭头在旋翼的运动平面上方表示此电机转速提高，在下方表示此电机转速下降。
（1）垂直运动：同时增加四个电机的输出功率，旋翼转速增加使得总的拉力增大，当总拉力足以克服整机的重量时，四旋翼飞行器便离地垂直上升；反之，同时减小四个电机的输出功率，四旋翼飞行器则垂直下降，直至平衡落地，实现了沿 z轴的垂直运动。当外界扰动量为零时，在旋翼产生的升力等于飞行器的自重时，飞行器便保持悬停状态。
（2）俯仰运动：在图（b）中，电机 1的转速上升，电机 3 的转速下降（改变量大小应相等），电机 2、电机 4 的转速保持不变。由于旋翼1 的升力上升，旋翼 3 的升力下降，产生的不平衡力矩使机身绕 y 轴旋转，同理，当电机 1 的转速下降，电机 3的转速上升，机身便绕y轴向另一个方向旋转，实现飞行器的俯仰运动。
（3）滚转运动：与图 b 的原理相同，在图 c 中，改变电机 2和电机 4的转速，保持电机1和电机 3的转速不变，则可使机身绕 x 轴旋转（正向和反向），实现飞行器的滚转运动。
（4）偏航运动：旋翼转动过程中由于空气阻力作用会形成与转动方向相反的反扭矩，为了克服反扭矩影响，可使四个旋翼中的两个正转，两个反转，且对角线上的各个旋翼转动方向相同。反扭矩的大小与旋翼转速有关，当四个电机转速相同时，四个旋翼产生的反扭矩相互平衡，四旋翼飞行器不发生转动；当四个电机转速不完全相同时，不平衡的反扭矩会引起四旋翼飞行器转动。在图 d中，当电机 1和电机 3 的转速上升，电机 2 和电机 4 的转速下降时，旋翼 1和旋翼3对机身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4对机身的反扭矩，机身便在富余反扭矩的作用下绕 z轴转动，实现飞行器的偏航运动，转向与电机 1、电机3的转向相反。
（5）前后运动：要想实现飞行器在水平面内前后、左右的运动，必须在水平面内对飞行器施加一定的力。在图 e中，增加电机 3转速，使拉力增大，相应减小电机 1转速，使拉力减小，同时保持其它两个电机转速不变，反扭矩仍然要保持平衡。按图 b的理论，飞行器首先发生一定程度的倾斜，从而使旋翼拉力产生水平分量，因此可以实现飞行器的前飞运动。向后飞行与向前飞行正好相反。（在图 b 图 c中，飞行器在产生俯仰、翻滚运动的同时也会产生沿 x、y轴的水平运动。）
（6）倾向运动：在图 f 中，由于结构对称，所以倾向飞行的工作原理与前后运动完全一样。

有人改过御的电池，两块绑一起，一块续航30分钟，两块只有45分钟。
原理不大懂，大致意思是增加电池重量所获取的收益不划算。
还有，连续飞半小时无人机是很累的

利益相关：这是大疆本疆。
先说结论：消费级无人机的续航时间，是大疆在目前技术水平下，在重量（便携性）、价格和续航性能（航拍体验）之间达到的相对不错的平衡。


如何找到那个平衡点？

关于续航时间，有这么一条公式：续航时间=电池总容量 /（动力系统功耗+航电功耗）。
当功耗一定时，当电池总容量越大，续航时间越长。只是，在储电技术没有根本性变革的前提下，电池储能密度提升空间不大，要提升储电总量就需要用更重、更多的电池。以此方式来提升续航时间并无太大技术难度，只是增加电池数量或单个重量的同时，也会增加机身重量，从而导致功耗的提升。
如此可见，当电池总容量增加到一定值后，对于续航时间的提升必然开始减弱。这时候继续加大电池投入，边际效益反而会逐步下降。
另外，在消费级无人机开发中，我们更倾向于轻巧便捷的产品，这样才方便让更多用户体验航拍的乐趣。比如说在设计“御”系列无人机时，我们内部就有“把Mavic做到一瓶矿泉水重量大小”的提议。而盲目加大电池总容量，对续航提升有限，还会牺牲无人机的体积和重量，在我们看来是不可取的。



跟一瓶矿泉水差不多大的 御 air 2，单手既可握持

既然电池储能密度瓶颈短期内难以突破，就需要基于于非常强大的仿真平台和相应技术沉淀，通过严格的计算和实验，在无人机性能、体积和重量等实现综合效率最高的前期下，前期对飞机的续航及机动性能做严谨的正向设计，计算出飞机的最大续航时间。并且，研发期间通过多轮仿真和打样实验，测试飞机的对应物理性能和理论值的差异，反复迭代达到性能、体积、重量和时间等指标的最佳组合。

既要续航强，又要重量轻，大疆是怎样做到的？

与此同时，在减低动力系统和航电功耗方面，我们也做了很多工作。较低的功耗水平也极大帮助我们实现性能强大和轻巧便捷的统一。
动力系统功耗跟重量息息相关。在控制重量这件事上，我们从飞行器总体设计这一门成熟的学科出发，对各个模块的重量占比做了严格的统筹规划，对飞机的续航及机动性能做了严谨的正向设计，在无人机研发项目极其早期、甚至外观雏形都没有锁定的时候，就能计算出飞机的最大航时以及各个模块的重量收敛目标。
看似微小的几分钟续航提升，但需要不同领域的工程师在各自的业务范围内，把飞机重量管控到极致。
就举大疆最新发布的 御 air 2来说。第一代Mavic Air的机臂折叠方式并不完美，飞行器在桨盘尺寸、桨盘遮挡面积、气动效率上还有一定的提升空间。也就是说，沿用 Mavic Air 第一代的外型，相同的体积重量下续航时间的天花板比较难突破。因此，我们在Mavic Air 2的造型轮廓上做了更激进的尝试，力求使产品性能“更进一步”。于此同时，通过仿真和打样实验，我们真的做到了一毫米一毫米地扣每个零部件的尺寸，以及对应的物理性能。



御 Air 2 测试机迭代

在航电功耗控制的问题上，经过多年的技术积累和迭代优化，大疆无人机上的核心电路板具备非常高的集成度与性能密度，对航电功耗的控制达到业内较高水平。
<hr/>不是简单堆砌参数，而是通过在每个维度做技术优化和挖潜来提升用户综合体验，这是我们的产品理念，也是我们考虑产品续航问题时的首要出发点。
毕竟，技术指标只是产品力的一个基础，我们追求的是将航拍飞行器背后晦涩艰深的技术转化成用户畅快安心的体验。

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