fpv compute thrust to weight

fPV計算重量推力

FPV推重比計算－FPV無人機推重比計算與利用的全面分析

介紹
在第一人稱視角 (FPV) 無人機領域，飛行性能是愛好者和專業飛行員共同關注的關鍵因素。在眾多影響飛行特性和操控性的參數中，推重比 (TWR) 是至關重要的指標。 TWR 生動地描述了飛行器產生的總推力與飛行器自身推力之間的關係。 無人機的推進系統 以及無人機自身重量。 TWR 越高，爬升能力越強，反應速度越靈敏，機動性越好；TWR 越低，則會限制飛行器的性能範圍。

本文重點介紹 FPV無人機我們將首先解釋什麼是TWR、如何計算以及它的重要性。然後，我們將討論影響TWR的因素，例如 引擎 表現， 螺旋槳 選擇和電池配置。真實案例將說明如何使用推力數據和總重量計算TWR。最後，我們將探討如何解讀TWR結果並將其用於指導設計決策，確保飛行員能夠達到他們期望的性能和飛行特性。

一、理解TWR的基本概念與重要性

  1. 定義推力重量比（TWR）
    推重比是飛機（或無人機）產生的總推力與其自身重量的比值。由於它是兩種力的比值，因此無量綱（無單位）。其核心公式如下：
行波器=全部的 推力 （北）重量 （北）\文字{TWR} = \frac{\text{Total Thrust (N)}}{\text{Weight (N)}}

這裡，推力和重量都以相同的單位測量，理想情況下是牛頓 (N)。為了獲得有意義的推力比 (TWR)，請確保將重量和推力轉換為一致的單位。例如，如果您以克為單位測量重量，則必須先將其轉換為牛頓，然後再除以推力（牛頓）。

  1. TWR對於FPV無人機的意義
    對於 FPV 無人機來說，TWR 直接影響無人機對飛行員操作的反應，以及其垂直爬升、加速和操控性能。指導原則通常如下：
  • TWR > 1：無人機可以輕鬆起飛和懸停；它還可以執行更動態的機動。
  • TWR ≈ 1：無人機只能在高油門下懸停，機動性有限且反應遲緩。
  • TWR < 1：無人機無法產生足夠的推力來克服重力；它無法起飛。

對於競速無人機、自由式四軸飛行器和高性能構建，高 TWR（e.g推力比（例如 1:1、5:1、10:1 甚至更高）可快速加速、靈活操控和複雜的空中特技。相較之下，攝影無人機或航拍平台通常需要更適中的推力比——僅足以穩定懸停並運載有效載荷即可——儘管一定的推力冗餘仍然有利於安全性和抗風性。

二.如何計算推重比

  1. 資料準備和單位轉換
    要計算 TWR，您需要：
  • 無人機的總重量，包括框架、馬達、電子穩定控制系統、飛行控制器、視訊發射器、攝影機、電池和任何額外的有效載荷。
  • 每個馬達在給定設定（螺旋槳類型、電池電壓等）下產生的推力，通常可以在馬達推力表或製造商資料中找到。
  • 統一的單位，最好重量和推力都使用牛頓。粗略參考：1 公斤 ≈ 9.8 牛頓，1 克 ≈ 0.0098 牛頓。

  1. 公式和簡單範例
    假設一架四軸飛行器重1000克（約9.8牛），每個馬達在全油門時可產生500克推力（約4.9牛）。四個馬達的總推力為4 × 4.9牛 = 19.6牛。因此，推力比（TWR）= 19.6牛/9.8牛 = 2。2:1的推力比意味著無人機可以輕鬆起飛、爬升並進行中等機動。

  2. 將馬達、螺旋槳和電壓連接至 TWR
    在實踐中，改變引擎型號、螺旋槳尺寸或 電池 電壓 （e.g（4S vs. 6S）會改變最大推力。例如，6S 電池上的高千伏特馬達可能會使螺旋槳旋轉得更快，從而產生更大的推力，從而提高推力比。相反， 更重的有效載荷 或性能較低的馬達將降低 TWR。

三、影響推重比的關鍵因素

  1. 馬達性能（Kv、功率範圍和效率）
    馬達的 Kv 額定值（每伏特轉速）、功率輸出能力和效率曲線都會影響推力。在相同電壓下，高 Kv 馬達可實現更高的轉速，使小型高螺距螺旋槳能夠產生更大的推力。然而，更高的 Kv 通常意味著更高的電流消耗、更高的發熱量以及更短的飛行時間。平衡 Kv 和效率至關重要。

  2. 螺旋槳尺寸和幾何形狀
    螺旋槳直徑、螺距和葉片設計顯著影響推力輸出和功耗。大直徑螺旋槳在較低轉速下可以產生更大的推力，效率更高，適合穩定飛行和更大負載。較小、螺距較大的螺旋槳在高速飛行和靈活操控方面表現出色，因此在競速無人機中很受歡迎。請記住，靜態推力測試與實際飛行條件不同——由於螺旋槳效率在流動空氣中發生變化，實際飛行推力可能會減少 20-30%。

  3. 電池容量和放電率
    電池電壓（電池數量， e.g（例如：4S 14.8V 或 6S 22.2V）設定馬達最大轉速。電池容量（mAh）和放電額定值（C 值）決定了它在高油門時提供所需電流的能力。更高的電壓通常可以實現更高的轉速，從而提供更大的推力，並可能提高推力比 (TWR)。但是，必須確保電調和其他電子設備能夠承受更高的電壓。更大容量的電池會增加重量，從而影響推力比 (TWR)，因此需要找到一個平衡點。

  4. 整體減重與結構優化
    減輕無人機重量是提升推力比 (TWR) 的有效方法。更輕的機身、更少的冗餘部件以及更高能量密度的電池將提升您的推力比。減輕重量可確保可用的推力帶來更靈活的飛行和更出色的機動性，因為更少的推力被浪費在克服不必要的重量上。

四、實際案例：從數據到決策
假設您打算用一台 5 英吋的 FPV 四軸飛行器進行自由式和輕型競速混合飛行。假設其總重量 (AUW) 約為 1000 克 (9.8 牛頓)。

  1. 初始參數
  • 重量：1000公克≈9.8牛
  • 馬達選擇：我們選擇一台 2207 馬達。一些測試數據可能表明，在 6S 電壓下，使用某個 5 英吋螺旋槳，每個馬達可以產生約 1600 克的推力（約 15.7 牛）。 *
    （*這只是一個範例圖；實際測試資料會有所不同。）

如果每個馬達的扭矩約為15.7牛，那麼四個馬達的總扭矩約為62.8牛。推力比（TWR）= 62.8牛/9.8牛 ≈ 6.4:1。超過6:1的推力比，讓這款無人機擁有強勁的加速度和出色的機動性，非常適合自由式或中等難度的競速任務。

  1. 不同飛行風格的建議TWR範圍
  • 航空攝影/穩定飛行：~2：1 TWR 或略高即可，為基本升力和穩定性提供足夠的推力。
  • 自由式：~5:1 到 10:1 提供了靈活性和控制力的良好平衡。
  • 賽車：超過 10:1 的比例並不罕見，雖然可以獲得極高的反應速度，但代價是操控更困難且電池消耗更快。
  1. 最佳化方向
    如果您計算出的 TWR 低於 2:1，無人機在沒有加大油門的情況下將難以懸停。為了提高 TWR，請考慮：
  • 使用更高 Kv 值的馬達或具有更大推力輸出的馬達。
  • 從 4S 電池更換為 6S 電池以增加 RPM 和推力。
  • 透過選擇更輕的部件來減輕整體重量。
  • 選擇更有效率、推力更大的螺旋槳。

如果您的 TWR 非常高（e.g.，>10:1），你會擁有爆發力，但可能會發現它過於敏感或難以平穩飛行。為了柔化它：

  • 選擇 Kv 值稍低的引擎或產生較小峰值推力的螺旋槳。
  • 使用針對效率進行最佳化的道具，而不是使用原始推力。
  • 稍微增加無人機的有效載荷（e.g.，添加相機或小配件）以實現更可控的處理。

V. 除了TWR之外還要考慮其他因素
雖然TWR是一項重要指標，但它只是難題的一部分。設計師和飛行員還必須權衡以下因素：

  1. 飛行時間和效率
    更高的推力比通常意味著全油門時功耗更高，電池消耗更快。重視飛行時間的飛行員可能更喜歡低千伏馬達和更有效率的螺旋槳，以在提供合適的推力比和合理續航能力之間取得平衡。

  2. ESC 匹配和電流需求
    提高推力比 (TWR) 可能意味著選擇高電流驅動的馬達和螺旋槳。確保您的電調 (ESC) 能夠承受峰值電流。電調的額定電流（包括持續電流和突發電流）必須超過馬達在高油門下的最大電流。選擇過小的電調可能會造成損壞或故障。

  3. 電池電壓和容量的權衡
    從 4S 切換到 6S 通常會提升 TWR，但需要相容於更高電壓的電子設備。此外，更大的電池可能會增加重量，從而降低 TWR。一個好方法是找到一個最佳平衡點，既能提供足夠的電力，又不會增加太多重量。

  4. 螺旋槳特性與飛行方式
    競速飛行員可能會使用螺距較大的螺旋槳來獲得最高速度和推力，而自由式飛行員可能會喜歡反應更靈敏、推力和效率更均衡的螺旋槳。靜態推力數值僅供參考，但實際飛行性能很大程度取決於螺旋槳在流動氣流中的表現。測試結果和社群回饋至關重要。

VI. 使用 BLDC 馬達推力數據
許多 FPV 愛好者想知道如何取得 BLDC 馬達的推力數據。製造商和第三方評測人員通常會提供推力表，顯示不同油門設定、螺旋槳尺寸和電壓下的推力和電流消耗。這些推力表可以幫助您在購買零件前預測推力比 (TWR)。

例如，如果馬達資料表列出了在特定螺旋槳和電壓配置下全油門時的推力，您可以將其乘以馬達數量，然後除以無人機的總重量來估算推力比 (TWR)。如果預測的推力比 (TWR) 無法滿足您的目標，您可以探索其他馬達、螺旋槳或電池配置。

VII. 案例研究：2207 和 2306 馬達對比
讓我們來比較一下5吋FPV無人機常見的兩種馬達尺寸：2207和2306。

  1. 2207 電機
  • 通常能夠提供較高的最大推力（e.g.，每個馬達超過 1000 克）在 5 英寸設定中，輕鬆實現 5:1 以上的 TWR。
  • 被認為是一種流行的自由式選擇，提供了力量和效率的良好組合。
  • 適合那些想要反應靈敏、功能強大、能夠處理特技和中等比賽的無人機的飛行員。
  1. 2306 電機
  • 可能會產生略低的最大推力（例如，在類似條件下每個引擎約 850 克），從而導致 TWR 略低。
  • 中等油門範圍內可能效率更高，延長飛行時間。
  • 非常適合那些重視平穩飛行和更長飛行時間而非原始動力的飛行員。

從 TWR 的角度來看，2207 引擎可提供更大的原始推力以實現爆發性加速，而 2306 引擎則擅長在中油門時實現更高效的巡航，可能使無人機更容易平穩控制並延長飛行時間。

八、TWR 和飛行控製手感
TWR 也與飛行控制器調校（PID 調校）相互影響。高 TWR 設定即使對油門的細微變化也會反應靈敏，這可能會讓無人機感覺「抖動」。飛行員可能需要調整 PID 增益或油門曲線（曝光）來降低靈敏度。相反，低 TWR 的設置感覺更溫順，儘管它可能缺乏高級飛行員所需的靈活性。飛行控制器調校過程旨在找到合適的平衡點，使無人機感覺可控且可預測。

IX. 影響真實世界行波堆的環境因素
理論 TWR 是在靜態條件下計算的，但現實世界的因素可能會改變無人機的有效推力：

  • 風：強風需要更大的推力來保持位置和高度，從而減少了可用於機動的推力盈餘。
  • 空氣密度：在高海拔或炎熱潮濕的條件下，空氣密度會降低，從而降低螺旋槳效率，降低有效推力。

在高難度條件下飛行時，較高的推力比 (TWR) 可提供安全裕度。如果您預計會有強風或螺旋槳效率降低，請在設計中略微提高推力比，以確保可靠的性能。

十、從理論到實務：設計-測試-飛行循環
在實際的FPV無人機搭建中，計算TWR只是第一步。經驗豐富的飛手通常會遵循以下迭代過程：

  1. 理論計算：
    首先估計 TWR、預測飛行時間並檢查當前要求。

  2. 組件選擇和組裝：
    選擇符合您的 TWR 目標的馬達、螺旋槳、電調和電池。建構原型無人機。

  3. 台架測試和調整：
    在地面進行推力測試，驗證實際測量結果與預測結果是否一致。如有必要，請進行調整。

  4. 初始飛行和 PID 調整：
    在安全區域進行試飛。評估無人機的靈活性是否符合您的預期。如果太過敏感？可以考慮使用更柔和的PID調節或更輕的螺旋槳。如果太遲鈍？可以嘗試使用更高螺距的螺旋槳或更輕的重量。

  5. 最終優化：
    根據飛行經驗，改進您的設置，直到實現適合您的風格（無論是競速、自由式還是穩定的電影）的性能、可控性和效率之間的平衡。

結論
推重比是FPV無人機設計優化的重要指標。它不僅僅是一個簡單的數字，而是馬達性能、螺旋槳特性、飛機重量和電池配置的綜合體現。掌握推重比的計算方法並理解其影響因素，可以指導無人機製造商和飛行員做出明智的決策，最終提升飛行性能和操控手感。

從追求極速加速的高性能賽車手，到追求穩定飛行的空拍攝影師，利用 TWR 數據可以幫助飛行員打造滿足其特定需求的客製化無人機。透過本文提供的見解和範例，FPV 愛好者可以自信地使用 TWR 計算，獲得更有意義、更有效率、更動態的飛行體驗。

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