無人機飛行原理

單元2無人機飛行原理2.1無人機飛行動力學坐標系一、坐標定義在無人機飛行動力學研究中，需要用到許多坐標系，因此，理解各個坐標系的含義以及各個坐標系之間的關系就十分重要。無人機一般飛行速度較小、高度較低，在建立其運動方程時，可以將大地假設為平面，不考慮大地的曲率和旋轉影響。2.1無人機飛行動力學坐標系一、坐標定義在無人機飛行動力學研究中，需要用到許多坐標系，因此，理解各個坐標系的含義以及各個坐標系之間的關系就十分重要。無人機一般飛行速度較小、高度較低，在建立其運動方程時，可以將大地假設為平面，不考慮大地的曲率和旋轉影響。2.1無人機飛行動力學坐標系與其他學科相比，無人機等飛行器飛行動力學研究中使用的坐標系數(shù)目相對較多，這是因為所涉及到的力、力矩和運動變量多，而且規(guī)律復雜。無人機飛行動力學研究中，一般采用直角坐標系，并遵循右手法則。在定義直角坐標系時，需要明確規(guī)定：原點O的位置；基準平面，即包含兩個坐標軸（如軸x和y）的平面的取向；其中一個軸（如軸x）在基準平面中的取向。2.1無人機飛行動力學坐標系二、常用坐標系在研究無人機飛行運動中，常用的坐標系有以下幾種：1、地面坐標系（Sg）地面坐標系與大地固聯(lián)。原點Og選擇在大地中的某點，通常（但不一定）是地球表面上的點；軸zg鉛垂向下；軸xg在水平面內，其方向可任意選擇，通常與飛行任務相關；軸yg按右手法則確定。地面坐標系的主要作用，是衡量飛行器位置和姿態(tài)的基準。2.1無人機飛行動力學坐標系2、本體坐標系（Sb）本體坐標系與飛行器本體固聯(lián)。原點Ob取飛行器質心；縱向軸xb沿飛行器結構縱軸向前；豎向軸zb在對

稱平面內，垂直于縱軸，指向下；橫向軸yb垂直于對稱平面，指向右方。本體坐標系與飛行器的姿態(tài)密切相關。2.1無人機飛行動力學坐標系3、氣流坐標系（Sa）氣流坐標系與飛行器空速矢量Va和飛行器本體相聯(lián)系。原點Oa取飛行器質心；縱向軸xa沿空速矢量Va，指向前；豎向軸za在對稱平面內，垂直于空速矢量Va；ya垂直于xa和za，指向右方。氣流坐標系一般在涉及到飛行器空氣動力學建模時使用。2.1無人機飛行動力學坐標系4、航跡坐標系（Sk）航跡坐標系由飛行器航跡速度矢量Vk決定。原點Ok取飛行器質心；縱向軸xk沿飛行器航跡速度矢量Vk；軸zk在通過于航跡速度矢量的鉛垂平面內，垂直于航跡速度矢量，指向下；yk垂直于xk和zk，指向右方。航跡坐標系一般在描述飛行器飛行軌跡運動建模時使用。2.1無人機飛行動力學無人機飛行動力學建模無人機飛行運動的建模，是其飛行動力學研究的基礎。在建立無人機運動模型，即運動方程時，一般采用平面大地假設，不考慮大地的曲率和旋轉影響。無人機的飛行運動，可作為剛體運動進行分析，即包含質心的線運動以及繞質心的旋轉運動。因此在建立無人機運動數(shù)學模型時，需要分別建立其質心運動方程和旋轉運動方程。2.1無人機飛行動力學其中為無人機質量，為無人機質心運動速度，即飛行航跡速度，為推進力，為空氣動力，為重力加速度。無人機飛行動力學建模質心運動方程和旋轉運動方程分別由動力學方程和運動學方程組成。無人機質心動力學方程無人機質心動力學方程主要描述無人機質心加速度與作用力之間的關系，其基本形式為：2.1無人機飛行動力學無人機操縱的基本概念一、俯仰操縱使飛機繞橫軸（z軸）作俯仰（縱向）運動的操縱叫俯仰操縱，也稱縱向操縱。通過推、拉駕駛桿，使飛機的升降舵（或全動平尾）向下或向上偏轉，產生俯仰力矩，從而使飛機低頭或抬頭作俯仰運動。2.1無人機飛行動力學無人機操縱的基本概念二、方向操縱使飛機繞立軸（y軸）作偏航運動的操縱叫方向操縱，也稱航向操縱。

通過蹬腳蹬，使飛機的方向舵向左或向右偏轉，產生偏航力矩，從而使飛機向左或向右作偏航運動。2.1無人機飛行動力學無人機操縱的基本概念三、側向操縱使飛機繞縱軸（x軸）作滾轉（傾側）運動的操縱叫側向操縱。通過左壓或右壓駕駛桿（左轉或右轉手輪）使飛機的左、右副翼一側向下另一側向上偏轉，產生滾轉（傾側）力矩，從而使飛機向左或向右作滾轉（傾側）運動。2.1無人機飛行動力學無人機操縱的基本概念四、方向操縱與側向操縱在實際飛行中，方向操縱和側向操縱也是不可分的，經常是相互配合、協(xié)調進行，因此方向操縱和航向操縱也常合稱為“橫側向操縱”。2.1無人機飛行動力學無人機操縱的基本概念無人機的操縱性與飛機的穩(wěn)定性：無人機的操縱性與穩(wěn)定性之間是一對矛盾關系，操縱性好—放寬穩(wěn)定性；穩(wěn)定性好—放低操縱性。因此在飛無人機設計時必須統(tǒng)籌考慮，協(xié)調處理，根據(jù)不同需要協(xié)調操縱性與穩(wěn)定性的指標（如長航時高空無人機更強調穩(wěn)定性，無人作戰(zhàn)機必須有較好的機動性）。2.1無人機飛行動力學無人機穩(wěn)定性對于一個處于平衡狀態(tài)的系統(tǒng)，在受到擾動作用后都會偏離原來的平衡狀態(tài)。若系統(tǒng)在擾動作用消失后，經過一段過渡過程后，系統(tǒng)仍然能夠回復到原來的平衡狀態(tài)，則稱該系統(tǒng)是穩(wěn)定的。否則，則稱該系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。2.1無人機飛行動力學無人機穩(wěn)定性一、穩(wěn)定條件欲使處于平衡狀態(tài)的物體具有穩(wěn)定性，其必要條件為：物體在受到擾動后能夠產生穩(wěn)定力/力矩，使物體具有自動恢復到原來平衡狀態(tài)的趨勢；在恢復過程中同時產生阻尼力/力矩，保證物體最終恢復到原來平衡狀態(tài)。2.1無人機飛行動力學無人機穩(wěn)定性二、飛行穩(wěn)定性處于平衡狀態(tài)的飛行器，受外界干擾后不需要進行操縱干預，靠自身特性恢復原來狀態(tài)的能力。外界干擾可以是飛行中氣流的影響，飛行器重量、重心的改變、發(fā)動機推力的改變等等。2.1無人機飛行動力學無人機穩(wěn)定性三、平衡狀態(tài)飛行器在飛行時，所有的外力與外力矩之和都等于零的狀態(tài)稱之為飛行的平衡狀態(tài)。勻速直線運動是一種平衡狀態(tài)。2.1無人機飛行動力學無人機穩(wěn)定性四、飛行穩(wěn)定條件在飛行中，如果無人機由于外界瞬時微小擾動而偏離了平衡狀態(tài)，這時若在無人機上能夠產生穩(wěn)定力矩，使其具有自動恢復到原來平衡狀態(tài)的趨勢，同時在無人機擺動過程中，又能產生阻尼力矩，那么無人機就能自動地恢復到原來的平衡狀態(tài)，也就是說無人機具有穩(wěn)定性；反之，若無人機偏離平衡狀態(tài)后產生的是不穩(wěn)定力矩，那么它就會越來越偏離原來的平衡位置，因而是不穩(wěn)定的，也就是沒有穩(wěn)定性。顯然，為了保證飛行安全和便于操縱，無人機應當具有良好的穩(wěn)定性。2.1無人機飛行動力學無人機穩(wěn)定性1、通常將穩(wěn)定性分成靜穩(wěn)定性和動穩(wěn)定性：如果無人機在受到外界干擾后，在最初瞬間所產生的是恢復力矩，使其具有自動恢復到原來平衡狀態(tài)的趨勢，則稱無人機具有靜穩(wěn)定性；反之，若產生的是不穩(wěn)定力矩，無人機便沒有自動恢復到平衡狀態(tài)的趨勢，故稱為靜不穩(wěn)定性。靜穩(wěn)定性只表明無人機在外界擾動作用后的最初瞬間有無自動恢復到原來平衡狀態(tài)的趨勢，并不能說明其能否最終恢復到原來的平衡狀態(tài)。2.1無人機飛行動力學無人機穩(wěn)定性如果無人機在外界瞬時擾動作用后，能自動恢復到原來的平衡狀態(tài)，則無人機具有動態(tài)穩(wěn)定性。動態(tài)穩(wěn)定性研究的是整個擾動運動過程的問題。靜穩(wěn)定性和動穩(wěn)定性之間有著非常密切的關系。一般來說，只要恰當?shù)剡x擇靜穩(wěn)定性的大小，就能保證獲得良好的動穩(wěn)定特性。2.1無人機飛行動力學2、無人機的穩(wěn)定性包括：縱向穩(wěn)定性，反映無人機在俯仰方向的穩(wěn)定特性；航向穩(wěn)定性，反映無人機的方向穩(wěn)定特性；橫向穩(wěn)定性，反映無人機的滾轉穩(wěn)定特性。無人機穩(wěn)定性2.1無人機飛行動力學無人機穩(wěn)定性3、無人機的縱向穩(wěn)定性---以固定翼無人機為例當無人機在飛行中，受到微小擾動而偏離其縱向平衡狀態(tài)，并在擾動去除瞬間，不經操縱就具有自動地恢復到原來平衡狀態(tài)的趨勢，則稱無人機具有縱向靜穩(wěn)定性。無人機是否有靜穩(wěn)定性，主要取決于其本身的特性，取決于平衡狀態(tài)破壞后，無人機上產生的起穩(wěn)定作用的力矩與起不穩(wěn)定作用的力矩相互作用的結果。如果前者大于后者，無人機是靜穩(wěn)定的，反之，便是靜不穩(wěn)定的。2.1無人機飛行動力學無人機穩(wěn)定性當迎角改變時，機翼升力亦改變，升力增量的作用點，即為機翼的焦點。對目前無人機上常用的翼型來說，焦點一般位于離翼型前緣大約1/4弦長的位置。同樣，當迎角改變時，機身、尾翼等所引起的升力增量亦作用在機身和尾翼的焦點上。由于機翼、機身的焦點都在無人機重心的前面，因而升力增量對重心形成一個使機頭更加上仰的不穩(wěn)定力矩，但水平尾翼焦點遠在重心之后，因此尾翼上的升力增量對重心形成的是使機頭下俯的穩(wěn)定力矩，若后者大于前者，無人機是靜穩(wěn)定的，反之，則是靜不穩(wěn)定的。2.1無人機飛行動力學無人機穩(wěn)定性2.1無人機飛行動力學無人機穩(wěn)定性從這里看出，水平尾翼的重要作用之一在于保證無人機具有縱向靜穩(wěn)定性。當迎角變化時，無人機各個部件的升力都要改變。無人機各個部件升力增量的合力的作用點，稱為無人機的焦點，換句話說，無人機焦點就是迎角變化而引起的整個無人機升力增量的作用點。機翼、機身、尾翼的焦點都不隨迎角改變，無人機的焦點也不隨迎角而改變。無人機重心和無人機焦點之間的相互位置，決定了無人機是否具有縱向靜穩(wěn)定性。2.1無人機飛行動力學無人機穩(wěn)定性若無人機重心位于焦點之前，如圖(a)所示，則在無人機受到外界擾動后，例如迎角增加了Δα，那么在無人機的焦點上，就會產生一個向上的升力

增量ΔL，它對無人機重心形成使機頭下俯的靜穩(wěn)定力矩ΔMy1，使無人機具有逐漸消除Δα而自動恢復到原來平衡迎角的趨勢，即無人機是靜穩(wěn)定

的。2.1無人機飛行動力學無人機穩(wěn)定性反之，若無人機重心位于其焦點之后，如圖（b）所示，升力增量對重心所形成的是不穩(wěn)定的上仰力矩ΔMy2，使無人機迎角越來越大而沒有自動恢復到原來平衡迎角的趨勢，因此無人機是靜不穩(wěn)定的。2.1無人機飛行動力學無人機穩(wěn)定性由此可以得出一個重要結論：無人機的重心若位于無人機焦點之前，無人機具有縱向靜穩(wěn)定性；否則，無人機便不具備縱向靜穩(wěn)定性。焦點的位置取決于機翼形狀、機身長度，特別是機翼和尾翼的位置與尺寸。在進行常規(guī)固定翼無人機設計時，首先要合理地安排無人機重心的位置，并恰當?shù)剡x擇水平尾翼的位置和面積等參數(shù)，以確保無人機的縱向穩(wěn)定性。2.1無人機飛行動力學無人機穩(wěn)定性現(xiàn)代無人機由于采用主動控制技術，允許無人機縱向靜不穩(wěn)定，即允許無人機重心位于焦點之后。對于不穩(wěn)定的無人機，隨著迎角的增加，平尾在飛行控制器的作用下向下偏轉，增大低頭力矩，使無人機保持縱向穩(wěn)定。這樣，設計無人機時就不一定把無人機重心配到焦點之前，尾翼也不要很大的面積，從而可以大大減輕無人機的重量，提高無人機飛行性能。2.1無人機飛行動力學無人機穩(wěn)定性采用類似的方法，可以對固定翼無人機的航向穩(wěn)定性與橫向穩(wěn)定性，以及其他類型無人機的穩(wěn)定性進行分析，為無人機設計服務。無人機的飛行穩(wěn)定性，不是越強越好，而是要與操縱性結合起來考慮，使其最具有最佳的飛行品質。2.1無人機飛行動力學無人機操縱性無人機飛行時，不僅需要具有一定的穩(wěn)定性，還要求具有良好的操縱性。所謂操縱性，是指無人機對操縱指令做出反應、改變其飛行狀態(tài)的特性，也就是無人機按照飛行指令的意圖做各種動作的能力。操縱性的好壞與穩(wěn)定性的大小密切相關。2.1無人機飛行動力學無人機操縱性無人機的操縱性—以固定翼無人機為例固定翼無人機飛行時的操縱，主要通過三個主操縱面——升降舵、方向舵和副翼來實現(xiàn)的。操縱手或者自動駕駛儀給出操縱指令，對操縱面進行偏轉，使無人機繞其縱軸、橫軸和豎軸轉動，從而改變無人機的飛行姿態(tài)。2.1無人機飛行動力學如果操縱手或者自動駕駛儀給出適當?shù)牟倏v指令使操縱面偏轉，無人機很快做出反應，按指令的意圖改變飛行姿態(tài)，那么，無人機就具有良好的操縱性。如果反應遲鈍，那就是操縱性不好。無人機操縱性2.1無人機飛行動力學無人機操縱性固定翼無人機由于布局設計的不同，使用的操縱面有所差異，但其操縱的基本原理都相同，即通過操縱面的偏轉改變升力面上的空氣動力，增加或減少的空氣動力相對于無人機重心產生一個使其按需要改變飛行姿態(tài)的附加力矩。同穩(wěn)定性一樣，操縱性同樣可分為：縱向操縱性；航向操縱性；橫向操縱性。2.2多旋翼無人機飛行原理無人機飛行時，不僅需要具有一定的穩(wěn)定性，還要求具有良好的操縱性。所謂操縱性，是指無人機對操縱指令做出反應、改變其飛行狀態(tài)的特性，也就是無人機按照飛行指令的意圖做各種動作的能力。操縱性的好壞與穩(wěn)定性的大小密切相關。2.2多旋翼無人機飛行原理從飛行要求來看，多旋翼無人機應具備空間六個自由度和三個可控的基本運動狀態(tài)。三個可控的基本運動為：垂直運動、水平直線運動（前后/側

向飛行）、水平轉動。控制運動狀態(tài)的參數(shù)有：飛行高度，垂直速度、平飛速度，俯仰角，滾轉角，偏航角。多旋翼無人機飛行控制---以四旋翼無人機為例：2.2多旋翼無人機飛行原理一、垂直運動垂直運動控制較為簡單，同時增加四個電機的輸出功率，增加螺旋槳轉速，使得總的拉力增大，無人機垂直向上飛行；反之，則垂直向下飛行。垂直運動控制時，可將飛行高度、垂直速度作為控制狀態(tài)參數(shù)。設定期望高度、期望垂直速度，采用一定控制方法（PID/模糊控制等），同時調整四個電機的功率，改變螺旋槳拉力，對飛行高度與垂直速度進行調整。2.2多旋翼無人機飛行原理二、水平直線運動（前后/左右運動）水平直線運動可分為前后運動與側向運動，由于四旋翼無人機具有軸對稱性，因此前后運動與側向運動在操控方式上相同。以前后運動為例，分別減小和增加前后螺旋槳的轉速，產生拉力差，形成