《無人機飛行原理》教案 項目4：旋翼無人機飛行原理2

課時教學(xué)教案課程:無人機飛行原理任課教師:授課題目多旋翼無人機飛行原理教學(xué)形式共課時授課班級授課日期年月日教學(xué)目的1、掌握螺旋槳產(chǎn)生拉力的原理2、了解多旋翼無人機的氣動布局3、掌握多旋翼無人機飛行原理重點1、多旋翼無人機氣動布局。2、多旋翼無人機飛行原理。難點多旋翼無人機偏航飛行原理。會分析X布局多旋翼無人機飛行原理。課堂結(jié)構(gòu)及時間分配復(fù)習(xí)引入…………………..……（5分鐘）教學(xué)內(nèi)容（一）多旋翼無人機拉力產(chǎn)生的原理……….…（15分鐘）（二）多旋翼無人機的氣動布局…………….…（25分鐘）（三）多旋翼無人機飛行原理……………….…（40分鐘）課堂小結(jié)…………………….…（5分鐘）課后體會教學(xué)過程及教學(xué)內(nèi)容[復(fù)習(xí)引入]討論：竹蜻蜓、牛頓第三定律、扭矩與反扭矩[教學(xué)內(nèi)容]多旋翼無人機拉力控制原理多旋翼無人機拉力產(chǎn)生的原理●螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生拉力，拉力隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加;●當(dāng)螺旋槳的拉力等于其所承受的重力時，無人機處于懸停狀態(tài);●當(dāng)轉(zhuǎn)速增加進(jìn)一步提高時，拉力則持續(xù)上升，這時無人機就會上升;●對于多旋翼無人機而言通過控制螺旋槳轉(zhuǎn)速就可以實現(xiàn)對無人機升力的控制?！窨刂乒β士梢钥刂妻D(zhuǎn)速，對于多旋翼無人機，控制電流的大小就可以實現(xiàn)控制功率?！穸嘈頍o人機中，控制螺旋槳拉力大小是依靠控制電流大小來實現(xiàn)的（電調(diào)）。●輸入電流越大，轉(zhuǎn)速越大，拉力就會增加;反之，轉(zhuǎn)速、拉力都會減小。二、多旋翼無人機氣動布局多旋翼無人機氣動布局：四旋翼無人機螺旋槳旋轉(zhuǎn)方向電機M1和M3逆時針旋轉(zhuǎn)，電機M2和M4順時針旋轉(zhuǎn)，這樣設(shè)計的目的是∶當(dāng)電機轉(zhuǎn)速相等時，電機自身的反扭矩相互抵消，無人機的航向保持不變。三、多旋翼無人機飛行原理多旋翼飛行器是通過調(diào)節(jié)多個電機轉(zhuǎn)速來改變螺旋槳轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)升力的變化，進(jìn)而達(dá)到飛行姿態(tài)控制的目的。以四旋翼飛行器為例，飛行原理如下圖所示，電機1和電機3逆時針旋轉(zhuǎn)的同時，電機2和電機4順時針旋轉(zhuǎn)，因此飛行器平衡飛行時，陀螺效應(yīng)和空氣動力扭矩效應(yīng)全被抵消。與傳統(tǒng)的直升機相比，四旋翼飛行器的優(yōu)勢：各個旋翼對機身所產(chǎn)生的反扭矩與旋翼的旋轉(zhuǎn)方向相反，因此當(dāng)電機1和電機3逆時針旋轉(zhuǎn)時，電機2和電機4順時針旋轉(zhuǎn)，可以平衡旋翼對機身的反扭矩。一般情況下，多旋翼飛行器可以通過調(diào)節(jié)不同電機的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)4個方向上的運動，分別為：垂直、俯仰、橫滾和偏航。垂直運動，即升降控制在圖（a）中，兩對電機轉(zhuǎn)向相反，可以平衡其對機身的反扭矩，當(dāng)同時增加四個電機的輸出功率，旋翼轉(zhuǎn)速增加使得總的拉力增大，當(dāng)總拉力足以克服整機的重量時，四旋翼飛行器便離地垂直上升；反之，同時減小四個電機的輸出功率，四旋翼飛行器則垂直下降，直至平衡落地，實現(xiàn)了沿z軸的垂直運動。當(dāng)外界擾動量為零時，在旋翼產(chǎn)生的升力等于飛行器的自重時，飛行器便保持懸停狀態(tài)。保證四個旋翼轉(zhuǎn)速同步增加或減小是垂直運動的關(guān)鍵。俯仰運動，即前后控制在圖（b）中，電機1的轉(zhuǎn)速上升，電機3的轉(zhuǎn)速下降，電機2、電機4的轉(zhuǎn)速保持不變。為了不因為旋翼轉(zhuǎn)速的改變引起四旋翼飛行器整體扭矩及總拉力改變，旋翼1與旋翼3轉(zhuǎn)速該變量的大小應(yīng)相等。由于旋翼1的升力上升，旋翼3的升力下降，產(chǎn)生的不平衡力矩使機身繞y軸旋轉(zhuǎn)（方向如圖所示），同理，當(dāng)電機1的轉(zhuǎn)速下降，電機3的轉(zhuǎn)速上升，機身便繞y軸向另一個方向旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)飛行器的俯仰運動。橫滾運動，即左右控制與圖（b）的原理相同，在圖（c）中，改變電機2和電機4的轉(zhuǎn)速，保持電機1和電機3的轉(zhuǎn)速不變，便可以使機身繞x軸方向旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)飛行器橫滾運動。偏航運動，即旋轉(zhuǎn)控制四旋翼飛行器偏航運動可以借助旋翼產(chǎn)生的反扭矩來實現(xiàn)。旋翼轉(zhuǎn)動過程中由于空氣阻力作用會形成與轉(zhuǎn)動方向相反的反扭矩，為了克服反扭矩影響，可使四個旋翼中的兩個正轉(zhuǎn)，兩個反轉(zhuǎn)，且對角線上的各個旋翼轉(zhuǎn)動方向相同。反扭矩的大小與旋翼轉(zhuǎn)速有關(guān)，當(dāng)四個電機轉(zhuǎn)速相同時，四個旋翼產(chǎn)生的反扭矩相互平衡，四旋翼飛行器不發(fā)生轉(zhuǎn)動；當(dāng)四個電機轉(zhuǎn)速不完全相同時，不平衡的反扭矩會引起四旋翼飛行器轉(zhuǎn)動。在圖（d）中，當(dāng)電機1和電機3的轉(zhuǎn)速上升，電機2和電機4的轉(zhuǎn)速下降時，旋翼1和旋翼3對機身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4對機身的反扭矩，機身便在富余反扭矩的作用下繞z軸轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)飛行器的偏航運動。[課堂小結(jié)]多旋翼無人機產(chǎn)生升力的部件是螺旋槳，多旋翼飛行姿態(tài)的改變也是通過改變螺旋槳的轉(zhuǎn)速。[課后體會]多旋翼無人機飛行原理的學(xué)習(xí)主要包括兩