《無人機(jī)飛行原理》教案 項(xiàng)目4 旋翼無人機(jī)飛行原理

課時教學(xué)教案課程:無人機(jī)飛行原理任課教師:XXX授課題目旋翼無人機(jī)飛行原理教學(xué)形式雙師共課時授課班級授課日期教學(xué)目的了解旋翼產(chǎn)生拉力的原理。掌握自動傾斜器的結(jié)構(gòu)。掌握直升機(jī)的飛行原理。理解直升機(jī)的反扭矩。重點(diǎn)1、直升機(jī)的結(jié)構(gòu)。2、直升機(jī)的飛行原理。難點(diǎn)1、直升機(jī)的自動傾斜器的結(jié)構(gòu)及原理。2、直升機(jī)反扭矩的方式課堂結(jié)構(gòu)及時間分配復(fù)習(xí)引入………………..…（5分鐘）教學(xué)內(nèi)容旋翼產(chǎn)生拉力的原理………………..（10分鐘）旋翼的揮舞與擺陣運(yùn)動……………...（25分鐘）直升機(jī)的飛行原理………………...（25分鐘）直升機(jī)的尾槳………………………（20分鐘）…課堂小結(jié)………………….…（5分鐘）課后體會i教學(xué)過程及教學(xué)內(nèi)容[復(fù)習(xí)引入]引入：螺旋槳產(chǎn)生升力的原理。[教學(xué)內(nèi)容]旋翼產(chǎn)生拉力的原理旋翼產(chǎn)生拉力的原理因旋翼的翼型（切面形狀）與固定翼無人機(jī)機(jī)翼的翼型相似故旋翼轉(zhuǎn)動時，氣流以一定的迎角流過槳葉，如同氣流以一定的迎角流過機(jī)翼一樣，其產(chǎn)生升力的原理相同。旋翼拉力的方向無人直升機(jī)靜止時，因揮舞鉸的存在且受自身重力作用會下垂.無人直升機(jī)槳葉旋轉(zhuǎn)時，各槳葉除自身重力外，還有空氣動力（R）和慣性離心力（F離心）。其中空氣動力中的拉力（T）會使槳葉向上揚(yáng)起，慣性離心力（F離心）力圖將槳葉拉平。由于拉力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于重力，當(dāng)這三個力對揮舞絞形成的力矩取得平衡時，槳葉會向上揚(yáng)起一定的角度。由于各槳葉在旋轉(zhuǎn)中都向上揚(yáng)起，所以旋翼旋轉(zhuǎn)時就形成了一個倒立的圓錐形狀，稱為旋翼錐體。運(yùn)動中旋翼的受力分析旋翼形成倒立的錐體時，各槳葉的拉力都相應(yīng)地向內(nèi)側(cè)傾斜一個角度。各槳葉上的拉力T槳葉，可以分解成一個與槳尖旋轉(zhuǎn)平面垂直的分力和一個與槳尖旋轉(zhuǎn)平面平行的分力。由于旋翼各槳葉上產(chǎn)生的拉力基本相等，所以總拉力的作用線與錐體軸重合。當(dāng)旋翼錐體傾斜時，拉力也隨之傾斜。直升機(jī)向前飛行時，槳葉轉(zhuǎn)到不同方位時相對氣流速度是不同的，其拉力不相等。旋翼的揮舞與擺陣運(yùn)動主旋翼為直升機(jī)飛行產(chǎn)生升力和操縱力的核心部件。旋翼系統(tǒng)：數(shù)片槳葉——與空氣相對作用，產(chǎn)生空氣動力。一個槳轂——連接槳葉和旋翼軸，以轉(zhuǎn)動旋翼。螺旋槳與旋翼：“旋翼”是“旋轉(zhuǎn)的”機(jī)翼，產(chǎn)生升力的原理和固定翼飛機(jī)的機(jī)翼一樣，只是整體非常細(xì)長，沿半徑方向幾乎沒有發(fā)生迎角變化——也就是說旋翼幾乎是不扭轉(zhuǎn)的，即使有也很小，不像螺旋槳那樣明顯。槳轂：連接槳葉、連接傳動主軸，槳葉與槳轂之間螺絲需擰緊，但不宜過緊。自動傾斜器：槳葉的揮舞運(yùn)動——揮舞鉸（水平鉸）；槳葉的擺陣運(yùn)動——擺振鉸（垂直鉸）；槳葉的變距運(yùn)動——變距鉸（軸向鉸）直升機(jī)的飛行原理直升機(jī)一種旋翼飛行器，直升機(jī)飛行所需的升力是靠旋翼旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的，同時，旋翼又是直升機(jī)的操縱面，直升機(jī)通過旋翼拉力的傾斜實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退和側(cè)飛。直升機(jī)垂直飛行：通過同時改變各片槳葉安裝角（槳距）的大小，改變旋翼升力的大小，從而實(shí)現(xiàn)直升機(jī)的懸停、垂直上升和垂直下降?！咀兛偩唷恐鄙龣C(jī)水平飛行：前飛、側(cè)飛、后飛是通過調(diào)整旋翼槳盤向所需飛行方向傾斜，產(chǎn)生所需方向的水平分力，從而實(shí)現(xiàn)該方向的水平飛行。【周期變距】尾槳旋翼的反作用力矩?zé)o人直升機(jī)的旋翼克服空氣阻力旋轉(zhuǎn)時，根據(jù)牛頓第三定律，槳葉在撥動空氣的同時，空氣也給各槳葉一個大小相等、方向相反的反作用力，這個反作用力對旋翼轉(zhuǎn)軸所構(gòu)成的力矩就是旋翼的反作用力矩。旋翼的反作用力矩傳到固定翼直升機(jī)的機(jī)體上，就會使其向旋翼旋轉(zhuǎn)的反方向偏轉(zhuǎn)。即旋翼順時針旋轉(zhuǎn)（俯視），其反作用力矩使機(jī)頭向左偏轉(zhuǎn)。尾槳的作用（1）尾槳產(chǎn)生的拉力(或推力)通過力臂形成偏轉(zhuǎn)力矩，用以平衡旋翼的反作用力矩(即反扭轉(zhuǎn))；（2）相當(dāng)于一個直升機(jī)的垂直安定面，改善直升機(jī)的方向穩(wěn)定性。而且，可以通過加大或減小尾槳的拉力(推力)來實(shí)現(xiàn)直升機(jī)的航向操縱；（3）某些直升機(jī)的尾軸向上斜置一個角度，可以提供部分升力，也可以調(diào)整直升機(jī)重心范圍。3.按平衡扭矩的方法來確定布局形式如下：[課堂小結(jié)]旋翼無人機(jī)飛行原理首先要掌握旋翼系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其工作原理，在此基礎(chǔ)上才能更好的理解無人直升機(jī)的飛行原理。[課后體會]本次課內(nèi)容較難，在課程講授過程中，培養(yǎng)孩子深入思考、探討的能力。說明本節(jié)重點(diǎn)及本節(jié)內(nèi)容必要性。重點(diǎn)講解，結(jié)合機(jī)翼產(chǎn)生升力的原理受力分析難點(diǎn)重點(diǎn)講解結(jié)合視頻重點(diǎn)講解尾槳可看作一小的旋翼補(bǔ)充：無人機(jī)直升機(jī)的機(jī)體布局課時教學(xué)教案課程:無人機(jī)飛行原理任課教師:授課題目多旋翼無人機(jī)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(jī)的氣動布局3、掌握多旋翼無人機(jī)飛行原理重點(diǎn)1、多旋翼無人機(jī)氣動布局。2、多旋翼無人機(jī)飛行原理。難點(diǎn)多旋翼無人機(jī)偏航飛行原理。會分析X布局多旋翼無人機(jī)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(jī)拉力產(chǎn)生的原理……….…（15分鐘）（二）多旋翼無人機(jī)的氣動布局…………….…（25分鐘）（三）多旋翼無人機(jī)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(jī)拉力控制原理多旋翼無人機(jī)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(jī)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(jī)就會上升;●對于多旋翼無人機(jī)而言通過控制螺旋槳轉(zhuǎn)速就可以實(shí)現(xiàn)對無人機(jī)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(jī)，控制電流的大小就可以實(shí)現(xiàn)控制功率。●多旋翼無人機(jī)中，控制螺旋槳拉力大小是依靠控制電流大小來實(shí)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(jī)氣動布局多旋翼無人機(jī)氣動布局：四旋翼無人機(jī)螺旋槳旋轉(zhuǎn)方向電機(jī)M1和M3逆時針旋轉(zhuǎn)，電機(jī)M2和M4順時針旋轉(zhuǎn)，這樣設(shè)計(jì)的目的是∶當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速相等時，電機(jī)自身的反扭矩相互抵消，無人機(jī)的航向保持不變。三、多旋翼無人機(jī)飛行原理多旋翼飛行器是通過調(diào)節(jié)多個電機(jī)轉(zhuǎn)速來改變螺旋槳轉(zhuǎn)速，實(shí)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(jī)1和電機(jī)3逆時針旋轉(zhuǎn)的同時，電機(jī)2和電機(jī)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(jī)相比，四旋翼飛行器的優(yōu)勢：各個旋翼對機(jī)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(jī)1和電機(jī)3逆時針旋轉(zhuǎn)時，電機(jī)2和電機(jī)4順時針旋轉(zhuǎn)，可以平衡旋翼對機(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)4個方向上的運(yùn)動，分別為：垂直、俯仰、橫滾和偏航。垂直運(yùn)動，即升降控制在圖（a）中，兩對電機(jī)轉(zhuǎn)向相反，可以平衡其對機(jī)身的反扭矩，當(dāng)同時增加四個電機(jī)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(jī)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(jī)的輸出功率，四旋翼飛行器則垂直下降，直至平衡落地，實(shí)現(xiàn)了沿z軸的垂直運(yùn)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(yùn)動的關(guān)鍵。俯仰運(yùn)動，即前后控制在圖（b）中，電機(jī)1的轉(zhuǎn)速上升，電機(jī)3的轉(zhuǎn)速下降，電機(jī)2、電機(jī)4的轉(zhuǎn)速保持不變。為了不因?yàn)樾磙D(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(jī)身繞y軸旋轉(zhuǎn)（方向如圖所示），同理，當(dāng)電機(jī)1的轉(zhuǎn)速下降，電機(jī)3的轉(zhuǎn)速上升，機(jī)身便繞y軸向另一個方向旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)飛行器的俯仰運(yùn)動。橫滾運(yùn)動，即左右控制與圖（b）的原理相同，在圖（c）中，改變電機(jī)2和電機(jī)4的轉(zhuǎn)速，保持電機(jī)1和電機(jī)3的轉(zhuǎn)速不變，便可以使機(jī)身繞x軸方向旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)飛行器橫滾運(yùn)動。偏航運(yùn)動，即旋轉(zhuǎn)控制四旋翼飛行器偏航運(yùn)動可以借助旋翼產(chǎn)生的反扭矩來實(shí)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(jī)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(jī)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(jī)1和電機(jī)3的轉(zhuǎn)速上升，電機(jī)2和電機(jī)4的轉(zhuǎn)速下降時，旋翼1和旋翼3對機(jī)身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4對機(jī)身的反扭矩，機(jī)身便在富