無人機結構與系統(tǒng)課件：無人機結構與飛行原理

無人機結構與飛行原理

根據(jù)不同平臺構型，無人機主要分為固定翼無人機、無人直升機和多旋翼無人機三大平臺。本章主要介紹了固定翼無人機、無人直升機和多旋翼無人機的結構組成及飛行原理和飛行控制，以便讀者全面系統(tǒng)地認識無人機機體平臺及原理。學習導論無人機結構與飛行原理學習目標1.掌握多旋翼無人機結構組成名稱及每種結構主要參數(shù)；2.了解每種結構功能及選用注意事項；3.掌握多旋翼飛行原理及飛行操縱；4.了解六自由度、機體坐標及飛行姿態(tài)；5.掌握無人直升機結構組成名稱、槳轂種類及自動傾斜器組成；6.了解每種結構組成；7.掌握無人直升機飛行原理、飛行操縱及常見無人直升機結構型式；8.了解無人直升機種類；9.掌握固定翼無人機的飛行原理及增升裝置種類；10.了解每種增升裝置種類及原理；11.掌握固定翼無人機阻力種類及減阻措施；12.了解各種阻力產(chǎn)生的原因。無人機結構與飛行原理無人機結構與飛行原理無人機結構與飛行原理無人機結構與飛行原理機體坐標軸和基本運動狀態(tài)第一節(jié)多旋翼無人機的結構及飛行原理第二節(jié)無人直升機的結構及飛行原理第三節(jié)固定翼無人機的結構及飛行原理第四節(jié)1.1機體坐標軸和基本運動狀態(tài)1.1機體坐標軸和基本運動狀態(tài)

（1）縱軸（ox）從機頭穿透機身的中心，從機尾穿出來的軸線，方向指向前。無人機沿著縱軸的水平運動稱為前后運動，圍繞縱軸的運動稱為滾轉運動。（2）橫軸（oz）從一邊的機翼末端，穿過機翼、機身，再從另一邊機翼延伸到末端穿出來的軸線。無人機沿著橫軸的水平運動稱為左右運動，圍繞橫軸的運動稱為俯仰運動。（3）立軸（oy）由上往下通過無人機重心，并與縱軸（ox）和橫軸（oz）相互垂直的軸線。無人機沿著立軸的水平運動稱為升降運動，圍繞立軸的運動稱為偏航運動。圖1-1機體坐標軸1.2多旋翼無人機的結構及飛行原理1.2.1結構組成

多旋翼無人機實質(zhì)上是屬于直升機的范疇，按軸數(shù)分為三軸、四軸、六軸、八軸等。按電機個數(shù)分為三旋翼、四旋翼、六旋翼、八旋翼等。按旋翼布局分為I型、X型、V型、Y型、IY型等（如圖1-3所示）。由于X型結構的任務載荷前方的視野比I型的更加開闊，且控制靈活，所以在實際應用中，多旋翼無人機大多采用X型外形結構。但對于初學者，建議采用I型，較安全。a）I型四旋翼b）X型四旋翼

c）I型六旋翼d）X型六旋翼

e）IY型共軸雙槳六旋翼f）Y型共軸雙槳六旋翼

g）X型共軸雙槳八旋翼

h）I型八旋翼

i）V型八旋翼1)塑料：具有一定的剛度、強度和可彎曲度，易加工且價格便宜。2)玻璃纖維：剛度和強度比較高，加工困難，價格較高，但密度小，可以減輕整體機架的重量。3)碳纖維：剛度和強度高，加工困難，價格較高，但密度小，可以減輕整體機架的重量。出于結構強度和重量考慮，一般采用碳纖維材質(zhì)。1.2.1結構組成1.機架（1）材質(zhì)（2）軸距軸距是多旋翼無人機的重要尺寸參數(shù)，是指多旋翼無人機兩個驅(qū)動軸軸心的距離，即為對角線上的兩電機軸心的距離，如圖1-5所示。軸距的大小限定了螺旋槳的漿距尺寸上限。F450，F(xiàn)5502.電機（1）尺寸在無刷電機的銘牌上有一組四位數(shù)字，如2212、2216等，如圖1-6所示。用它來表示電機的尺寸，前面兩位數(shù)字是電機轉子的內(nèi)直徑，后面兩位數(shù)字是電機轉子的高度，單位為毫米。例如2212電機的內(nèi)直徑為22mm，轉子的高度為12mm。前面兩位數(shù)字越大，電機越肥，后面兩位數(shù)字越大，電機越高。高大粗壯的電機，功率就更大，適合做更大的多旋翼無人機。（2）KV值在無刷電機的銘牌上還有一組數(shù)字，如KV950，如圖1-6所示。用它來表示當電機的輸入電壓增加1伏特，無刷電機空轉轉速增加的轉速值，單位是“轉速/伏特”（RPM/V）。例如KV950電機，外加1V電壓，電機空轉時每分鐘轉950轉；外加2V電壓，電機的空轉轉速就1900轉/分；電壓為10V的時候，電機的空轉轉速達到9500轉/分。單從KV值，不可以評價電機的好壞，因為不同KV值適用不同尺寸的螺旋槳。KV值小的電機的繞線匝數(shù)更多更密，能承受更大的電流，所以可以產(chǎn)生更大的扭矩去驅(qū)動更大尺寸的螺旋漿；相反，KV值大的電機的繞線匝數(shù)少，產(chǎn)生的扭矩小，適合驅(qū)動小尺寸的螺旋漿。圖1-6電機1.2.1結構組成3.電子調(diào)速器(ESC)（1）電調(diào)的作用1)電機調(diào)速：將飛控的控制信號轉化為電流的大小，控制電機的轉速。2)變壓供電：將電池電壓變?yōu)轱w控板和遙控接收機需要的電壓。3)電源轉化：將電池直流電轉換為交流電供給無刷電機。4)其他功能：如電池保護、啟動保護、剎車等。（3）常用電調(diào)無刷電調(diào)按照電流分為30A、40A、50A、60A、80A、120A電調(diào)等；按品牌分為好盈、銀燕、新西達、中特威等，還有一些較為昂貴的電調(diào)，如蝎子和風凰等。（2）電調(diào)的參數(shù)1)最大持續(xù)/峰值電流：是無刷電調(diào)最重要的參數(shù)，通常以安培數(shù)A來表示，如10A、20A、30A（如圖1-7所示）2)電壓范圍：電調(diào)能夠正常工作所允許輸入的電壓范圍也是非常重要的參數(shù)。3)內(nèi)阻：電調(diào)都有內(nèi)阻，通過電調(diào)的電流有時可以達到幾十安培，所以電調(diào)的發(fā)熱功率不能被忽視。4)刷新頻率：電機響應速度很大程度上依賴于電調(diào)刷新頻率。5)可編程特性：通過調(diào)整電調(diào)內(nèi)部參數(shù)，可以使電調(diào)的性能達到最佳?？赏ㄟ^編程卡、通過USB連接電腦使用軟件及通過接收器用遙控器搖桿這三種方式來設置電調(diào)參數(shù)。圖1-7電調(diào)1.2.1結構組成4.電池（1）連接放式

電池串聯(lián)可以獲得更大的電壓，但電池容量保持不變；電池并聯(lián)可以得到更大容量，但電壓不變。通過電池合理的串并聯(lián)組合，可以獲得無人機飛行所需要的電壓和容量。通常用字母“S”表示電池串聯(lián)，用字母“P”表示電池并聯(lián)，如圖1-9所示。圖1-9電池連接方式a)3S1Pb)3S2P1.2.1結構組成4.電池（2）參數(shù)1)電壓：鋰電池單節(jié)電壓3.7V。2)容量：電池容量用毫安時（mAh）表示，電池的容量越大，存儲的能量就越大，可以是供的續(xù)航時間就越長，不過相應的重量也越大。如1000mAh電池，如果以1000mA放電，可持續(xù)放電1h。如果以500mA放電，可以持續(xù)放電2h。3)充放電倍率C：表示電池充放電時的電流大小，是充放電快慢的量度，其計算公式是充放電倍率=充放電電流/額定容量，單位為C。4)平衡充電：常用3S電池，內(nèi)部是3塊鋰電池，動力鋰電都有2組線，1組是輸出線（2根），1組是單節(jié)鋰電引出線（與S數(shù)有關），充電時按說明書，都插入充電器內(nèi)，就可以進行平衡充電了。1.2.1結構組成圖上各數(shù)字字母含義？該電池容量為2200mAh；3S1P表示3塊鋰電池串聯(lián)；總電壓為3.7×3=11.1V；最大放電電流為：35×2200=77000mA=77A5.螺旋槳（1）型號螺旋槳的型號采用四位數(shù)字來描述，前兩位數(shù)字指的是螺旋槳的直徑，后兩位數(shù)字指的是螺旋槳的槳距，單位是英寸（1英寸=25.4毫米）。例如1047螺旋槳，指的是螺旋槳的直徑為10英寸，槳距為4.7英寸。需要注意，對于小于10英寸的螺旋槳，直徑數(shù)字寫在最前面，比如8050，螺旋槳直徑為8英寸而并非80英寸。順時針旋轉的螺旋槳稱為正漿，逆時針旋轉的螺旋槳稱為反漿。安裝的時候，一定記得無論正反槳，有字的一面是向上的（槳葉圓潤的一面要和電機旋轉方向一致）。（3）電機與螺旋槳的搭配（2）正反槳大螺旋槳就需要采用低KV電機，小螺旋槳就需要采用高KV電機（因為需要用轉速來彌補升力不足）。不同的電機需要使用對應的螺旋槳，如表1-1所示。表1-1電機與螺旋槳的搭配1.2.1結構組成6.飛行控制系統(tǒng)

飛行控制系統(tǒng)是多旋翼無人機的核心設備，飛控系統(tǒng)的好壞從本質(zhì)上決定了無人機的飛行性能。飛行控制系統(tǒng)集成了高精度的感應器元件，主要由陀螺儀（飛行姿態(tài)感知）、加速計、角速度計、氣壓計、GPS及指南針模塊（可選配）以及控制電路等部件組成。通過高效的控制算法，能夠精準地感應并計算出無人機的飛行姿態(tài)等數(shù)據(jù)，再通過主控制單元實現(xiàn)精準定位懸停和自主平穩(wěn)飛行。根據(jù)機型的不一樣，可以有不同類型的飛行控制系統(tǒng)，有支持固定翼、多旋翼及直升機的飛行控制系統(tǒng)。1.2.1結構組成7.遙控系統(tǒng)（1）通道數(shù)常用的遙控系統(tǒng)有單通道、兩通道直至十通道，具體使用幾通道，由無人機的種類及用途而定。較為簡單的單通道、兩通道的遙控系統(tǒng)，一般用來控制練習機、滑翔機。遙控特技固定翼無人機則最少需四個通道，分別控制水平舵、方向舵、副翼及油門。較為完善的特技固定翼無人機還需控制襟翼、收起落架等，至少需要六個通道。四旋翼無人機遙控系統(tǒng)最少需要四通道。（2）遙控距離遙控距離的確定仍然需視無人機的種類和用途而定。對于近距離飛行的小型無人機，選用遙控距離為200米的遙控系統(tǒng)；對于無人靶機、飛艇或大型無人機，有時在空中要飛出數(shù)公里，就要選用遙控距離至少有1000米的遙控系統(tǒng)。遙控系統(tǒng)由遙控器（見圖1-10a））和接收機（見圖1-10b））組成，是整個飛行系統(tǒng)的無線控制終端。遙控器與接收機之間通過無線電波進行通信，常用的無線電頻率為72MHz和2.4GHz，目前常用2.4GHz無線通信，因為它具有頻率高、功耗低、體積小、反應快、精度高等優(yōu)點。目前常用的調(diào)制方式有脈沖位置調(diào)制（PulsePositionModulation，簡稱PPM，又稱脈位調(diào)制）和脈沖編碼調(diào)制（PulseCodeModulation，簡稱PCM，又稱脈碼調(diào)制）兩種。a)遙控器b)接收機圖1-10遙控系統(tǒng)1.2.1結構組成1.2.2飛行原理伯努利定律是空氣動力最重要的理論基礎，簡單地說，流體的速度越大，靜壓力越小；速度越小，靜壓力越大。升力公式？

以四旋翼無人機為例，詳細講解如下：如圖1-11所示，電機1和電機3逆時針旋轉的同時，電機2和電機4順時針旋轉，因此當無人機平衡飛行時，陀螺效應和空氣動力扭矩效應均被抵消。與電動直升機相比，四旋翼飛行器有下列優(yōu)勢：各個旋翼對機身所施加的反扭矩與旋翼的旋轉方向相反，因此當電機1和電機3逆時針旋轉的同時，電機2和電機4順時針旋轉，可以平衡旋翼對機身的反扭矩。四旋翼無人機在空間共有六個自由度（分別沿3個坐標軸作平移和旋轉動作），這六個自由度的控制都可以通過調(diào)節(jié)不同電機的轉速來實現(xiàn)，但只有四個輸入力，所以它又是一種欠驅(qū)動系統(tǒng)。圖1-11四旋翼無人機飛行原理1.2多旋翼無人機的結構及飛行原理1.2.3飛行控制

圖1-11中，當同時增加四個電機的輸出功率，螺旋槳轉速增加使得總的升力增大，當總升力足以克服整機的重量時，四旋翼無人機便離地垂直上升；反之，同時減小四個電機的輸出功率，四旋翼無人機則垂直下降，直至平衡落地，實現(xiàn)了沿z軸的垂直運動。當外界擾動量為零時，在螺旋槳產(chǎn)生的升力等于四旋翼無人機的自重時，四旋翼無人機便保持懸停狀態(tài)。保證四個螺旋槳轉速同步增加或減小是垂直運動的關鍵。圖1-11四旋翼無人機飛行原理1.垂直運動，即升降控制1.2多旋翼無人機的結構及飛行原理1.2.3飛行控制

圖1-12中，電機1的轉速上升，電機3的轉速下降，電機2和電機4的轉速保持不變。為了不因為螺旋槳轉速的改變引起四旋翼無人機整體扭矩及總拉力改變，螺旋槳1與螺旋槳3轉速變量的大小應相等。由于螺旋槳1的升力上升，螺旋槳3的升力下降，產(chǎn)生的不平衡力矩使機身繞y軸旋轉（方向如圖1-12）；四旋翼無人機首先發(fā)生一定程度的傾斜，從而使螺旋槳升力產(chǎn)生水平分量，因此可以實現(xiàn)四旋翼無人機的后飛運動。抬頭，向后飛。同理，當電機1的轉速下降，電機3的轉速上升，機身便繞y軸向另一個方向旋轉，低頭，向前飛，實現(xiàn)四旋翼無人機的俯仰運動及前后運動。2.俯仰運動、前后運動圖1-12俯仰運動

與圖1-12的原理相同，在圖1-13中，改變電機2和電機4的轉速，保持電機1和電機3的