無人機(jī)操控技術(shù)課件第3章飛行原理與性能第3-5節(jié)

目錄01空氣動力學(xué)基礎(chǔ)02飛行原理P04P24

03飛行性能P4904無人機(jī)發(fā)射回收方式P8805多旋翼基礎(chǔ)知識P983.1

穩(wěn)定性

無人機(jī)的飛行性能主要是指穩(wěn)定性、操縱性以及其他性能。

飛機(jī)的穩(wěn)定性（安定性），是指在飛機(jī)受到擾動后，不經(jīng)飛行員操縱，能恢復(fù)到受擾動前的原始狀態(tài)，原來平衡狀態(tài)的特性。如果能恢復(fù)，則稱飛機(jī)是穩(wěn)定的，反之則稱飛機(jī)是不穩(wěn)定的。3.1

穩(wěn)定性飛機(jī)的穩(wěn)定性包括：縱向穩(wěn)定、橫向穩(wěn)定、側(cè)向（航向）穩(wěn)定。3.1.1

機(jī)體坐標(biāo)系原點(diǎn)(0點(diǎn))：位于飛行器的重心；縱軸(0X軸)：位于飛行器參考平面內(nèi)平行于機(jī)身軸線并指向飛行器前方；橫軸(0Z軸)：垂直于飛行器參考面并指向飛行器右方；立軸(0Y軸)：在參考面內(nèi)垂直于XOY平面，指向飛行器下方。

不論是固定翼、直升機(jī)、還是多旋翼無人機(jī)，研究其穩(wěn)定性的時候首先要建立機(jī)體坐標(biāo)系。3.1.2

姿態(tài)角

在飛機(jī)飛行時，我們可以通過判斷飛行姿態(tài)角來分析飛機(jī)都發(fā)生了哪些運(yùn)動，進(jìn)而作出與之相對應(yīng)的操作。

描述飛機(jī)在空中姿態(tài)的姿態(tài)角有：滾轉(zhuǎn)角（pitch）偏航角（yaw）俯仰角（roll）

機(jī)體坐標(biāo)系縱軸與水平面的夾角。抬頭時，俯仰角為正，否則為負(fù)。

機(jī)體坐標(biāo)系立軸與通過機(jī)體縱軸的鉛垂面間的夾角，機(jī)體向右滾為正，反之為負(fù)。

機(jī)體坐標(biāo)系縱軸與垂直面的夾角，機(jī)頭右偏航為正，反之為負(fù)。3.1.3

縱向穩(wěn)定性

飛機(jī)縱向穩(wěn)定性是指飛機(jī)受到上下對流干擾后產(chǎn)生繞橫軸轉(zhuǎn)動，擾動消失后自動恢復(fù)原飛行姿態(tài)。飛機(jī)靠水平尾翼和機(jī)翼來保證縱向穩(wěn)定性。其中，飛機(jī)縱向阻尼力矩主要由水平尾翼產(chǎn)生的。3.1.3

縱向穩(wěn)定性

飛機(jī)縱向穩(wěn)定性主要取決于飛機(jī)重心的位置，飛機(jī)重心位于焦點(diǎn)前面，則飛機(jī)縱向穩(wěn)定。重心的位置：用重心到平均氣動力弦前緣的距離和平均氣動力弦長之比的百分?jǐn)?shù)來表示。焦點(diǎn)：當(dāng)飛機(jī)迎角變化時，在機(jī)翼和尾翼上都會產(chǎn)生一定的附加升力，這個附加升力合力作用點(diǎn)稱為飛機(jī)的焦點(diǎn)。3.1.3

縱向穩(wěn)定性靜穩(wěn)定裕度：重心與焦點(diǎn)之間的距離被定義為飛機(jī)的靜穩(wěn)定裕度。如果重心靠后，靜穩(wěn)定裕度減小，飛機(jī)的縱向穩(wěn)定性減弱。

靜穩(wěn)定裕度配平：重心沿縱軸的前后位置，重心的移動將改變靜穩(wěn)定裕度，甚至使飛機(jī)不穩(wěn)定?？梢酝ㄟ^增加或減少頭部或尾部配置調(diào)整飛機(jī)的穩(wěn)定性。3.1.4

航向穩(wěn)定性

飛機(jī)縱向穩(wěn)定性是指飛機(jī)受到側(cè)風(fēng)干擾后產(chǎn)生繞立軸轉(zhuǎn)動，擾動消失后自動恢復(fù)原飛行姿態(tài)。飛機(jī)主要靠垂直尾翼產(chǎn)生航向穩(wěn)定力矩來保證航向穩(wěn)定性。

影響飛機(jī)方向穩(wěn)定力矩的因素主要是飛機(jī)迎角，機(jī)身、垂尾面積和重心位置。3.1.4航向穩(wěn)定性

空氣從飛機(jī)側(cè)方吹來，飛機(jī)產(chǎn)生側(cè)滑，相對氣流從左前方吹來叫左側(cè)滑，機(jī)頭右偏，對于具有航向穩(wěn)定性的飛機(jī)，向左側(cè)滑時垂直尾翼產(chǎn)生的阻尼力矩將使機(jī)頭將向左轉(zhuǎn)。3.1.5

橫向穩(wěn)定性

飛機(jī)橫向穩(wěn)定性是指飛機(jī)受到干擾后產(chǎn)生繞縱軸轉(zhuǎn)動，擾動消失后自動恢復(fù)原飛行姿態(tài)。飛機(jī)主要靠機(jī)翼產(chǎn)生橫向穩(wěn)定力矩來保證橫向穩(wěn)定性。

影響飛機(jī)橫向穩(wěn)定力矩的因素主要是機(jī)翼上反角、機(jī)翼后掠角和垂直尾翼。3.1.5

橫向穩(wěn)定性上反角：機(jī)翼的底面同垂直于飛機(jī)立軸的平面之間的夾角。上反角起到橫向穩(wěn)定的作用。當(dāng)一陣風(fēng)吹到右側(cè)機(jī)翼上，飛機(jī)右翼抬起，左翼下沉，向左傾斜，由于存在上反角，左翼有效迎角增大，升力增大，形成向右滾轉(zhuǎn)力矩，力圖減小傾斜。3.1.5

橫向穩(wěn)定性后掠角作用：后掠角越大，橫向穩(wěn)定作用也越大。當(dāng)飛機(jī)受擾動向右傾斜，由于后掠角的存在，使兩側(cè)機(jī)翼上的有效速度大小不等，右側(cè)機(jī)翼產(chǎn)生升力大于左側(cè)機(jī)翼產(chǎn)生升力，形成滾轉(zhuǎn)力矩，力圖減小傾斜。垂直尾翼橫向穩(wěn)定作用：出現(xiàn)側(cè)滑后，垂直尾翼上產(chǎn)生的附加側(cè)向力作用點(diǎn)位于飛機(jī)重心上方，因而相對于重心也形成恢復(fù)力矩。3.1.6

航向與橫向穩(wěn)定性的耦合

飛機(jī)的縱向與航向、橫向穩(wěn)定性之間互相獨(dú)立；航向與橫向穩(wěn)定性是緊密聯(lián)系和相互影響的，因此通常合稱為“橫側(cè)穩(wěn)定”。故飛機(jī)的橫向和航向穩(wěn)定性之間必須匹配適當(dāng)。如果匹配不當(dāng)，飛機(jī)將可能出現(xiàn)“螺旋不穩(wěn)定”或“荷蘭滾不穩(wěn)定”現(xiàn)象。3.1.6

航向與橫向穩(wěn)定性的耦合螺旋（尾旋）：飛機(jī)失速后機(jī)翼自轉(zhuǎn)，飛機(jī)以小半徑的圓周盤旋下降運(yùn)動。原因：飛機(jī)橫向穩(wěn)定性過弱，航向穩(wěn)定性過強(qiáng)，產(chǎn)生螺旋不穩(wěn)定。改出：立即向螺旋反方向打舵到底制止?jié)L轉(zhuǎn)。3.1.6

航向與橫向穩(wěn)定性的耦合荷蘭滾（飄擺）：非指令的時而左滾，時而右滾，同時伴隨機(jī)頭時而左偏，時而右偏的現(xiàn)象。原因：飛機(jī)的橫向穩(wěn)定性過強(qiáng)，而航向穩(wěn)定性相對過弱，飛機(jī)容易出現(xiàn)荷蘭滾不穩(wěn)定。3.2

操縱性飛機(jī)的操縱是指駕駛員通過飛機(jī)的操縱機(jī)構(gòu)來改變飛機(jī)的飛行狀態(tài)。飛機(jī)的操縱性則指飛機(jī)對操縱的反應(yīng)特性，又稱飛機(jī)的操縱品質(zhì)。飛機(jī)操縱主要通過駕駛桿和腳蹬等操縱機(jī)構(gòu)偏轉(zhuǎn)飛機(jī)的三個主操縱面---升降舵、方向舵和副翼。飛機(jī)的操縱包括俯仰操縱、方向操縱和滾轉(zhuǎn)操縱。3.2.1

俯仰操縱使飛機(jī)繞橫軸做俯仰（縱向）運(yùn)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(jī)升降舵向下或向上偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生俯仰力矩，從而使飛機(jī)低頭或抬頭做俯仰運(yùn)動。焦點(diǎn)與重心的關(guān)系影響縱向操縱性，若焦點(diǎn)在重心之后，向后移焦點(diǎn)，飛機(jī)的操縱性減弱。3.2.2

方向操縱使飛機(jī)繞立軸做偏航運(yùn)動的操縱叫方向操縱，也稱航向操縱。通過蹬左或右腳蹬，使飛機(jī)方向舵向左或向右偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生偏航力矩，從而使飛機(jī)向左或向右做偏航運(yùn)動。3.2.3

滾轉(zhuǎn)操縱使飛機(jī)繞縱軸做滾轉(zhuǎn)（傾側(cè)）運(yùn)動的操縱叫滾轉(zhuǎn)操縱。通過蹬左壓或右壓操縱桿，使飛機(jī)方向舵左、右一次向下另一側(cè)向上偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生滾轉(zhuǎn)力矩，從而使飛機(jī)向左或向右做滾轉(zhuǎn)運(yùn)動。3.2.4

輔助操縱機(jī)構(gòu)

固定翼常規(guī)無人機(jī)飛行輔助操縱面有縫翼，襟翼，調(diào)整（擾流）片。3.2.4

輔助操縱機(jī)構(gòu)—襟翼一般的襟翼位于機(jī)翼后緣，靠近機(jī)身，在副翼側(cè)，放下襟翼升力增大，失速速度減小，阻力增大，飛行速度減小。

利用增大襟翼彎度來提高機(jī)翼升力系數(shù)，機(jī)翼表面最低壓力點(diǎn)前移，減小臨界迎角。起飛階段，襟翼只放下較小的角度，增加升力；下降階段，放下最大角度，實(shí)現(xiàn)較小的下降速度，較大的下降角。起飛時下降時巡航時3.2.4

輔助操縱機(jī)構(gòu)—前緣縫翼安裝在機(jī)翼前緣的一段或極端狹長小翼面，當(dāng)前緣縫翼打開時，它與基本機(jī)翼前緣表面形成一道縫隙，下翼面的高壓氣流通過縫翼加速流向上翼面，增大上翼面附面層氣流速度，消除了分離漩渦，延緩氣流分離，避免大迎角下失速，升力系數(shù)得到提高，增大飛機(jī)臨界迎角。所以前緣縫翼一般在大迎角，特別是接近或超過基本機(jī)翼臨界迎角時才使用。3.2.4

輔助操縱機(jī)構(gòu)—擾流片飛機(jī)擾流板作用主要是增加在地面或飛行中的氣動阻力，減速；還可以輔助飛機(jī)轉(zhuǎn)彎，當(dāng)飛機(jī)左盤旋時，操縱左機(jī)翼飛行擾流板向上打開，右機(jī)翼飛行擾流板不動，右翼升力大于左翼，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)左轉(zhuǎn)。3.3

飛行性能

無人機(jī)飛行性能是描述飛機(jī)質(zhì)心運(yùn)動規(guī)律的性能，包括飛機(jī)的飛行速度、飛行高度、航程、航時、起飛和著陸性能等。與有人機(jī)不同的是，無人機(jī)幾乎涉及不到筋斗、盤旋、戰(zhàn)斗轉(zhuǎn)彎等機(jī)動性能，所以不加以討論。3.3

飛行性能—高度理論靜升限：飛機(jī)能作水平直線飛行的最大高度。實(shí)用靜升限：飛機(jī)最大爬升率等于0.5m/s（亞聲速飛機(jī)）或5m/s（超聲速飛機(jī)）所對應(yīng)的飛行高度。理論升限大于實(shí)用升限！3.3

飛行性能—高度爬升率：單位時間內(nèi)飛機(jī)所上升的垂直高度。爬升角：飛機(jī)上升軌跡與水平線之間的夾角。爬升率、爬升角反映了飛機(jī)改變高度的能力，它們的大小主要取決于飛機(jī)的剩余推力和飛機(jī)的重量。3.3

飛行性能—速度最大飛行速度：飛機(jī)在一定高度上做水平直線飛行時，在一定飛行距離內(nèi)（>3km），發(fā)動機(jī)以最大推力工作所能達(dá)到的最大飛行速度。最小飛行速度：飛機(jī)在一定高度，能產(chǎn)生足夠升力平衡重力，維持水平直線飛行的最小速度。又稱平飛所需速度。平飛有利速度：能夠獲得平飛航時最長的速度。平飛遠(yuǎn)航速度：能夠獲得平飛航程最長的速度。巡航飛行速度：發(fā)動機(jī)每公里消耗燃油量最小情況下的飛行速度。3.3

飛行性能—航程最大航程：在起飛后不再加油的情況下，飛機(jī)以巡航速度所能達(dá)到的最遠(yuǎn)距離。飛機(jī)航程的長短主要取決于燃油量。3.4

起飛與著陸性能

固定翼無人機(jī)的起降階段是需要專門進(jìn)行訓(xùn)練的，固定翼的起降航線也叫五邊航線。起降航線是固定翼駕駛員最基本的飛行訓(xùn)練科目。一(離場邊)二(側(cè)風(fēng)邊)三(下風(fēng)邊)四(基線邊)五(進(jìn)近邊)3.4.1

起飛性能飛機(jī)的起飛過程包括起飛滑跑和爬升兩個主要階段，飛機(jī)離地速度越小，滑跑距離越短，飛機(jī)的起飛性能越好。減小起飛距離的辦法：增升裝置（襟翼）、增加推力等。3.4.2

著陸性能飛機(jī)著陸的過程包括下滑，拉平，平飄，接地，著陸滑跑五個階段。著陸距離由著陸下滑距離和著陸滑跑距離組成。下滑距離與下滑角（飛行軌跡與水平面的夾角）、下滑高度有關(guān)。3.5

機(jī)動性能—過載

過載具有方向性，與物體運(yùn)動方向一致或相反的力叫做切向力，與物體運(yùn)動方向一致或相反的力與物體質(zhì)量的比值叫切向過載。與物體運(yùn)動方向垂直的力叫法向力，與物體運(yùn)動方向垂直的力與物體質(zhì)量的比值叫法向過載。所以，飛機(jī)的推力是切向力，阻力也是切向力。重力有時是切向力，有時是法向力，當(dāng)飛機(jī)垂直上升或下降時它是切向力，當(dāng)飛機(jī)平飛時，它是法向力。飛機(jī)的升力總是法向力。3.5

機(jī)動性能—盤旋盤旋：保持飛行高度不變，飛機(jī)做圓周飛行。轉(zhuǎn)彎半徑：重要的機(jī)動指標(biāo)，空速越大轉(zhuǎn)彎半徑越大。3.5

機(jī)動性能—盤旋操縱副翼使外側(cè)機(jī)翼副翼向下，內(nèi)側(cè)機(jī)翼副翼向上，外側(cè)升力大于內(nèi)側(cè)升力飛機(jī)滾轉(zhuǎn)（坡度），實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎。飛機(jī)轉(zhuǎn)彎的向心力是飛機(jī)升力的水平分力，飛機(jī)坡度增大，升力的垂直分量減小升力的水平分量增大，為保持高度需要增大迎角和油門，原因是保持升力垂直分量不變。3.5

機(jī)動性能—俯沖、筋斗、躍升在俯沖拉起、筋斗和躍升過程中，升力作為飛機(jī)的向心力，改變飛機(jī)飛行速度的方向。目錄01空氣動力學(xué)基礎(chǔ)02飛行原理P04P24

03飛行性能P4904無人機(jī)發(fā)射回收方式P8805多旋翼基礎(chǔ)知識P984.1

無人機(jī)發(fā)射方式

根據(jù)功能和任務(wù)場地的不同，無人機(jī)可以選用多種發(fā)射方式，主要有：手拋發(fā)射、彈射發(fā)射、起落架滑跑起飛、垂直起飛。發(fā)射方式手拋發(fā)射零長發(fā)射彈射發(fā)射滑跑起飛空中發(fā)射容器式發(fā)射垂直起飛4.1.1

手拋發(fā)射

手拋發(fā)射方式比較簡單，一般由1人或2人操作即可完成。手拋發(fā)射的無人機(jī)一般重量較輕，尺寸較小。手拋發(fā)射作業(yè)難度相對較大，手拋發(fā)射員必須經(jīng)過系統(tǒng)的訓(xùn)練才能進(jìn)行作業(yè)，無人機(jī)拋出的瞬間，起降駕駛員就要操縱遙控器進(jìn)行控制，迅速調(diào)整飛機(jī)油門和姿態(tài)。

4.1.2

彈射發(fā)射

無人機(jī)安裝在軌道式彈射發(fā)射架上，在壓縮空氣、橡皮筋或液壓彈射裝置的作用下，無人機(jī)能夠迅速獲得一個沖力，使無人機(jī)能夠瞬間達(dá)到飛行所需速度，從而達(dá)到起飛的目的。

一般情況下，在南方作業(yè)的隊伍比較喜歡彈射發(fā)射的方式，但是由于科技的進(jìn)度，彈射發(fā)射有被手拋發(fā)射和垂直起降取代的趨勢。

4.1.3

起落架滑跑起飛

起落架滑跑起飛是固定翼無人機(jī)起飛最主要的方式，但是需要起降場地需要有滿足起飛條件的跑道，局限性較大。4.1.3

垂直起飛

垂直起飛分為兩種不同的機(jī)型：固定翼無人機(jī)和旋翼無人機(jī)。4.2

無人機(jī)回收方式

無人機(jī)的回收方式可以歸納為：傘降回收、起落架滑跑著陸、垂直著陸?；厥辗绞絺憬祷厥湛罩谢厥栈苤憯r阻網(wǎng)回收垂直著陸4.2.1

傘降回收

對應(yīng)于手拋、彈射起飛的無人機(jī)，一般采用傘降回收。無人機(jī)結(jié)束飛行任務(wù)之后，小油門或熄火狀態(tài)滑翔到降落點(diǎn)上空盤旋降高，當(dāng)下降到預(yù)定高度后開傘降落，然后地面人員進(jìn)行回收。

降落時由遙控器指令控制或自主控制開傘，降落傘由主傘和減速傘組成二級傘。4.2.2

起落架滑跑著陸

滑跑起飛，對應(yīng)于滑跑著陸?；苤憣ε艿烙幸欢ǖ囊螅热纾号艿郎蠠o雜物，跑道要平直且有足夠的距離。

固定翼無人機(jī)滑跑降落對無人機(jī)駕駛員操縱技術(shù)要求很高，事故一般發(fā)生在這個階段。4.2.3

垂直著陸

垂直起降固定翼和旋翼都采用垂直回收方式。回收步驟和起飛正好相反。目錄01空氣動力學(xué)基礎(chǔ)02飛行原理P04P24

03飛行性能P4904無人機(jī)發(fā)射回收方式P8805多旋翼基礎(chǔ)知識P985.1

多旋翼概念多旋翼飛行器也稱多軸飛行器，是一種具有三個及以上旋翼軸的特殊直升機(jī)。多軸飛行器每個“軸”上，一般連接1個電調(diào)，1個電機(jī)，電動機(jī)轉(zhuǎn)動帶動旋翼產(chǎn)生升推力。5.2

多旋翼系統(tǒng)組成

多旋翼飛行器系統(tǒng)主要包括：機(jī)體結(jié)構(gòu)、飛控系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、機(jī)載鏈路系統(tǒng)。5.2.1

機(jī)體結(jié)構(gòu)機(jī)體結(jié)構(gòu)是其他所有機(jī)載設(shè)備、模塊的載體。典型的機(jī)體結(jié)構(gòu)包括：機(jī)架、支臂、腳架、云臺。5.2.1

機(jī)體結(jié)構(gòu)

機(jī)架：裝載各類設(shè)備、動力電池或燃料，同時它是其他結(jié)構(gòu)部件的安裝基礎(chǔ)。

支臂：機(jī)架結(jié)構(gòu)的延伸，用以擴(kuò)充軸距，安裝動力電機(jī)，有些多旋翼的腳架也安裝在支臂上。

云臺：任務(wù)設(shè)備的承載結(jié)構(gòu)。

腳架：用來支撐停放、起飛和著陸的部件。5.2.2

飛控系統(tǒng)

飛控全稱導(dǎo)航飛控系統(tǒng)，多軸飛行器的飛控指的是機(jī)載導(dǎo)航飛控系統(tǒng)，又稱自動駕駛儀，它包含飛控子系統(tǒng)和導(dǎo)航子系統(tǒng)兩部分。角速度傳感器姿態(tài)傳感器加速度計空速傳感器導(dǎo)航子系統(tǒng)（按航線飛行）飛控子系統(tǒng)（姿態(tài)穩(wěn)定與控制）位置傳感器(GPS)高度計飛行姿態(tài)執(zhí)行機(jī)構(gòu)|槳內(nèi)環(huán)外環(huán)飛控計算機(jī)5.2.2

飛控系統(tǒng)—飛控硬件多旋翼飛控系統(tǒng)全部集成在一塊電路板上，我們稱之為飛控板。飛控板可集成全部的傳感器：3軸角速度陀螺儀、3軸加速度計、3軸磁力計、高度計、空速傳感器、GPS接收機(jī)以及計算單元。5.2.2

飛控系統(tǒng)—IMU慣導(dǎo)傳感器

IMU慣性導(dǎo)航傳感器是DOF（DegreeOfFreedom，自由度）系統(tǒng)的核心，為多旋翼提供姿態(tài)、速度和位置等參數(shù),全稱“慣性測量單元”。是測量物體三軸姿態(tài)（或角速率）以及加速度的裝置。5.2.2

飛控系統(tǒng)—GPS接收機(jī)

GPS接收機(jī)獲取位置信息，多軸飛行器GPS定位中，最少達(dá)到4~5顆星，才能夠在飛行中保證基本的安全。GPS天線應(yīng)盡量安裝在飛行器頂部。

大多數(shù)多軸飛行器自主飛行過程利用GPS實(shí)現(xiàn)位置的感知。5.2.2

飛控系統(tǒng)—磁力計

磁力計為多旋翼提供角度信息，其功能等同于指南針。多軸飛行器在沒有發(fā)生機(jī)械結(jié)構(gòu)改變的前提下，如發(fā)生漂移，不能直線飛行時，通常就需要校準(zhǔn)磁羅盤。如果無人機(jī)發(fā)生遠(yuǎn)距離轉(zhuǎn)場，尤其是東西方向的遠(yuǎn)距離轉(zhuǎn)場，必須校準(zhǔn)磁羅盤。

5.2.2

飛控系統(tǒng)—飛控軟件飛控基本情況優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)KK飛控開源，只使用三個成本低廉的單軸陀螺價格便宜，硬件結(jié)構(gòu)簡單功能簡單，無自穩(wěn)、定高，不能姿態(tài)控制,無GPSAPM飛控開源，配有地面站軟件可實(shí)現(xiàn)自穩(wěn)、定高、姿態(tài)控制調(diào)試復(fù)雜MWC飛控開源，配有地面站軟件成本低，架構(gòu)簡單性能不及APM、PIXHawkDJINAZA飛控不開源，穩(wěn)定，商業(yè)軟件功能全，控制穩(wěn)定價格昂貴PX4和PIXHawk開源，配有地面站軟件固件代碼結(jié)構(gòu)好，利于開發(fā)代碼不如APM成熟5.2.2

飛控系統(tǒng)—飛控軟件5.2.3

動力系統(tǒng)

多旋翼無人機(jī)動力系統(tǒng)的組成為：螺旋槳、電機(jī)、電調(diào)、電池。5.2.3

動力系統(tǒng)—螺旋槳螺旋槳時安裝在電機(jī)上為多旋翼無人機(jī)提供升力的裝置。螺旋槳是一個旋轉(zhuǎn)的翼面，適用于機(jī)翼的空氣動力學(xué)原理。產(chǎn)生升力的大小依賴于槳葉的平面形狀、螺旋槳葉迎角和電機(jī)的轉(zhuǎn)速。多軸飛行器常用螺旋槳的剖面形狀凹凸型，更接近于固定翼飛機(jī)螺旋槳。5.2.3

動力系統(tǒng)—螺旋槳當(dāng)槳葉旋轉(zhuǎn)時，槳尖的線速度大于將根處的線速度，為了使從轂軸到將尖產(chǎn)生一致的升力，螺旋槳葉設(shè)計為負(fù)扭轉(zhuǎn)：槳根處迎角大于槳尖處迎角，則槳根處升力系數(shù)大于槳尖處升力系數(shù)。5.2.3

動力系統(tǒng)—螺旋槳多旋翼無人機(jī)一般選用兩葉槳，因?yàn)橥患芏噍S飛行器，在同樣做好動力匹配的前提下兩葉槳的效率高。三葉槳的動力強(qiáng)勁，但因?yàn)樾枰窒嗟男D(zhuǎn)阻力，效率比兩葉低，兩葉槳效率高，體現(xiàn)在飛行時間上。5.2.3

動力系統(tǒng)—螺旋槳

多旋翼為了抵消單個螺旋槳的反扭矩，各個槳的旋轉(zhuǎn)方向是不一樣的，所以需要正、反槳。正槳：頂視逆時針旋轉(zhuǎn)，用CCW表示。反槳：頂視順時針旋轉(zhuǎn)，用CW表示。5.2.3

動力系統(tǒng)—電機(jī)多軸飛行器動力系統(tǒng)多為電動系統(tǒng)，因?yàn)殡妱酉到y(tǒng)形式簡單且電機(jī)速度響應(yīng)快。主要使用外轉(zhuǎn)子三相交流無刷同步電動機(jī)。多軸飛行器使用的電機(jī)都是交流電機(jī)，電機(jī)通過三根線和電調(diào)連接，從電調(diào)取電，一般如果想要電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)，只需要把三根線中的兩根互換一下即可。無刷電機(jī)去除了電刷，運(yùn)轉(zhuǎn)時摩擦力大大減小。所以無刷電機(jī)的效率較有刷電機(jī)更高。5.2.3

動力系統(tǒng)—電機(jī)4108外轉(zhuǎn)子無刷電機(jī)（KV480）4108：定子直徑41mm

定子高度08mm大小尺寸電壓增加1V，無刷電機(jī)每分鐘空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速增加的轉(zhuǎn)速值KV值轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速為3000轉(zhuǎn)意思為每分鐘3000轉(zhuǎn)。5.2.3

動力系統(tǒng)—電機(jī)電機(jī)與螺旋槳的匹配，電機(jī)、螺旋槳與多旋翼整機(jī)的匹配，都是非常復(fù)雜的問題，所以建議采用經(jīng)驗(yàn)配置。選布局—選槳—選電機(jī)—選電調(diào)—選電池；大螺旋槳用低KV電機(jī)，小螺旋槳高KV電機(jī)；小螺旋槳因?yàn)樾枰棉D(zhuǎn)速來彌補(bǔ)升力。選擇動力冗余配置；六、八軸飛行器具有一定的冗余度，即某一個電機(jī)發(fā)生故障時，只需將對角電機(jī)做出類似停止，仍保留動力完成降落或返航。5.2.3

動力系統(tǒng)—電調(diào)電子調(diào)速器ESC簡稱電調(diào)。其作用是根據(jù)飛控的控制信號，將電池的直流輸入轉(zhuǎn)變成一定頻率的交流輸出，用于控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。多軸飛行器使用的電調(diào)通常被劃分為有刷電調(diào)和無刷電調(diào)，多軸飛行器一般使用無刷電調(diào)。

電調(diào)上最粗的紅線和黑線用來連接動力電池；較細(xì)的白紅黑3色排線，也叫杜邦線，用來連接飛控；另一端3根單色線連接電機(jī)，如任意調(diào)換其中2根與電機(jī)的連接順序，電機(jī)反向運(yùn)轉(zhuǎn)。5.2.3

動力系統(tǒng)—電調(diào)電流規(guī)格：電調(diào)上標(biāo)有“20A”字樣，意思是指電調(diào)所能承受的最大瞬間電流是20安培；一般多旋翼上我們選取懸停電流4倍到5倍規(guī)格的電調(diào)使用，這樣可以給電流留夠充足的余量。供電能力：電調(diào)上有BEC5V字樣，意思是指電調(diào)能從杜邦線向外輸出5V的電壓。5.2.3

動力系統(tǒng)—電調(diào)多軸飛行器電機(jī)與電調(diào)的匹配和測試時一大難題。因?yàn)殡娬{(diào)輸出的驅(qū)動交流相位與電機(jī)設(shè)計如果不匹配，會造成堵轉(zhuǎn)，導(dǎo)致嚴(yán)重后果。在常規(guī)飛行和小負(fù)載情況下，很多電機(jī)與電調(diào)的不兼容表現(xiàn)不明顯。但在做大機(jī)動外界氣流對轉(zhuǎn)速干擾過大時，或人工快速調(diào)節(jié)油門桿時，可能會出現(xiàn)問題，表現(xiàn)為瞬間一個或多個電機(jī)驅(qū)動缺相，“咻”一聲失去動力直接炸機(jī)。要完全杜絕和排除此類問題也比較困難，因?yàn)楝F(xiàn)有小尺度的多旋翼，幾乎100%時開環(huán)結(jié)構(gòu)，無法檢測到每個電機(jī)是否轉(zhuǎn)速正常。5.2.3

動力系統(tǒng)—電調(diào)建議最基礎(chǔ)測試電機(jī)與電調(diào)兼容性的方案：在地面拆除螺旋槳，姿態(tài)或增穩(wěn)模式啟動，啟動后油門推至50%，大角度晃動機(jī)身、快速大范圍變化油門量，使飛控輸出動力。仔細(xì)聆聽電機(jī)轉(zhuǎn)動聲音，并測量電機(jī)溫度，觀察室否出現(xiàn)缺相。在調(diào)試前，用遙控器設(shè)置電調(diào)時，需要接上電機(jī)。5.2.3

動力系統(tǒng)—電池

多軸飛行器使用的動力電池一般為聚合物鋰電池。它屬于鋰離子電池的一種。

鋰離子電池優(yōu)點(diǎn)：

1）電壓高，單體電池的工作電壓高達(dá)3.7~3.8V。

2)循環(huán)壽命長，一般均可達(dá)到500次以上，安全性能好。

3）比能量大，材料能達(dá)到理論值88%的比容量，即同樣容量不同類型的電池，最輕的是聚合物鋰電池，同樣重量不同類型的電池，容量最大的是聚合物鋰電池。5.2.3

動力系統(tǒng)—電池

電池容量：安時（Ah）或者毫安時（mAh）。如圖所示，例如，17000mAh表示以17000毫安放電，能夠持續(xù)1小時。嚴(yán)格的講，電池容量應(yīng)該以Wh表示，Ah乘以電壓就是Wh，例如，民航旅客行李中攜帶鋰電池的額定能量超過160Wh嚴(yán)禁攜帶。

5.2.3

動力系統(tǒng)—電池

充、放電倍率（C數(shù)）：一般鋰聚合物電池有兩個c數(shù)，例：穿越機(jī)電池一般為5c-30c，表示最大能夠以5倍的額定電流充電，最大能夠以30倍額定電流放電。

例1：如果17000mah，6s1p鋰聚合物電池以2c充電，求充電電流和充電時間？

電流I=額定電流*充放電倍率c=17a*2c=34a

時間T=1/充放電倍率c（單位小時）=1/2h

=60/充放電倍率c（單位分鐘）=60/2=30min5.2.3

動力系統(tǒng)—電池電池電壓：聚合物鋰電池單體標(biāo)稱電壓3.7V，充電后電壓可達(dá)4.2V，放電后的保護(hù)電壓3.6V。為了能有更高的工作電壓和電量，必須對電池單體進(jìn)行串聯(lián)或并聯(lián)電池組，電池組上：S表示串聯(lián)，P表示并聯(lián)。3S2P字樣，代表電池組先由3個單體串聯(lián)，再將串聯(lián)后的2組并聯(lián)，3S

有11.1V。

一般鋰聚合物電池上都有2組線。1組是輸出線（粗，紅黑各1根）；1組是單節(jié)鋰電引出線（細(xì)，與S數(shù)有關(guān)），用以監(jiān)視平衡充電時的單體電壓。

多軸飛行器飛行中，圖像疊加OSD信息顯示的電壓一般為電池的負(fù)載電壓。5.2.3

動力系統(tǒng)—電池鋰電池在使用時必須串聯(lián)才能達(dá)到使用電壓需要，因此聚合物電池需要專用的充電器，盡量選用平衡充電器。根據(jù)充電原理的不同分為串型式平衡充電器和并行式平衡充電器。并行式平衡充電器使被充電的電池塊內(nèi)部每節(jié)串聯(lián)電池都配備一個單獨(dú)的充電回路，互不干涉，毫無牽連。5.2.3

動力系統(tǒng)—油電混動

為了克服電動無人機(jī)續(xù)航能力短的問題，目前市場上推出了油電混動型的多旋翼無人機(jī)。5.2.4

鏈路系統(tǒng)

民用多旋翼無人機(jī)的通訊鏈路系統(tǒng)比較簡單，就2~3條鏈：遙控鏈路、數(shù)傳鏈路、圖傳鏈路。5.2.4

鏈路系統(tǒng)—遙控鏈路遙控鏈路就是我們手里的遙控器和無人機(jī)上的遙控接收機(jī)構(gòu)成的，其為上傳的單向鏈路；我們發(fā)指令，飛機(jī)收指令；用于視距內(nèi)控制飛機(jī)。遙控器機(jī)載接收機(jī)

多軸飛行時地面人員手里拿的“控”指的就是地面遙控發(fā)射機(jī)，多軸飛行器的遙控器一般有4個及以上通道。多軸飛行器上的電信號傳播順序一般為機(jī)載遙控接收機(jī)—飛控—電調(diào)—電機(jī)。5.2.4

鏈路系統(tǒng)—數(shù)傳鏈路遙數(shù)傳鏈路由筆記本連接的一個模塊和飛機(jī)上的一個模塊構(gòu)成雙向鏈路；我們發(fā)修改航點(diǎn)等指令，飛機(jī)受；飛機(jī)發(fā)位置、電壓等信息，我們收；用于視距外控制飛機(jī)。地面站機(jī)載模塊

多軸飛行器上的鏈路天線應(yīng)盡量遠(yuǎn)離飛控和GPS天線安裝。5.2.4

鏈路系統(tǒng)—圖傳鏈路圖傳鏈路由飛機(jī)上的發(fā)射模塊和地面上的接收模塊構(gòu)成的，下傳的單向鏈路；飛機(jī)發(fā)圖像，我們收圖像；用于監(jiān)控攝像頭方向和效果。5.3

多旋翼氣動布局

由于多旋翼的槳平面是向上安裝的，由螺旋槳直接提供機(jī)體所需的升力，而螺旋槳在旋轉(zhuǎn)的時候又會產(chǎn)生反扭力，使無人機(jī)的機(jī)體向螺旋槳旋轉(zhuǎn)的反向轉(zhuǎn)向，為了克服這個反扭力，設(shè)計成兩兩對應(yīng)的雙數(shù)螺旋槳結(jié)構(gòu)或者在單數(shù)螺旋槳上安裝舵機(jī)。

按照要求和使用習(xí)慣不同，多旋翼可以設(shè)計成不同的氣動結(jié)構(gòu)，主要有：十字型、X字型、Y字型、H字型。5.3

多旋翼氣動布局—十字型優(yōu)點(diǎn)：前后左右飛行控制比較直觀，只需改變少了電機(jī)轉(zhuǎn)速即可實(shí)現(xiàn)；缺點(diǎn)：飛行正前方有螺旋槳，航拍等應(yīng)用時會造成影響。5.3

多旋翼氣動布局—X字型

X字型4軸飛行器右前方的旋翼一般多為俯視逆時針旋轉(zhuǎn)。操縱升降和副翼時，一般會有多個電機(jī)參與，不論是操縱性還是穩(wěn)定性，都要比十字型要好。5.3

多旋翼氣動布局—Y字型、H字型缺點(diǎn)：尾旋翼需要使用一個舵機(jī)來平衡扭矩，增加了機(jī)械復(fù)雜性和控制難度。Y型優(yōu)點(diǎn)：動力組較少，成本低；外形炫酷，前方視線開闊。H型

H型比較容易設(shè)計成折疊結(jié)構(gòu)，且擁有X型相當(dāng)?shù)奶攸c(diǎn)。5.3

多旋翼氣動布局—4\6\8旋翼單純從氣動效率出發(fā)，旋翼越大，效率越高，同樣起飛重量的4軸飛行器比8軸飛行器的效率高，故軸數(shù)越多載重能力不一定越大。5.4

多旋翼結(jié)構(gòu)形式無邊框常規(guī)固定式簡單實(shí)用，強(qiáng)度好且質(zhì)量輕；螺旋槳無保護(hù)，不夠安全；腳架影響機(jī)載設(shè)備視線。帶邊框常規(guī)固定式防止磕碰提高安全性；增加重量，減少航時。5.4

多旋翼結(jié)構(gòu)形式穿越式——追求速度多采用H型氣動布局；動力強(qiáng)，機(jī)身小巧；多數(shù)無腳架，安裝前置攝像頭。手動水平\垂直變現(xiàn)式便于存儲與運(yùn)輸5.4

多旋翼結(jié)構(gòu)形式自動腳架收放式改善機(jī)載設(shè)備視野；減小阻力，增加抗風(fēng)性；但會有小幅重量增加。自動整體變形式飛行中完成整體變形；支臂變形到最下方就是腳架；支臂變形到最上方改善機(jī)載設(shè)備視野。5.5

多旋翼的運(yùn)動

旋翼的運(yùn)動模式主要有：垂直上升下降運(yùn)動；繞多軸飛行器橫軸俯仰運(yùn)動；繞多軸飛行器縱軸滾轉(zhuǎn)運(yùn)動；繞多軸飛行器立軸偏航運(yùn)動。

對于多軸飛行器而言，旋翼既是升力面又是縱橫向和航向的操縱面，旋翼所有的運(yùn)動都是通過改變旋翼速度來實(shí)現(xiàn)。5.5.1

垂直運(yùn)動通過控制四個旋翼的轉(zhuǎn)速產(chǎn)生升力實(shí)現(xiàn)垂直運(yùn)動或者懸停，且四個螺旋槳轉(zhuǎn)速必須一致。5.5.2

俯仰運(yùn)動

多旋翼無人機(jī)的俯仰運(yùn)動和固定翼的俯仰運(yùn)動不同。固定翼無人機(jī)機(jī)頭下俯，飛機(jī)向下飛行，機(jī)頭上仰，飛機(jī)向上飛行。而多旋翼在做俯仰運(yùn)動的時候，機(jī)頭下俯，飛機(jī)向前飛行，機(jī)頭上仰，飛機(jī)向后飛行。

橫軸前后側(cè)的螺旋槳轉(zhuǎn)速不同，可實(shí)現(xiàn)俯仰運(yùn)動。如實(shí)現(xiàn)向后移動則橫軸前側(cè)的螺旋槳加速，橫軸后側(cè)的螺旋槳減速。5.5.3

滾轉(zhuǎn)運(yùn)動

和多旋翼無人機(jī)的俯仰運(yùn)動類似，多旋翼也可以實(shí)現(xiàn)滾轉(zhuǎn)運(yùn)動。當(dāng)向左滾轉(zhuǎn)時飛機(jī)向左平移，向右滾轉(zhuǎn)時飛機(jī)向右平移。

縱軸左右側(cè)的螺旋槳轉(zhuǎn)速不同，可實(shí)現(xiàn)滾轉(zhuǎn)運(yùn)動。如實(shí)現(xiàn)向左移動則縱軸右側(cè)的螺旋槳加速，縱軸左側(cè)的螺旋槳減速。

5.5.4

偏航運(yùn)動

多旋翼無人機(jī)的偏航運(yùn)動指的是機(jī)頭方向的改變。

多軸飛行器的旋翼旋轉(zhuǎn)方向一般為俯視多軸飛行器兩兩對應(yīng)，相鄰旋翼旋轉(zhuǎn)方向則相反，當(dāng)轉(zhuǎn)速一致時，可抵消反扭力矩。如：四旋翼飛行器上螺旋槳兩兩相對應(yīng)。當(dāng)相對的2個槳加速，另2個槳減速，反扭力矩不平衡，飛機(jī)改變航向。

5.6

典型應(yīng)用多旋翼無人機(jī)應(yīng)用軍事應(yīng)用航拍航測農(nóng)林植保線路巡檢貨物運(yùn)輸通信中繼5.6.1

航拍航測航拍：又稱航空攝影，記錄拍攝對象及其所在地理環(huán)境的外部信息；航測，又稱攝影測量與遙感，獲取有關(guān)目標(biāo)的時空信息。航拍多為影視服務(wù)，航測多為地理信息服務(wù)；航拍多使用攝像機(jī)，航測多使用高性能照相機(jī)；航拍多搭載3軸穩(wěn)定云臺，航測多搭載對地正式云臺；5.6.1

航拍航測相對于傳統(tǒng)航拍，多旋翼航拍有以下優(yōu)勢