《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形式共課時授課班級授課日期年月日教學目的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)及時間分配復習引入…………………..……（5分鐘）教學內(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）課后體會教學過程及教學內(nèi)容[復習引入]討論：竹蜻蜓、牛頓第三定律、扭矩與反扭矩[教學內(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);●當轉(zhuǎn)速增加進一步提高時，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。●多旋翼無人機中，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)）?！褫斎腚娏髟酱?，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)，這樣設計的目的是∶當電機轉(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，進而達到飛行姿態(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，陀螺效應和空氣動力扭矩效應全被抵消。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，當四個電機轉(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習主要包括兩