無人機(jī)結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)課件：無人機(jī)結(jié)構(gòu)與飛行原理

無人機(jī)結(jié)構(gòu)與飛行原理

根據(jù)不同平臺構(gòu)型，無人機(jī)主要分為固定翼無人機(jī)、無人直升機(jī)和多旋翼無人機(jī)三大平臺。本章主要介紹了固定翼無人機(jī)、無人直升機(jī)和多旋翼無人機(jī)的結(jié)構(gòu)組成及飛行原理和飛行控制，以便讀者全面系統(tǒng)地認(rèn)識無人機(jī)機(jī)體平臺及原理。學(xué)習(xí)導(dǎo)論無人機(jī)結(jié)構(gòu)與飛行原理學(xué)習(xí)目標(biāo)1.掌握多旋翼無人機(jī)結(jié)構(gòu)組成名稱及每種結(jié)構(gòu)主要參數(shù)；2.了解每種結(jié)構(gòu)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(jī)體坐標(biāo)及飛行姿態(tài)；5.掌握無人直升機(jī)結(jié)構(gòu)組成名稱、槳轂種類及自動傾斜器組成；6.了解每種結(jié)構(gòu)組成；7.掌握無人直升機(jī)飛行原理、飛行操縱及常見無人直升機(jī)結(jié)構(gòu)型式；8.了解無人直升機(jī)種類；9.掌握固定翼無人機(jī)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(jī)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(jī)結(jié)構(gòu)與飛行原理無人機(jī)結(jié)構(gòu)與飛行原理無人機(jī)結(jié)構(gòu)與飛行原理無人機(jī)結(jié)構(gòu)與飛行原理機(jī)體坐標(biāo)軸和基本運(yùn)動狀態(tài)第一節(jié)多旋翼無人機(jī)的結(jié)構(gòu)及飛行原理第二節(jié)無人直升機(jī)的結(jié)構(gòu)及飛行原理第三節(jié)固定翼無人機(jī)的結(jié)構(gòu)及飛行原理第四節(jié)1.1機(jī)體坐標(biāo)軸和基本運(yùn)動狀態(tài)1.1機(jī)體坐標(biāo)軸和基本運(yùn)動狀態(tài)

（1）縱軸（ox）從機(jī)頭穿透機(jī)身的中心，從機(jī)尾穿出來的軸線，方向指向前。無人機(jī)沿著縱軸的水平運(yùn)動稱為前后運(yùn)動，圍繞縱軸的運(yùn)動稱為滾轉(zhuǎn)運(yùn)動。（2）橫軸（oz）從一邊的機(jī)翼末端，穿過機(jī)翼、機(jī)身，再從另一邊機(jī)翼延伸到末端穿出來的軸線。無人機(jī)沿著橫軸的水平運(yùn)動稱為左右運(yùn)動，圍繞橫軸的運(yùn)動稱為俯仰運(yùn)動。（3）立軸（oy）由上往下通過無人機(jī)重心，并與縱軸（ox）和橫軸（oz）相互垂直的軸線。無人機(jī)沿著立軸的水平運(yùn)動稱為升降運(yùn)動，圍繞立軸的運(yùn)動稱為偏航運(yùn)動。圖1-1機(jī)體坐標(biāo)軸1.2多旋翼無人機(jī)的結(jié)構(gòu)及飛行原理1.2.1結(jié)構(gòu)組成

多旋翼無人機(jī)實質(zhì)上是屬于直升機(jī)的范疇，按軸數(shù)分為三軸、四軸、六軸、八軸等。按電機(jī)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(jié)構(gòu)的任務(wù)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(yīng)用中，多旋翼無人機(jī)大多采用X型外形結(jié)構(gòu)。但對于初學(xué)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(qiáng)度和可彎曲度，易加工且價格便宜。2)玻璃纖維：剛度和強(qiáng)度比較高，加工困難，價格較高，但密度小，可以減輕整體機(jī)架的重量。3)碳纖維：剛度和強(qiáng)度高，加工困難，價格較高，但密度小，可以減輕整體機(jī)架的重量。出于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和重量考慮，一般采用碳纖維材質(zhì)。1.2.1結(jié)構(gòu)組成1.機(jī)架（1）材質(zhì)（2）軸距軸距是多旋翼無人機(jī)的重要尺寸參數(shù)，是指多旋翼無人機(jī)兩個驅(qū)動軸軸心的距離，即為對角線上的兩電機(jī)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(jī)（1）尺寸在無刷電機(jī)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(jī)的尺寸，前面兩位數(shù)字是電機(jī)轉(zhuǎn)子的內(nèi)直徑，后面兩位數(shù)字是電機(jī)轉(zhuǎn)子的高度，單位為毫米。例如2212電機(jī)的內(nèi)直徑為22mm，轉(zhuǎn)子的高度為12mm。前面兩位數(shù)字越大，電機(jī)越肥，后面兩位數(shù)字越大，電機(jī)越高。高大粗壯的電機(jī)，功率就更大，適合做更大的多旋翼無人機(jī)。（2）KV值在無刷電機(jī)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(dāng)電機(jī)的輸入電壓增加1伏特，無刷電機(jī)空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速增加的轉(zhuǎn)速值，單位是“轉(zhuǎn)速/伏特”（RPM/V）。例如KV950電機(jī)，外加1V電壓，電機(jī)空轉(zhuǎn)時每分鐘轉(zhuǎn)950轉(zhuǎn)；外加2V電壓，電機(jī)的空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速就1900轉(zhuǎn)/分；電壓為10V的時候，電機(jī)的空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速達(dá)到9500轉(zhuǎn)/分。單從KV值，不可以評價電機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)1.2.1結(jié)構(gòu)組成3.電子調(diào)速器(ESC)（1）電調(diào)的作用1)電機(jī)調(diào)速：將飛控的控制信號轉(zhuǎn)化為電流的大小，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。2)變壓供電：將電池電壓變?yōu)轱w控板和遙控接收機(jī)需要的電壓。3)電源轉(zhuǎn)化：將電池直流電轉(zhuǎn)換為交流電供給無刷電機(jī)。4)其他功能：如電池保護(hù)、啟動保護(hù)、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(dá)、中特威等，還有一些較為昂貴的電調(diào)，如蝎子和風(fēng)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(dá)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(jī)響應(yīng)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(dá)到最佳。可通過編程卡、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(shè)置電調(diào)參數(shù)。圖1-7電調(diào)1.2.1結(jié)構(gòu)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(jī)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(jié)構(gòu)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(yīng)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(guān)），充電時按說明書，都插入充電器內(nèi)，就可以進(jìn)行平衡充電了。1.2.1結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)的螺旋槳稱為正漿，逆時針旋轉(zhuǎn)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(jī)旋轉(zhuǎn)方向一致）。（3）電機(jī)與螺旋槳的搭配（2）正反槳大螺旋槳就需要采用低KV電機(jī)，小螺旋槳就需要采用高KV電機(jī)（因為需要用轉(zhuǎn)速來彌補(bǔ)升力不足）。不同的電機(jī)需要使用對應(yīng)的螺旋槳，如表1-1所示。表1-1電機(jī)與螺旋槳的搭配1.2.1結(jié)構(gòu)組成6.飛行控制系統(tǒng)

飛行控制系統(tǒng)是多旋翼無人機(jī)的核心設(shè)備，飛控系統(tǒng)的好壞從本質(zhì)上決定了無人機(jī)的飛行性能。飛行控制系統(tǒng)集成了高精度的感應(yīng)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(zhǔn)地感應(yīng)并計算出無人機(jī)的飛行姿態(tài)等數(shù)據(jù)，再通過主控制單元實現(xiàn)精準(zhǔn)定位懸停和自主平穩(wěn)飛行。根據(jù)機(jī)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(jī)的飛行控制系統(tǒng)。1.2.1結(jié)構(gòu)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(jī)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(xí)機(jī)、滑翔機(jī)。遙控特技固定翼無人機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)的種類和用途而定。對于近距離飛行的小型無人機(jī)，選用遙控距離為200米的遙控系統(tǒng)；對于無人靶機(jī)、飛艇或大型無人機(jī)，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(jī)（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(jī)之間通過無線電波進(jìn)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(yīng)快、精度高等優(yōu)點(diǎn)。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(jī)圖1-10遙控系統(tǒng)1.2.1結(jié)構(gòu)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(chǔ)，簡單地說，流體的速度越大，靜壓力越?。凰俣仍叫。o壓力越大。升力公式？

以四旋翼無人機(jī)為例，詳細(xì)講解如下：如圖1-11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)，因此當(dāng)無人機(jī)平衡飛行時，陀螺效應(yīng)和空氣動力扭矩效應(yīng)均被抵消。與電動直升機(jī)相比，四旋翼飛行器有下列優(yōu)勢：各個旋翼對機(jī)身所施加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)的同時，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。四旋翼無人機(jī)在空間共有六個自由度（分別沿3個坐標(biāo)軸作平移和旋轉(zhuǎn)動作），這六個自由度的控制都可以通過調(diào)節(jié)不同電機(jī)的轉(zhuǎn)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(jī)飛行原理1.2多旋翼無人機(jī)的結(jié)構(gòu)及飛行原理1.2.3飛行控制

圖1-11中，當(dāng)同時增加四個電機(jī)的輸出功率，螺旋槳轉(zhuǎn)速增加使得總的升力增大，當(dāng)總升力足以克服整機(jī)的重量時，四旋翼無人機(jī)便離地垂直上升；反之，同時減小四個電機(jī)的輸出功率，四旋翼無人機(jī)則垂直下降，直至平衡落地，實現(xiàn)了沿z軸的垂直運(yùn)動。當(dāng)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(jī)的自重時，四旋翼無人機(jī)便保持懸停狀態(tài)。保證四個螺旋槳轉(zhuǎn)速同步增加或減小是垂直運(yùn)動的關(guān)鍵。圖1-11四旋翼無人機(jī)飛行原理1.垂直運(yùn)動，即升降控制1.2多旋翼無人機(jī)的結(jié)構(gòu)及飛行原理1.2.3飛行控制

圖1-12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和電機(jī)4的轉(zhuǎn)速保持不變。為了不因為螺旋槳轉(zhuǎn)速的改變引起四旋翼無人機(jī)整體扭矩及總拉力改變，螺旋槳1與螺旋槳3轉(zhuǎn)速變量的大小應(yīng)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(jī)身繞y軸旋轉(zhuǎn)（方向如圖1-12）；四旋翼無人機(jī)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(jī)的后飛運(yùn)動。抬頭，向后飛。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)，低頭，向前飛，實現(xiàn)四旋翼無人機(jī)的俯仰運(yùn)動及前后運(yùn)動。2.俯仰運(yùn)動、前后運(yùn)動圖1-12俯仰運(yùn)動

與圖1-12的原理相同，在圖1-13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