《無人機組裝與調(diào)試（微課版）》課件 項目四 任務一 固定翼無人機概述

無人機組裝與調(diào)試

項目四固定翼無人機組裝與調(diào)試

固定翼無人機概述01目錄CONTENTS02固定翼無人機機體組裝03固定翼無人機動力系統(tǒng)安裝04固定翼無人機飛行控制系統(tǒng)安裝無人機飛行測試05固定翼無人機系統(tǒng)調(diào)試無人機飛行測試06固定翼無人機飛行測試學習目標知識1.了解固定翼無人機各組件類型，熟悉固定翼無人機的氣動特點，掌握固定翼無人機飛行原理；2.掌握固定翼無人機機體組件安裝步驟；3.熟悉固定翼無人機動力系統(tǒng)的組成、動力系統(tǒng)選型要求及動力系統(tǒng)的電機、螺旋槳安裝要求；4.熟悉固定翼無人機飛控系統(tǒng)的工作原理、組成及飛行控制系統(tǒng)的安裝要求；5.掌握固定翼無人機系統(tǒng)調(diào)試的要點、方法與步驟；6.了解固定翼無人機飛行前測試注意事項。01知識。技能素養(yǎng)1.能夠完成固定翼無人機機體組裝；2.掌握固定翼無人機動力系統(tǒng)安裝步驟及安裝注意事項，能夠完成固定翼無人機動力系統(tǒng)安裝；3.掌握固定翼無人機飛行控制系統(tǒng)安裝步驟，能夠完成固定翼無人機飛行控制系統(tǒng)的安裝；4.能夠完成固定翼無人機遙控系統(tǒng)調(diào)試、固定翼無人機動力系統(tǒng)調(diào)試以及固定翼無人機飛控系統(tǒng)調(diào)試；5.能夠根據(jù)要求完成固定翼無人機無槳調(diào)試和有槳調(diào)試，完成無人機飛行測試。1.具備良好的安全意識和飛行操作技能，能夠獨立完成無人機的起飛、飛行和降落等操作；2.能夠識別和排除無人機常見故障，并能快速處理和修復無人機問題；3.具備團隊協(xié)作精神和溝通能力，能夠與其他無人機團隊成員有效合作。任務一固定翼無人機概述任務要點本任務主要介紹固定翼無人機的相關理論知識，包括固定翼無人機基本結(jié)構和固定翼無人機的氣動特點。通過本任務的學習，使學生能夠了解固定翼無人機各組件類型，掌握固定翼無人機飛行原理，為后續(xù)組裝調(diào)試工作奠定基礎。一、固定翼無人機基本結(jié)構固定翼無人機是使用較為廣泛，且具有代表性的無人駕駛航空器，主要由機身、機翼、尾翼、起落裝置和動力系統(tǒng)五大部分組成，如下圖所示。一、固定翼無人機基本結(jié)構1.機身機身的主要功能是將固定翼無人機的其他部件如機翼、尾翼、發(fā)動機、起落架等連接成一個整體。z結(jié)構式機身01z半硬殼式機身02z硬殼式機身03一、固定翼無人機基本結(jié)構（1）結(jié)構式機身在早期低速無人機上，機身的承力構架都做成四緣條的立體構架。為了減小無人機的阻力，在承力構架外面，固定有整形用的隔框、桁條和蒙皮，這些構件只承受局部空氣動力，不參加整個結(jié)構的受力，如圖所示。機身的剪力、彎矩和扭矩全部由構架承受。結(jié)構式機身的抗扭剛度差，空氣動力性能不好，其內(nèi)部容積也不易得到充分利用。只有一些小型低速無人機機身采用結(jié)構式機身。一、固定翼無人機基本結(jié)構（2）半硬殼式機身為了使機身結(jié)構的剛度能滿足飛行速度日益加快的要求，需要使蒙皮參加整個結(jié)構的受力。因此，目前的機身結(jié)構，將蒙皮與隔框、大梁、桁條牢固地鉚接起來，成為一個受力的整體，通常稱為半硬殼式機身。根據(jù)蒙皮參與承受彎矩的程度不同，半硬殼式機身可分為兩種構造形式：桁梁式桁條式一、固定翼無人機基本結(jié)構（3）硬殼式機身硬殼式機身結(jié)構是由蒙皮與少數(shù)隔框組成，如圖所示。其特點是沒有縱向構件，蒙皮較厚，由蒙皮承受機身總體彎、剪、扭引起的全部軸向力和剪力。這種機身的優(yōu)點是結(jié)構簡單，氣動外形光滑，內(nèi)部空間可全部利用。但因為機身的相對載荷較小，而且機身不可避免要大開口，會使蒙皮材料利用率不高，因開口補強增重較大。一、固定翼無人機基本結(jié)構2.機翼機翼的主要功能是產(chǎn)生升力，從而支持無人機在空中飛行，同時也起到操縱與穩(wěn)定作用。在機翼上一般安裝有副翼和襟翼，操縱副翼可使無人機滾轉(zhuǎn)，放下襟翼可使升力增大，如圖所示。機翼上還可安裝發(fā)動機、起落架、油箱和內(nèi)置彈倉等。不同用途的無人機其機翼形狀、大小也各有不同。①翼梢小翼；②低速副翼；③高速副翼；④襟翼滑軌整流罩；⑤前緣襟翼；⑥前緣縫翼；⑦內(nèi)側(cè)襟翼；⑧外側(cè)襟翼；⑨擾流板；⑩擾流板-減速板一、固定翼無人機基本結(jié)構3.尾翼（1）尾翼的作用

一般無人機的尾翼由水平尾翼（簡稱平尾）和垂直尾翼（簡稱垂尾或立尾）組成；水平尾翼包括水平安定面和升降舵兩部分；垂直尾翼包括垂直安定面和方向舵兩部分，如圖所示。

水平安定面和垂直安定面主要用來增加無人機的穩(wěn)定性，升降舵用于調(diào)節(jié)和控制無人機的俯仰運動（無人機的抬頭和低頭），方向舵用于控制無人機的偏航運動（無人機的左右轉(zhuǎn)向）。大部分無人機在升降舵與方向舵上安裝有可動的調(diào)整片，可以通過調(diào)整片的偏轉(zhuǎn)，對無人機姿態(tài)與平衡進行微調(diào)。尾翼的作用是操縱無人機俯仰和偏轉(zhuǎn)，保證無人機能平穩(wěn)飛行。一、固定翼無人機基本結(jié)構（2）尾翼的構造平尾和垂尾一般由安定面和操縱面構成，而目前許多無人機的平尾還采用了全動平尾的結(jié)構形式。①安定面和操縱面結(jié)構的基本構造形式安定面的結(jié)構和機翼基本相同。目前速度較高的無人機一般采用雙梁（多梁）、壁板、多肋的單塊式結(jié)構。使用多梁是為了增大強度，提高防顫振特性。目前的高速運輸機還有采用由數(shù)根梁、密排翼肋和變厚度蒙皮組成的結(jié)構。②全動平尾的基本構造形式為了提高尾翼的效能采用了全動平尾。全動平尾是將整個平尾作為操縱面繞某一軸轉(zhuǎn)動。全動平尾的基本構造形式有單塊式（無梁）、雙梁式構造，其前后緣則采用全高度蜂窩或組合式蜂窩結(jié)構。一、固定翼無人機基本結(jié)構4.起落架起落架是無人機實現(xiàn)起飛著陸功能的主要裝置，是保證安全飛行的關鍵部件。起落架重量通常占無人機正常起飛質(zhì)量的4%~6%，占無人機結(jié)構質(zhì)量的10%~15%。起落架在無人機整體設計中占有重要地位。多數(shù)固定翼無人機使用輪式起落架，雪地著陸的固定翼無人機可以使用滑橇式起落架，水上無人機可以使用浮筒式起落架。一、固定翼無人機基本結(jié)構（1）起落架的主要作用起落架要滿足無人機在地面滑跑和靈活運動的要求。起落架還應保證無人機在地面運動時，具有良好的穩(wěn)定性和操縱性。對現(xiàn)代無人機來說，為了減少飛行阻力，起落架還必須是可收放的。概括起來，起落架的主要作用有以下幾個方面。①承受、消耗和吸收無人機在著陸與地面運動時的撞擊和顛簸能量。A②完成無人機停放、起飛、著陸和滑行時，在地面上的運行任務。③保證無人機在滑行、起飛和著陸時的安全以及良好的操縱性和穩(wěn)定性。BC一、固定翼無人機基本結(jié)構（2）起落架的布局分類后三點式01前三點式02多支點式03自行車式04一、固定翼無人機基本結(jié)構①后三點式起落架

兩個（組）主輪位于無人機重心之前且靠近重心，尾輪則位于無人機的尾部，如圖所示。后三點式起落架主要適用于機身前部裝有活塞式發(fā)動機的輕型、低速無人機上。一、固定翼無人機基本結(jié)構01優(yōu)點安裝空間容易保證；尾輪受力較小，因而結(jié)構簡單，重量較輕；地面滑跑時迎角較大，降落時阻力較大。02缺點對著陸技術要求高，容易發(fā)生“跳躍”現(xiàn)象；大速度滑跑時，不允許強烈制動；地面滑跑時的方向穩(wěn)定性較差等。后三點式起落架的優(yōu)缺點一、固定翼無人機基本結(jié)構②前三點式起落架兩個主輪位于無人機重心之后，前輪則位于無人機的頭部，如圖所示。前三點式起落架是現(xiàn)代無人機應用最廣泛的起落架形式。一、固定翼無人機基本結(jié)構前三點式起落架的優(yōu)缺點缺點前起落架受力較大且構造復雜；高速滑跑時，前起落架會產(chǎn)生擺振現(xiàn)象。優(yōu)點著陸簡單且安全可靠；具有良好的方向穩(wěn)定性，側(cè)風著陸較安全；允許強烈制動，著陸滑跑距離較短；發(fā)動機噴氣對跑道影響較小。一、固定翼無人機基本結(jié)構③多支點式起落架通常在質(zhì)心后面附近布置四個，甚至更多支柱，同時每個支柱上采用小車式輪架，安裝4～8個機輪，以分散接地載荷，從而減小每個支柱的受力，如圖所示。從性能上看，多點式起落架與前三點式相近。采用多支點式結(jié)構可以使局部載荷減小，有利于受力結(jié)構布置，還能夠減小機輪體積，從而減小起落架的收放空間?，F(xiàn)代重型無人機質(zhì)量較大，多數(shù)采用多支點起落架，以減小對跑道的壓力和分散過大的結(jié)構集中載荷。一、固定翼無人機基本結(jié)構

④自行車式起落架

兩個主輪縱向排列在無人機重心的前后，同時在兩側(cè)機翼下設置輔助輪，如圖所示。自行車式起落架主要用于因機翼很薄而難以收藏起落架的無人機，特別是采用上單翼的大型無人機。一、固定翼無人機基本結(jié)構5.動力系統(tǒng)無人機動力系統(tǒng)是無人機機體組件中的重要組成部分，其主要功能是提供無人機的動力輸送和控制，驅(qū)動無人機執(zhí)行各種任務。無人機動力系統(tǒng)的設計和性能直接影響著無人機的續(xù)航能力、飛行穩(wěn)定性和安全性。無人機動力系統(tǒng)部件通常包括：電池電機電子調(diào)速器電子速控器傳感器二、固定翼無人機氣動特點1.機翼翼型通常將平行于飛機對稱面的機翼橫截面外形稱為翼型（又稱翼剖面），如圖所示。它是組成機翼的基本元素，是產(chǎn)生升力的關鍵因素之一?？諝饫@翼型流動是一種二維流動，相當于繞無限展長矩形機翼的流動。翼型上的空氣動力是指作用在單位展長機翼上的力。翼型的形狀主要有平凸型、凹凸型、雙凸型、對稱型、S型、特種型，其他還有超臨界翼型等。二、固定翼無人機氣動特點不同形狀對氣動特性具有重要影響，一般可以用以下幾何參數(shù)來表示，如圖所示。二、固定翼無人機氣動特點

相對彎度的大小表示翼型的不對稱程度。（3）最大彎度相對位置（

）：翼型最大彎度所在位置到前緣的距離（xf）稱為最大彎度位置，最大彎度相對位置以其與弦長的比值來表示。即二、固定翼無人機氣動特點（4）相對厚度（

）：上下翼面在垂直于翼弦方向的距離稱為翼型厚度。翼型最大厚度（cmax）與弦長的比值稱為翼型的相對厚度。即（5）最大厚度相對位置（

）：翼型最大厚度所在位置到前緣的距離（xc）稱為最大厚度位置，最大厚度相對位置以其與翼弦的比值來表示。即（6）前緣半徑（r）：翼型前緣處的曲率半徑，稱為前緣半徑。（7）后緣角（τ）：翼型上下表面在后緣處的切線之間的夾角，稱為后緣角。二、固定翼無人機氣動特點1967年，美國NASA蘭利研究中心的惠特科姆首先提出超臨界翼型的概念。超臨界翼型是一種為提高臨界馬赫數(shù)而采取的特殊翼型，它能夠使推遲和減弱機翼在接近聲速時劇增的激波阻力。與普通翼型相比，超臨界翼型翼型的特點是前緣半徑較大，中部上表面彎度較小，后部下表面在后緣處有反凹，且后緣較薄并向下彎曲，如圖所示。超臨界翼型能起到減小機翼后掠角和增加機翼相對厚度，并因此減小機翼重量和改善結(jié)構效率，達到增大機翼展弦比的目的。但是超臨界翼型較大范圍的后部彎度，會產(chǎn)生很大的低頭力矩，造成飛機在配平飛行時因為需要增大平尾的向下載荷而增加機翼升力；超臨界翼型的另一個缺點是后部的結(jié)構高度太小，給后緣襟翼系統(tǒng)的設計帶來一定困難。二、固定翼無人機氣動特點2.升力和阻力牛頓運動定律（1）任何物體都要保持勻速直線運動或靜止狀態(tài)，直到外力迫使它改變運動狀態(tài)為止。牛頓第一運動定律（2）物體的加速度與物體所受的合外力成正比，與物體的質(zhì)量成反比，加速度的方向與合外力的方向相同。牛頓第二運動定律（3）相互作用的兩個質(zhì)點之間的作用力和反作用力總是大小相等，方向相反，作用在同一條直線上。牛頓第三運動定律二、固定翼無人機氣動特點（4）力的平衡作用于無人機的力要剛好平衡，如果不平衡就是合力不為零，依牛頓第二定律就會產(chǎn)生加速度。為了方便分析，這里把力分為X、Y、Z三個軸力的平衡及繞X、Y、Z三個軸彎矩的平衡。軸力不平衡則會在合力的方向產(chǎn)生加速度，飛行中的無人機受的力可分為升力、重力、阻力、推力，如圖所示。升力由機翼提供，推力由引擎提供，重力由地心引力產(chǎn)生，阻力主要由空氣產(chǎn)生。通常情況下，把力分解為X及Z方向的力。無人機勻速直線飛行時，X方向阻力與推力大小相同方向相反，故x方向合力為零，無人機速度不變；Z方向升力與重力大小相同方向相反，故Z方向合力亦為零，無人機不發(fā)生升降，所以會保持勻速直線飛行。二、固定翼無人機氣動特點彎矩不平衡則會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)加速度，對無人機來說，X軸彎矩不平衡無人機會滾轉(zhuǎn)，Y軸彎矩不平衡無人機會俯仰，Z軸彎矩不平衡無人機會偏航，如圖所示。二、固定翼無人機氣動特點（5）連續(xù)性定理質(zhì)量守恒定律是自然界基本的定律之一，能量既不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消失，如果把這個定律運用在流體上，就可以知道，當流體連續(xù)不斷而穩(wěn)定的低速流過一個粗細不等的管子，由于管中任何一部分的流體都不能中斷或擠壓起來，因此在同一時間內(nèi)，流進任意切面的流體質(zhì)量和從另一切面流出的流體質(zhì)量應該相等，如圖所示。當氣體連續(xù)不間斷的、穩(wěn)定的流過一個變截面管道時，由質(zhì)量守恒定律可知流過任意一個截面的質(zhì)量都是相等的。二、固定翼無人機氣動特點

二、固定翼無人機氣動特點（6）伯努利定律伯努利原理是在流體力學的連續(xù)介質(zhì)理論方程建立之前，水力學所采用的基本原理，其實質(zhì)是流體的機械能守恒。即：動能+重力勢能+壓力勢能=常數(shù)。其最為著名的推論為：對定常流的不可壓縮的無粘流體，在同一條流線上，速度快的地方壓力低。伯努利原理往往被表述為：

這個式子被稱為伯努利方程。式中，P為流體中某點的壓強，v為流體該點的流速，ρ為流體密度，g為重力加速度，h為該點所在高度，C是一個常量，如圖所示。依據(jù)能量守恒定律，它也可以被表述為

二、固定翼無人機氣動特點一般而言伯努利方程必須在滿足如下條件下才成立：

①定常流：也就是說，整個流場不隨時間變化；

②不可壓縮流體：流體的密度不隨壓力變化；

③無粘：流體黏度可忽略。通俗說，就是流體無摩擦；

④同一系流線(StreamLine)：也就是說，壓力的比較必須在同一流線上才有意義（“前后”比較而不是“左右”比較）。二、固定翼無人機氣動特點3.固定翼飛機升力來源（1）升力來源由伯努利定理可知，在流體系統(tǒng)中流體的流速越快則壓力越小，而無人機正是利用了這個原理來為飛行提供升力。沿垂直方向?qū)o人機機翼剖開的截面圖如圖所示?？諝饬鲃臃较驒C翼界面機翼界面升力二、固定翼無人機氣動特點無人機升力來源于機翼上下表面氣流的速度差導致的氣壓差。具體是因為機翼的上表面是弧形的，使得上表面的氣流速度快。下表面平的，氣流速度慢。根據(jù)伯努利推論：等高流動時，流速大，壓強就小。所以機翼下方氣體壓強大上方氣體壓強小，產(chǎn)生氣壓差，進而產(chǎn)生升力，如圖所示。隨著無人機滑行的速度越來越快，機翼上下表面的氣壓差也會越來越大，當這種壓力差大于無人機自身的重力時，無人機就會飛起來。二、固定翼無人機氣動特點（2）影響升力大小的因素升力公式L=1/2CyρV2S

其中Cy為升力系數(shù)，ρ為空氣密度，V為氣流速度，S為機翼面積。從公式中可以看出，升力大小與空氣密度、氣流速度也就是飛行速度和機翼面積有關。二、固定翼無人機氣動特點實驗證明，速度增大到原來的兩倍，升力和阻力增大到原來的四倍；速度增大到原來的三倍，升力和阻力增大到原來的九倍。即升力與飛行速度的平方成正比例。①飛行速度越高，升力越大空氣密度越大，作用在機翼上的空氣分子越多，所產(chǎn)生的升力越大?？諝庠较”?，空氣密度越小，則升力越小。實驗證實，空氣密度增大為原來的兩倍，升力和阻力也增大為原來的兩倍。即升力和阻力與空氣密度成正比例。③空氣密度越大，升力越大升力主要由機翼產(chǎn)生，而升力是由機翼上下表面壓力差產(chǎn)生，因此，壓強差作用的機翼面積越大，則升力也就越大。②機翼面積越大，升力越大升力系數(shù)一般對應著機翼的翼型和迎角的變化。在一定翼型的條件下，升力系數(shù)起初隨迎角增大而增大，而當迎角增大到一定程度的時候，升力反而會急速下降，這個現(xiàn)象就是失速，達到失速時的迎角叫做失速迎角也叫做臨界迎角。④升力系數(shù)越大，升力越大影響升力大小的因素二、固定翼無人機氣動特點機翼迎角和升力系數(shù)的關系二、固定翼無人機氣動特點（3）阻力對于飛行的影響阻力是與飛機運動方向相反的力，起著阻礙飛機向前運動的作用，按其產(chǎn)生的原因可分為:A摩擦阻力B壓差阻力C誘導阻力D干擾阻力二、固定翼無人機氣動特點摩擦阻力壓差阻力摩擦阻力的大小取決于空氣的黏性、飛機的表面情況，以及與空氣相接觸的飛機的表面積?？諝怵ば栽酱?，飛機表面越粗糙，飛機表面積越大，摩擦阻力就越大?？諝饬鬟^機翼時，在機翼前緣部分，受機翼阻擋流速減小，壓力增大；在機翼后緣，由于氣流分離形成渦流區(qū)，壓力減小。這樣機翼的前緣和后緣中間就產(chǎn)生了壓力差，形成阻力。這種由前后壓力差形成的阻力叫壓差阻力。機身、尾翼等飛機其它部件都會產(chǎn)生壓差阻力。二、固定翼無人機氣動特點誘導阻力飛機的誘導阻力是由機翼產(chǎn)生的升力和