《無人機(jī)結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)》第1章 無人機(jī)結(jié)構(gòu)與飛行原理

無人機(jī)結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)主講人：張翼無人機(jī)結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)機(jī)體坐標(biāo)軸1機(jī)體坐標(biāo)軸和基本運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是通過圍繞飛機(jī)重心的三根互相垂直的軸，組成了飛機(jī)機(jī)體的坐標(biāo)系即縱軸（X）、立軸（Y）和橫軸（Z）。機(jī)體坐標(biāo)軸和基本運(yùn)動(dòng)狀態(tài)1.繞立軸（Y軸）的轉(zhuǎn)動(dòng)稱為偏航Y(jié)軸立軸機(jī)體坐標(biāo)軸和基本運(yùn)動(dòng)狀態(tài)2.繞橫軸（Z軸）的轉(zhuǎn)動(dòng)稱為俯仰

Z軸橫軸機(jī)體坐標(biāo)軸和基本運(yùn)動(dòng)狀態(tài)繞橫軸（Z軸）的轉(zhuǎn)動(dòng)稱為俯仰機(jī)體坐標(biāo)軸和基本運(yùn)動(dòng)狀態(tài)3.繞縱軸（X軸）的轉(zhuǎn)動(dòng)稱為滾轉(zhuǎn)多旋翼無人機(jī)的結(jié)構(gòu)2多旋翼無人機(jī)的結(jié)構(gòu)a）I型四旋翼b）X型四旋翼c）I型六旋翼d）X型六旋翼多旋翼無人機(jī)的結(jié)構(gòu)

g）X型共軸雙槳八旋翼h）I型八旋翼i）V型八旋翼e）IY型共軸雙槳六旋翼f）Y型共軸雙槳六旋翼多旋翼無人機(jī)的結(jié)構(gòu)1多旋翼無人機(jī)的結(jié)構(gòu)1)塑料：具有一定的剛度、強(qiáng)度和可彎曲度，易加工且價(jià)格便宜。（1）機(jī)架多旋翼無人機(jī)的結(jié)構(gòu)2)玻璃纖維：剛度和強(qiáng)度比較高，加工困難，價(jià)格較高，但密度小，可以減輕整體機(jī)架的重量。多旋翼無人機(jī)的結(jié)構(gòu)機(jī)架3)碳纖維：剛度和強(qiáng)度高，加工困難，價(jià)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)。多旋翼無人機(jī)的結(jié)構(gòu)軸距F550多旋翼無人機(jī)的結(jié)構(gòu)F450多旋翼無人機(jī)的結(jié)構(gòu)（2）電機(jī)-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。多旋翼無人機(jī)的結(jié)構(gòu)（2）電機(jī)-KV值

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”【（r/min·V）】。多旋翼無人機(jī)的結(jié)構(gòu)（3）電子調(diào)速器

連接電池、飛行控制系統(tǒng)和電動(dòng)機(jī)的部件。最大持續(xù)電流多旋翼無人機(jī)的結(jié)構(gòu)（3）電子調(diào)速器電壓范圍多旋翼無人機(jī)的結(jié)構(gòu)（3）電子調(diào)速器①電調(diào)的作用1)電機(jī)調(diào)速：將飛控的控制信號(hào)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(dòng)保護(hù)、剎車等。多旋翼無人機(jī)的結(jié)構(gòu)1多旋翼無人機(jī)的結(jié)構(gòu)（4）電池普通鋰電池優(yōu)點(diǎn)： 自放電率低、額定電壓高、重量輕、效率高、電池造型設(shè)計(jì)靈活等多旋翼無人機(jī)的結(jié)構(gòu)智能鋰電池

能夠?qū)﹄姵剡M(jìn)行充放電的管理，主要功能包括電量顯示、存儲(chǔ)自放電保護(hù)、過充保護(hù)等多旋翼無人機(jī)的結(jié)構(gòu)（1）連接方式

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。通常用字母“S”表示電池串聯(lián)，用字母“P”表示電池并聯(lián)。a)3S1Pb)3S2P多旋翼無人機(jī)的結(jié)構(gòu)（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(shí)（mAh）表示，電池的容量越大，存儲(chǔ)的能量就越大，可提供的續(xù)航時(shí)間就越長(zhǎng)，不過相應(yīng)的重量也越大。多旋翼無人機(jī)的結(jié)構(gòu)3)充放電倍率C

表示電池充放電時(shí)的電流大小，是充放電快慢的量度，其計(jì)算公式是充放電倍率=充放電電流/額定容量，單位為C。多旋翼無人機(jī)的結(jié)構(gòu)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=77A圖上各數(shù)字字母含義？多旋翼無人機(jī)的結(jié)構(gòu)無人機(jī)鋰電池參數(shù)解析多旋翼無人機(jī)的飛行原理1多旋翼無人機(jī)的飛行原理伯努利原理回顧小實(shí)驗(yàn)?zāi)贸鰞蓮埣埰?，像兩紙片間吹氣，觀察紙片變化兩紙片互相靠攏多旋翼無人機(jī)的飛行原理

當(dāng)流體穩(wěn)定地流過一條管道時(shí)，流速快的地方，壓力小；流速慢的地方，壓力大。伯努利原理多旋翼無人機(jī)的飛行原理多旋翼無人機(jī)的飛行原理多旋翼無人機(jī)的飛行原理多旋翼無人機(jī)的飛行原理

電機(jī)1和電機(jī)3逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，電機(jī)2和電機(jī)4順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。多旋翼無人機(jī)的飛行原理

如果沒有相鄰旋翼抵消陀螺效應(yīng)和空氣動(dòng)力轉(zhuǎn)矩效應(yīng)會(huì)發(fā)生什么？？？多旋翼無人機(jī)的飛行原理多旋翼無人機(jī)飛行控制方式1多旋翼無人機(jī)飛行控制方式垂直升降升高高度：四個(gè)螺旋槳同時(shí)加速旋轉(zhuǎn)，升力加大降低高度：四個(gè)螺旋槳同時(shí)降低轉(zhuǎn)速，下降多旋翼無人機(jī)飛行控制方式

M3、M4電機(jī)提高轉(zhuǎn)速或M1、M2電機(jī)降低轉(zhuǎn)速，由于飛機(jī)后部的升力大于飛機(jī)前部，飛機(jī)的姿態(tài)會(huì)向前傾斜。俯仰運(yùn)動(dòng)多旋翼無人機(jī)飛行控制方式滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)

將電機(jī)M2、M3的轉(zhuǎn)速增加或M1、M3的轉(zhuǎn)速減小，四旋翼會(huì)產(chǎn)生向右上方的合力，使四旋翼向右飛行。多旋翼無人機(jī)飛行控制方式偏航運(yùn)動(dòng)

將M1、M3的轉(zhuǎn)速增加或者M(jìn)2、M4的轉(zhuǎn)速減小，四旋翼會(huì)向右旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)向右偏航。無人機(jī)向右偏航運(yùn)動(dòng)多旋翼無人機(jī)飛行控制方式原地旋轉(zhuǎn) M2、M4電機(jī)轉(zhuǎn)速增加，M1、M3電機(jī)轉(zhuǎn)速降低，由于反扭矩影響，飛機(jī)就會(huì)產(chǎn)生逆時(shí)針方向的旋轉(zhuǎn)多旋翼無人機(jī)飛行控制方式多旋翼無人機(jī)飛行控制方式無人直升機(jī)的結(jié)構(gòu)及飛行原理1.31.3.1結(jié)構(gòu)組成無人直升機(jī)主要由主旋翼、尾槳、起落架、機(jī)身、傳動(dòng)裝置、動(dòng)力裝置等構(gòu)成，如圖1-15所示。圖1-15無人直升機(jī)的結(jié)構(gòu)組成1.主旋翼系統(tǒng)主旋翼系統(tǒng)由自動(dòng)傾斜器、槳葉和槳轂組成。自動(dòng)傾斜器又稱斜盤(俗稱十字盤)，用來改變旋翼槳葉的槳距。圖1-17自動(dòng)傾斜器的結(jié)構(gòu)組成全鉸接旋翼系統(tǒng)全鉸接旋翼系統(tǒng)通常全鉸接旋翼系統(tǒng)包含三個(gè)或者更多個(gè)旋翼槳葉。圖1-18全鉸接旋翼系統(tǒng)旋翼槳葉可以獨(dú)立地做揮舞、周期變距、擺振三種運(yùn)動(dòng)半剛體旋翼系統(tǒng)20世紀(jì)40年代中期，貝爾公司發(fā)展了萬向接頭式旋翼系統(tǒng)(圖1-19a)，50年代中期又把萬向接頭式旋翼系統(tǒng)進(jìn)一步發(fā)展成蹺蹺板式旋翼系統(tǒng)(圖1-19b)。半剛體旋翼系統(tǒng)允許做兩種不同的運(yùn)動(dòng)，即揮舞和變距。圖1-19半剛體旋翼系統(tǒng)

a）萬向接頭式

b)蹺蹺板式涵道尾槳涵道尾槳

涵道尾槳將尾槳縮小，“隱藏”在尾撐端部的巨大開孔中(圖1-21)，這相當(dāng)于給尾槳安上-一個(gè)罩子，大大改善了安全性，不易打到周圍的物體。圖1-21涵道尾槳無尾槳無尾槳(NOTAR,NOTAR是NoTailRotor的簡(jiǎn)稱，意為無尾槳)無尾槳用噴氣引射和主旋翼下洗氣流的有利交互作用形成反轉(zhuǎn)矩，如圖1-22所示。圖1-22無尾槳起落架1.直升機(jī)起落架的主要作用是吸收在著陸時(shí)由于有垂直速度而帶來的能量，減少著陸時(shí)撞擊引起的過載，以及保證在整個(gè)使用過程中不發(fā)生地面共振。2.最常見的起落架是滑撬式起落架地形適應(yīng)性高，不但能在環(huán)境良好的跑道上起降，也能在草地雪地、沙灘、戈壁等崎嶇不平、濕滑松軟的地面上起降。而輪式起落架容易陷入沙地、雪地，適應(yīng)范圍就差多。動(dòng)力和傳動(dòng)裝置典型的無人直升機(jī)動(dòng)力裝置主要使用安裝在機(jī)身上的往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)可以采用垂直安裝或者水平安裝方式，通過傳動(dòng)裝置將動(dòng)力傳遞到垂直的主旋翼和尾翼的傳動(dòng)軸上，如圖1-23所示。圖1-23動(dòng)力和傳動(dòng)裝置飛行控制系統(tǒng)飛行控制系統(tǒng)主要由陀螺儀(飛行姿態(tài)感知)、加速計(jì)、磁力計(jì)、氣壓傳感器(懸停高度粗略控制)、超聲波傳感器(低空高度精確控制或避障)、光流傳感器(懸停水平位置精確確定)、GPS模塊(水平位置高度粗略定位)以及控制電路組成，主要的功能就是自動(dòng)保持飛機(jī)的正常飛行姿態(tài)。飛行原理1.3.21.3.2飛行原理無人直升機(jī)是一種旋翼航空器，其飛行所需的升力是靠旋翼旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的，每一片旋翼葉片都產(chǎn)生升力，這些升力的合力就是無人直升機(jī)的升力。1.3.3飛行控制方式前面提到通過控制旋翼和尾槳就可以實(shí)現(xiàn)使直升機(jī)上升、下降、懸停、前飛、側(cè)飛以及轉(zhuǎn)彎等，所以實(shí)際上無人直升機(jī)的操縱機(jī)構(gòu)主要是針對(duì)旋翼和尾槳的。無人直升機(jī)的主要操縱機(jī)構(gòu)包括周期變距桿、總距桿、方向桿等圖1-25無人直升機(jī)的操縱機(jī)構(gòu)1.3.3飛行控制方式1.總距桿就是實(shí)現(xiàn)無人直升機(jī)上下運(yùn)動(dòng)。2.周期變距桿實(shí)現(xiàn)無人直升機(jī)前后、左右運(yùn)動(dòng)(也就是俯仰和滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng))3.方向桿實(shí)現(xiàn)直升機(jī)偏航運(yùn)動(dòng)。固定翼無人機(jī)的結(jié)構(gòu)及飛行原理1.41.4.1結(jié)構(gòu)組成盡管固定翼無人機(jī)可以設(shè)計(jì)成用于不同的目的，但大多數(shù)固定翼無人機(jī)還是有相同的主要結(jié)構(gòu)大部分由機(jī)身.機(jī)翼.尾翼.起落架.和發(fā)動(dòng)機(jī)組成。圖1-27固定翼無人機(jī)的結(jié)構(gòu)組成結(jié)構(gòu)組成1.機(jī)身機(jī)身是承載任務(wù)設(shè)備、燃油/電池、通信裝置、起落架等裝置，以及連接機(jī)翼和尾翼的大型部件。圖1-28構(gòu)架式機(jī)身硬殼式

硬殼式硬殼式機(jī)身結(jié)構(gòu)是由蒙皮與少數(shù)隔框組成的其特點(diǎn)是沒有縱向構(gòu)件，蒙皮較厚，機(jī)身的各種力主要由蒙皮承受圖1-29硬殼式機(jī)身半硬殼式半硬殼式機(jī)身：是將蒙皮與隔框、大梁、桁條牢固的鉚接起來成為一個(gè)受力的整體。1)桁梁式機(jī)身:主要由大梁、桁條、隔框和蒙皮組成，如圖1-30所示。幾根大梁的截面積很大，桁條的數(shù)量較少而且較弱，蒙皮較薄。圖1-30桁梁式機(jī)身固定翼無人機(jī)的結(jié)構(gòu)1.4半硬殼式1)固定翼無人機(jī)機(jī)身的分類:構(gòu)架式機(jī)身、硬殼式機(jī)身、半硬殼式機(jī)身。半硬殼式1)構(gòu)架式機(jī)身：這種機(jī)身雖然強(qiáng)度和沖擊力較好，但剛度不好，特別是抗扭特性較差，且有效容積較小。圖1-28構(gòu)架式機(jī)身硬殼式

硬殼式這種機(jī)身具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單丶?xì)鈩?dòng)外形光滑，以及內(nèi)部空間可全部利用的特點(diǎn)，但機(jī)身的相對(duì)載荷較小，而且蒙皮材料利用率不高。圖1-29硬殼式機(jī)身半硬殼式半硬殼式機(jī)身：又分為桁梁式和桁條式?！瓣囷L(fēng)”戰(zhàn)斗機(jī)半硬殼式1)桁梁式機(jī)身:從桁梁式機(jī)身的受力特點(diǎn)可以看出，在桁梁之間布置大開口不會(huì)顯著降低機(jī)身的抗彎強(qiáng)度和剛度。一般這種構(gòu)造的飛機(jī)艙門比較大丶機(jī)身強(qiáng)度高，但抗彎抗扭低。所以一般只能用于低速飛行的固定翼。桁條式機(jī)身桁條式機(jī)身:桁條和蒙皮較強(qiáng)，是承受機(jī)身力的主要部件。由于蒙皮加厚，改變了機(jī)身的空氣動(dòng)力性能，增大了機(jī)身結(jié)構(gòu)的抗扭剛度，所以與桁梁式機(jī)身相比，他更適合用于較高速的固定翼無人機(jī)。圖1-31桁條式機(jī)身桁條式機(jī)身固定翼無人機(jī)的構(gòu)造1.4.22.機(jī)翼機(jī)翼：是飛機(jī)的重要部件之一，安裝在機(jī)身上。其最主要的作用是產(chǎn)生升力，同時(shí)也可以在機(jī)翼內(nèi)布置油箱和彈藥倉，在飛行中可以收起落架。圖1-32機(jī)翼的結(jié)構(gòu)組成機(jī)身縱向骨架機(jī)翼的縱向骨架由翼梁、縱墻和桁條等組成，它們都是沿翼展方向布置的。機(jī)身1.翼梁：最主要的縱向構(gòu)件，是機(jī)翼的主要受力部件、翼梁一般由緣條、腹板和支柱組成。圖1-33翼梁的結(jié)構(gòu)組成機(jī)翼2.縱墻:縱墻分為前縱墻和后縱墻?？v墻與翼梁十分相像，二者的區(qū)別在于縱墻的緣條很弱并且不與機(jī)身相連，其長(zhǎng)度有時(shí)僅為翼展的一部分。機(jī)翼3.桁條:鉚接在蒙皮內(nèi)表面，支持蒙皮以提高其承載能力，并共同將氣動(dòng)力分布載荷傳給翼肋。涵道尾槳橫向骨架機(jī)翼的橫向骨架主要是指翼肋(肋拱)，而翼肋又分為普通冀肋和加強(qiáng)冀肋，它們的安裝方向一般都垂直于機(jī)翼前緣。涵道尾槳涵道尾槳固定翼飛機(jī)結(jié)構(gòu)1.4.2機(jī)翼

蒙皮蒙皮是包圍在機(jī)翼骨架外的部件，用粘結(jié)劑或鉚釘固定于骨架上，形成機(jī)翼的氣動(dòng)力外形。尾翼尾翼：是固定翼無人機(jī)的重要部件之一。尾翼由垂直尾翼和水平尾翼組成。圖1-34尾翼結(jié)構(gòu)圖1-35全動(dòng)式水平尾翼起落架起落架：是固定翼無人機(jī)停放、滑行、起飛或者著陸時(shí)的主要支撐部分。最常用的輪式起落架由三個(gè)輪子組成，按照輪子分布方式分為前三點(diǎn)式和后三點(diǎn)式兩種前三點(diǎn)式起落架后三點(diǎn)式起落架固定翼飛機(jī)的飛行原理1.4.21.4.2飛行原理飛機(jī)在飛行時(shí)會(huì)到四個(gè)基本的作用力：升力（lift）、重力（weight）推力（thrust）與阻力（drag），如圖1-36所示。圖1-36飛機(jī)飛行時(shí)所承受的四個(gè)作用力L-升力T-推力/拉力G-重力D-阻力升力根據(jù)連續(xù)性原理，上翼面的氣流流速就比下翼面的流速快;由伯努利原理可得，上翼面的靜壓就比下翼面的靜壓低，上、下翼面間形成壓力差，此靜壓差稱為作用在機(jī)翼上的空氣動(dòng)力。圖1-37升力的產(chǎn)生原理L-升力R-總空氣動(dòng)力D-阻力V-氣流相對(duì)速度固定翼的升力3.1升力那么這節(jié)課呢我們?cè)谠敿?xì)的講一下，關(guān)于飛機(jī)升力的一些知識(shí)點(diǎn)。包括我們上節(jié)課提到的疑問：為什么飛機(jī)的上表面流速會(huì)比下表面流速快呢？那么今天我們就帶著這個(gè)疑問來學(xué)習(xí)一下。飛機(jī)是怎么飛起來的。升力如果是初中老師的話一定會(huì)給你畫一個(gè)機(jī)翼的剖面圖。然后上課老師就跟你講，看！這就是機(jī)翼的形狀，上凸下平的形狀。飛機(jī)飛行的時(shí)候，氣流從機(jī)翼前緣經(jīng)過被，分成上下兩個(gè)部分最后同時(shí)達(dá)到，機(jī)翼的后援。升力上表面的距離更長(zhǎng)，空氣流速大于下表面那么上表面的流速更長(zhǎng)，空氣流速肯定是要大于下表面的。那么這里我們就解決了我們上節(jié)課的一個(gè)問題，就是為什么這個(gè)飛機(jī)的機(jī)翼上表面的流速比，下表面的流速要大。那就是因?yàn)樾r(shí)候我們學(xué)數(shù)學(xué)經(jīng)常用的一句話，那就是兩點(diǎn)之間直線最短。所以我們看一下這張圖的機(jī)翼，下表面是直的。所以凸起的上表面的距離肯定是比下表面的距離長(zhǎng)。所以上表面流速才會(huì)比下表面流速大.升力所以呢，根據(jù)我們之前所說的伯努利原理，流速快的地方氣壓越小。所以上下表面的氣壓差就產(chǎn)生了升力。那么飛機(jī)就是這樣飛起來的。升力那么講到這里，有些同學(xué)又有疑惑了。老師，氣流為什么會(huì)同時(shí)到達(dá)后緣呢？老師為什么