无人机结构与系统-第一章 无人机结构与飞行原理PPT文件格式下载.pptx

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了解每种增升装置种类及原理；

掌握固定翼无人机阻力种类及减阻措施；

了解各种阻力产生的原因。

第一章无人机结构与飞行原理,第一章无人机结构与飞行原理,机体坐标轴和基本运动状态,第一节,第二节,多旋翼无人机的结构及飞行原理第三节无人直升机的结构及飞行原理,固定翼无人机的结构及飞行原理,第二节,第一章机体坐标轴和基本运动状态,1.1机体坐标轴和基本运动状态

（1）纵轴（ox）从机头穿透机身的中心，从机尾穿出来的轴线，方向指向前。

无人机沿着纵轴的水平运动称为前后运动，围绕纵轴的运动称为滚转运动。

（2）横轴（oz）从一边的机翼末端，穿过机翼、机身，再从另一边机翼延伸到末端穿出来的轴线。

无人机沿着横轴的水平运动称为左右运动，围绕横轴的运动称为俯仰运动。

（3）立轴（oy）由上往下通过无人机重心，并与纵轴（ox）和横轴（oz）相互垂直的轴线。

无人机沿着立轴的水平运动称为升降运动，围绕立轴的运动称为偏航运动。

图1-1机体坐标轴,第一章多旋翼无人机的结构及飞行原理,1.2.1结构组成多旋翼无人机实质上是属于直升机的范畴，按轴数分为三轴、四轴、六轴、八轴等。

按电机个数分为三旋翼、四旋翼、六旋翼、八旋翼等本教材主要以四旋翼为主（如图1-2所示）。

按旋翼布局分为I型、X型、V型、Y型、IY型等（如图1-3所示）。

由于X型结构的任务载荷前方的视野比I型的更加开阔，且控制灵活，所以在实际应用中，多旋翼无人机大多采用X型外形结构。

但对于初学者，建议采用I型，较安全。

第一章多旋翼无人机的结构及飞行原理,机架材质塑料：

具有一定的刚度、强度和可弯曲度，易加工且价格便宜。

玻璃纤维：

刚度和强度比较高，加工困难，价格较高，但密度小，可以减轻整体机架的重量。

碳纤维：

刚度和强度高，加工困难，价格较高，但密度小，可以减轻整体机架的重量。

出于结构强度和重量考虑，一般采用碳纤维材质。

轴距轴距是多旋翼无人机的重要尺寸参数，是指多旋翼无人机两个驱动轴轴心的距离，即为对角线上的两电机轴心的距离，如图1-5所示。

轴距的大小限定了螺旋桨的浆距尺寸上限。

第一章多旋翼无人机的结构及飞行原理,2.电机

（1）尺寸在无刷电机的铭牌上有一组四位数字，如2212、2216等，如图1-6所示。

用它来表示电机的尺寸，前面两位数字是电机转子的内直径，后面两位数字是电机转子的高度，单位为毫米。

例如2212电机的内直径为22mm，转子的高度为12mm。

前面两位数字越大，电机越肥，后面两位数字越大，电机越高。

高大粗壮的电机，功率就更大，适合做更大的多旋翼无人机。

（2）KV值,在无刷电机的铭牌上还有一组数字，如KV950，如图1-6所示。

用它来表示当电机的输入电压增加1伏特，无刷电机空转转速增加的转速值，单位是“转速/伏特”（RPM/V）。

例如KV950电机，外加1V电压，电机空转时每分钟转950转；

外加2V电压，电机的空转转速就1900转/分；

电压为10V的时候，电机的空转转速达到9500转/分。

单从KV值，不可以评价电机的好坏，因为不同KV值适用不同尺寸的螺旋桨。

KV值小的电机的绕线匝数更多更密，能承受更大的电流，所以可以产生更大的扭矩去驱动更大尺寸的螺旋浆；

相反，KV值大的电机的绕线匝数少，产生的扭矩小，适合驱动小尺寸的螺旋浆。

图1-6电机,第一章多旋翼无人机的结构及飞行原理,3.电子调速器（ESC）

（1）电调的作用电机调速变压供电电源转化其他功能：

如电池保护、启动保护、刹车等。

（3）常用电调,无刷电调按照电流分为30A、40A、50A、60A、80A、120A电调等；

按品牌分为好盈、银燕、新西达、中特威等，还有一些较为昂贵的电调，如蝎子和风凰等。

（2）电调的参数最大持续/峰值电流：

是无刷电调最重要的参数，通常以安培数A来表示，如10A、20A、30A（如图1-7所示）电压范围：

电调能够正常工作所允许输入的电压范围也是非常重要的参数。

内阻：

电调都有内阻，通过电调的电流有时可以达到几十安培，所以电调的发热功率不能被忽视。

刷新频率：

电机响应速度很大程度上依赖于电调刷新频率。

可编程特性：

通过调整电调内部参数，可以使电调的性能达到最佳。

可通过编程卡、通过USB连接电脑使用软件及通过接收器用遥控器摇杆这三种方式来设置电调参数。

图1-7电调,第一章多旋翼无人机的结构及飞行原理,4.电池

（1）连接放式,

（2）参数,电池串联可以获得更大的电压，但电池容量保持不变；

电池并联可以得到更大容量，但电压不变。

通过电池合理的串并联组合，可以获得无人机飞行所需要的电压和容量。

通常用字母“S”表示电池串联，用字母“P”表示电池并联，如图1-9所示。

b）3S2P图1-9电池连接方式,a）3S1P,1）电压：

锂电池单节电压3.7V，容量为2200mAh，3S1P（见图1-9a）表示3块锂电池串联，其总电压为3.73=11.1V，容量仍为2200mAh，如图1-8a）所示；

3S2P（见图1-9b）表示3块锂电池串联，然后两个这样串联结构再并联，其总电压为3.73=11.1V，容量为22002=4400mAh,2）容量：

电池容量用毫安时（mAh）表示，电池的容量越大，存储的能量就越大，可以是供的续航时间就越长，不过相应的重量也越大。

如1000mAh电池，如果以1000mA放电，可持续放电1h。

如果以500mA放电，可以持续放电2h。

3）充放电倍率C：

表示电池充放电时的电流大小，是充放电快慢的量度，其计算公式是充放电倍率=充放电电流/额定容量，单位为C。

4）平衡充电：

常用3S电池，内部是3块锂电池，动力锂电都有2组线，1组是输出线（2根），1组是单节锂电引出线（与S数有关），充电时按说明书，都插入充电器内，就可以进行平衡充电了。

第一章多旋翼无人机的结构及飞行原理,5.螺旋桨

（1）型号,螺旋桨的型号采用四位数字来描述，前两位数字指的是螺旋桨的直径，后两位数字指的是螺旋桨的桨距，单位是英寸（1英寸=25.4毫米）。

例如1047螺旋桨，指的是螺旋桨的直径为10英寸，桨距为4.7英寸。

需要注意，对于小于10英寸的螺旋桨，直径数字写在最前面，比如8050，螺旋桨直径为8英寸而并非80英寸。

（2）正反桨顺时针旋转的螺旋桨称为正浆，逆时针旋转的螺旋桨称为反浆。

安装的时候，一定记得无论正反桨，有字的一面是向上的（桨叶圆润的一面要和电机旋转方向一致）。

（3）电机与螺旋桨的搭配,大螺旋桨就需要采用低KV电机，小螺旋桨就需要采用高KV电机（因为需要用转速来弥补升力不足）。

不同的电机需要使用对应的螺旋桨，如表1-1所示。

表1-1电机与螺旋桨的搭配,第一章多旋翼无人机的结构及飞行原理,6.飞行控制系统,飞行控制系统是多旋翼无人机的核心设备，飞控系统的好坏从本质上决定了无人机的飞行性能。

飞行控制系统集成了高精度的感应器元件，主要由陀螺仪（飞行姿态感知）、加速计、角速度计、气压计、GPS及指南针模块（可选配）以及控制电路等部件组成。

通过高效25的控制算法，能够精准地感应并计算出无人机的飞行姿态等数据，再通过主控制单元实现精准定位悬停和自主平稳飞行。

根据机型的不一样，可以有不同类型的飞行控制系统，有支持固定翼、多旋翼及直升机的飞行控制系统。

第一章多旋翼无人机的结构及飞行原理,7.遥控系统遥控系统由遥控器（见图1-10a）和接收机（见图1-10b）组成，是整个飞行系统的无线控制终端。

遥控器与接收机之间通过无线电波进行通信，常用的无线电频率为72MHz和2.4GHz，目前常用2.4GHz无线通信，因为它具有频率高、功耗低、体积小、反应快、精度高等优点。

目前常用的调制方式有脉冲位置调制（PulsePositionModulation，简称PPM，又称脉位调制）和脉冲编码调制（PulseCodeModulation，简称PCM，又称脉码调制）两种。

（1）通道数,常用的遥控系统有单通道、两通道直至十通道，具体使用几通道，由无人机的种类及用途而定。

较为简单的单通道、两通道的遥控系统，一般用来控制练习机、滑翔机。

遥控特技固定翼无人机则最少需四个通道，分别控制水平舵、方向舵、副翼及油门。

较为完善的特技固定翼无人机还需控制襟翼、收起落架等，至少需要六个通道。

四旋翼无人机遥控系统最少需要四通道。

（2）遥控距离遥控距离的确定仍然需视无人机的种类和用途而定。

对于近距离飞行的小型无人机，选用遥控距离为200米的遥控系统；

对于无人靶机、飞艇或大型无人机，有时在空中要飞出数公里，就要选用遥控距离至少有1000米的遥控系统。

b）接收机,a）遥控器图1-10遥控系统,第一章多旋翼无人机的结构及飞行原理1.2.2飞行原理伯努利定律是空气动力最重要的理论基础，简单地说，流体的速度越大，静压力越小；

速度越小，静压力越大。

图1-11四旋翼无人机飞行原理以四旋翼无人机为例，详细讲解如下：

如图1-11所示，电机1和电机3逆时针旋转的同时，电机2和电机4顺时针旋转，因此当无人机平衡飞行时，陀螺效应和空气动力扭矩效应均被抵消。

与电动直升机相比，四旋翼飞行器有下列优势：

各个旋翼对机身所施加的反扭矩与旋翼的旋转方向相反，因此当电机1和电机3逆时针旋转的同时，电机2和电机4顺时针旋转，可以平衡旋翼对机身的反扭矩。

四旋翼无人机在空间共有六个自由度（分别沿3个坐标轴作平移和旋转动作），这六个自由度的控制都可以通过调节不同电机的转速来实现，但只有四个输入力，所以它又是一种欠驱动系统。

第一章多旋翼无人机的结构及飞行原理,1.2.3飞行控制,图1-11四旋翼无人机飞行原理1.垂直运动，即升降控制图1-11中，当同时增加四个电机的输出功率，螺旋桨转速增加使得总的升力增大，当总升力足以克服整机的重量时，四旋翼无人机便离地垂直上升；

反之，同时减小四个电机的输出功率，四旋翼无人机则垂直下降，直至平衡落地，实现了沿z轴的垂直运动。

当外界扰动量为零时，在螺旋桨产生的升力等于四旋翼无人机的自重时，四旋翼无人机便保持悬停状态。

保证四个螺旋桨转速同步增加或减小是垂直运动的关键。

第一章多旋翼无人机的结构及飞行原理,1.2.3飞行控制,图1-12俯仰运动2.俯仰运动图1-12中，电机1的转速上升，电机3的转速下降，电机2和电机4的转速保持不变。

为了不因为螺旋桨转速的改变引起四旋翼无人机整体扭矩及总拉力改变，螺旋桨1与螺旋桨3转速变量的大小应相等。

由于螺旋桨1的升力上升，螺旋桨3的升力下降，产生的不平衡力矩使机身绕y轴旋转（方向如图1-12）。

同理，当电机1的转速下降，电机3的转速上升，机身便绕y轴向另一个方向旋转，实现四旋翼无人机的俯仰运动。

第一章多旋翼无人机的结构及飞行原理,1.2.3飞行控制,图1-13滚转运动3.滚转运动与图1-12的原理相同，在图1-13中，改变电机2和电机4的转速，保持电机1和电机3的转速不变，则可使机身绕x轴旋转（正向和反向），实现四旋翼无人机的滚转运动。

第一章多旋翼无人机的结构及飞行原理,1.2.3飞行控制,四旋翼无人机偏航运动可以借助螺旋桨产生的反扭矩来实现。

螺旋桨转动过程中由于空气阻力作用会形成与转动方向相反的反扭矩，为了克服