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

1、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

2、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，

3、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,

4、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22 mm，转子的高度为12 mm。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

5、，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

6、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

7、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2200 mAh，3S1P（见图1-9 a）表示3块锂电池串联，其总电压为3.73=11.1 V，容量仍为2200 mAh，如图1-8 a）所示；3S2P（见图

8、1-9 b）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=11.1 V，容量为22002=4400 mAh,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500 mA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

9、（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

10、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

11、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1-10 a）和接收机（见图1-10 b）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（PulsePosition Modulation，简称PPM，又称脉位调制）和脉冲编码调制（Pulse Code Modu

12、lation，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

13、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

14、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

15、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