無人機操控技術(shù)課件第3章飛行原理與性能第3-5節(jié)

1、目錄01 空氣動力學基礎02 飛行原理P04 P24 03 飛行性能P49 04 無人機發(fā)射回收方式P88 05 多旋翼基礎知識P98 目錄01 空氣動力學基礎02 飛行原理P04 P24 03 3.1 穩(wěn)定性 無人機的飛行性能主要是指穩(wěn)定性、操縱性以及其他性能。 飛機的穩(wěn)定性（安定性），是指在飛機受到擾動后，不經(jīng)飛行員操縱，能恢復到受擾動前的原始狀態(tài)，原來平衡狀態(tài)的特性。如果能恢復，則稱飛機是穩(wěn)定的，反之則稱飛機是不穩(wěn)定的。3.1 穩(wěn)定性 無人機的飛行性能主要是指穩(wěn)定性、操縱3.1 穩(wěn)定性 飛機的穩(wěn)定性包括：縱向穩(wěn)定、橫向穩(wěn)定、側(cè)向（航向）穩(wěn)定。3.1 穩(wěn)定性 飛機的穩(wěn)定性包括：縱向穩(wěn)定、橫

2、向穩(wěn)定3.1.1 機體坐標系 原點(0點)： 位于飛行器的重心； 縱軸(0X軸)：位于飛行器參考平面內(nèi)平行于機身軸線并 指向飛行器前方； 橫軸(0Z軸)：垂直于飛行器參考面并指向飛行器右方； 立軸(0Y軸)：在參考面內(nèi)垂直于XOY平面，指向飛行器下方。 不論是固定翼、直升機、還是多旋翼無人機，研究其穩(wěn)定性的時候首先要建立機體坐標系。3.1.1 機體坐標系 原點(0點)： 位于飛行器的3.1.2 姿態(tài)角 在飛機飛行時，我們可以通過判斷飛行姿態(tài)角來分析飛機都發(fā)生了哪些運動，進而作出與之相對應的操作。 描述飛機在空中姿態(tài)的姿態(tài)角有：滾轉(zhuǎn)角（pitch）偏航角（yaw）俯仰角（roll）3.1.2 姿

3、態(tài)角 在飛機飛行時，我們可以通過判斷飛行姿 機體坐標系縱軸與水平面的夾角。抬頭時，俯仰角為正，否則為負。 機體坐標系縱軸與水平面的夾角。抬頭時，俯仰角為正， 機體坐標系立軸與通過機體縱軸的鉛垂面間的夾角，機體向右滾為正，反之為負。 機體坐標系立軸與通過機體縱軸的鉛垂面間的夾角，機體 機體坐標系縱軸與垂直面的夾角，機頭右偏航為正，反之為負。 機體坐標系縱軸與垂直面的夾角，機頭右偏航為正，反之3.1.3 縱向穩(wěn)定性 飛機縱向穩(wěn)定性是指飛機受到上下對流干擾后產(chǎn)生繞橫軸轉(zhuǎn)動，擾動消失后自動恢復原飛行姿態(tài)。 飛機靠水平尾翼和機翼來保證縱向穩(wěn)定性。其中，飛機縱向阻尼力矩主要由水平尾翼產(chǎn)生的。3.1.3 縱

4、向穩(wěn)定性 飛機縱向穩(wěn)定性是指飛機受到上3.1.3 縱向穩(wěn)定性 飛機縱向穩(wěn)定性主要取決于飛機重心的位置，飛機重心位于焦點前面，則飛機縱向穩(wěn)定。 重心的位置：用重心到平均氣動力弦前緣的距離和平均氣動力弦長之比的百分數(shù)來表示。 焦點：當飛機迎角變化時，在機翼和尾翼上都會產(chǎn)生一定的附加升力，這個附加升力合力作用點稱為飛機的焦點。3.1.3 縱向穩(wěn)定性 飛機縱向穩(wěn)定性主要取決于飛機3.1.3 縱向穩(wěn)定性 靜穩(wěn)定裕度：重心與焦點之間的距離被定義為飛機的靜穩(wěn)定裕度。如果重心靠后，靜穩(wěn)定裕度減小，飛機的縱向穩(wěn)定性減弱。 靜穩(wěn)定裕度 配平：重心沿縱軸的前后位置，重心的移動將改變靜穩(wěn)定裕度，甚至使飛機不穩(wěn)定?？梢?/p>

5、通過增加或減少頭部或尾部配置調(diào)整飛機的穩(wěn)定性。3.1.3 縱向穩(wěn)定性 靜穩(wěn)定裕度：重心與焦點之間的3.1.4 航向穩(wěn)定性 飛機縱向穩(wěn)定性是指飛機受到側(cè)風干擾后產(chǎn)生繞立軸轉(zhuǎn)動，擾動消失后自動恢復原飛行姿態(tài)。飛機主要靠垂直尾翼產(chǎn)生航向穩(wěn)定力矩來保證航向穩(wěn)定性。 影響飛機方向穩(wěn)定力矩的因素主要是飛機迎角，機身、垂尾面積和重心位置。3.1.4 航向穩(wěn)定性 飛機縱向穩(wěn)定性是指飛機受到側(cè)3.1.4 航向穩(wěn)定性 空氣從飛機側(cè)方吹來，飛機產(chǎn)生側(cè)滑，相對氣流從左前方吹來叫左側(cè)滑，機頭右偏，對于具有航向穩(wěn)定性的飛機，向左側(cè)滑時垂直尾翼產(chǎn)生的阻尼力矩將使機頭將向左轉(zhuǎn)。3.1.4 航向穩(wěn)定性 空氣從飛機側(cè)方吹來，飛機

6、產(chǎn)3.1.5 橫向穩(wěn)定性 飛機橫向穩(wěn)定性是指飛機受到干擾后產(chǎn)生繞縱軸轉(zhuǎn)動，擾動消失后自動恢復原飛行姿態(tài)。飛機主要靠機翼產(chǎn)生橫向穩(wěn)定力矩來保證橫向穩(wěn)定性。 影響飛機橫向穩(wěn)定力矩的因素主要是機翼上反角、機翼后掠角和垂直尾翼。3.1.5 橫向穩(wěn)定性 飛機橫向穩(wěn)定性是指飛機受到干3.1.5 橫向穩(wěn)定性 上反角：機翼的底面同垂直于飛機立軸的平面之間的夾角。 上反角起到橫向穩(wěn)定的作用。 當一陣風吹到右側(cè)機翼上，飛機右翼抬起，左翼下沉，向左傾斜，由于存在上反角，左翼有效迎角增大，升力增大，形成向右滾轉(zhuǎn)力矩，力圖減小傾斜。3.1.5 橫向穩(wěn)定性 上反角：機翼的底面同垂直于飛3.1.5 橫向穩(wěn)定性 后掠角作用：

7、后掠角越大，橫向穩(wěn)定作用也越大。 當飛機受擾動向右傾斜，由于后掠角的存在，使兩側(cè)機翼上的有效速度大小不等，右側(cè)機翼產(chǎn)生升力大于左側(cè)機翼產(chǎn)生升力，形成滾轉(zhuǎn)力矩，力圖減小傾斜。 垂直尾翼橫向穩(wěn)定作用：出現(xiàn)側(cè)滑后，垂直尾翼上產(chǎn)生的附加側(cè)向力作用點位于飛機重心上方，因而相對于重心也形成恢復力矩。3.1.5 橫向穩(wěn)定性 后掠角作用：后掠角越大，橫向3.1.6 航向與橫向穩(wěn)定性的耦合 飛機的縱向與航向、橫向穩(wěn)定性之間互相獨立；航向與橫向穩(wěn)定性是緊密聯(lián)系和相互影響的，因此通常合稱為“橫側(cè)穩(wěn)定”。故飛機的橫向和航向穩(wěn)定性之間必須匹配適當。 如果匹配不當，飛機將可能出現(xiàn)“螺旋不穩(wěn)定”或“荷蘭滾不穩(wěn)定”現(xiàn)象。3.

8、1.6 航向與橫向穩(wěn)定性的耦合 飛機的縱向與航向3.1.6 航向與橫向穩(wěn)定性的耦合 螺旋（尾旋）：飛機失速后機翼自轉(zhuǎn)，飛機以小半徑的圓周盤旋下降運動。原因：飛機橫向穩(wěn)定性過弱，航向穩(wěn)定性過強，產(chǎn)生螺旋不穩(wěn)定。改出：立即向螺旋反方向打舵到底制止?jié)L轉(zhuǎn)。3.1.6 航向與橫向穩(wěn)定性的耦合 螺旋（尾旋）：飛3.1.6 航向與橫向穩(wěn)定性的耦合 荷蘭滾（飄擺） ：非指令的時而左滾，時而右滾，同時伴隨機頭時而左偏，時而右偏的現(xiàn)象。 原因：飛機的橫向穩(wěn)定性過強，而航向穩(wěn)定性相對過弱，飛機容易出現(xiàn)荷蘭滾不穩(wěn)定。3.1.6 航向與橫向穩(wěn)定性的耦合 荷蘭滾（飄擺） 3.2 操縱性 飛機的操縱是指駕駛員通過飛機的操縱

9、機構(gòu)來改變飛機的飛行狀態(tài)。 飛機的操縱性則指飛機對操縱的反應特性，又稱飛機的操縱品質(zhì)。飛機操縱主要通過駕駛桿和腳蹬等操縱機構(gòu)偏轉(zhuǎn)飛機的三個主操縱面-升降舵、方向舵和副翼。 飛機的操縱包括俯仰操縱、方向操縱和滾轉(zhuǎn)操縱。3.2 操縱性 飛機的操縱是指駕駛員通過飛機的操縱機3.2.1 俯仰操縱使飛機繞橫軸做俯仰（縱向）運動的操縱叫俯仰操縱，也稱縱向操縱。通過推、拉駕駛桿，使飛機升降舵向下或向上偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生俯仰力矩，從而使飛機低頭或抬頭做俯仰運動。焦點與重心的關(guān)系影響縱向操縱性，若焦點在重心之后，向后移焦點，飛機的操縱性減弱。3.2.1 俯仰操縱使飛機繞橫軸做俯仰（縱向）運動的操縱叫3.2.2 方向操縱

10、 使飛機繞立軸做偏航運動的操縱叫方向操縱，也稱航向操縱。 通過蹬左或右腳蹬，使飛機方向舵向左或向右偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生偏航力矩，從而使飛機向左或向右做偏航運動。3.2.2 方向操縱 使飛機繞立軸做偏航運動的操縱叫3.2.3 滾轉(zhuǎn)操縱 使飛機繞縱軸做滾轉(zhuǎn)（傾側(cè)）運動的操縱叫滾轉(zhuǎn)操縱。 通過蹬左壓或右壓操縱桿，使飛機方向舵左、右一次向下另一側(cè)向上偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生滾轉(zhuǎn)力矩，從而使飛機向左或向右做滾轉(zhuǎn)運動。3.2.3 滾轉(zhuǎn)操縱 使飛機繞縱軸做滾轉(zhuǎn)（傾側(cè)）運動3.2.4 輔助操縱機構(gòu) 固定翼常規(guī)無人機飛行輔助操縱面有縫翼，襟翼，調(diào)整（擾流）片。3.2.4 輔助操縱機構(gòu) 固定翼常規(guī)無人機飛行輔助操3.2.4 輔助操縱機構(gòu)

11、襟翼 一般的襟翼位于機翼后緣，靠近機身，在副翼側(cè)，放下襟翼升力增大，失速速度減小，阻力增大，飛行速度減小。 利用增大襟翼彎度來提高機翼升力系數(shù)，機翼表面最低壓力點前移，減小臨界迎角。 起飛階段，襟翼只放下較小的角度，增加升力；下降階段，放下最大角度，實現(xiàn)較小的下降速度，較大的下降角。起飛時下降時巡航時3.2.4 輔助操縱機構(gòu)襟翼 一般的襟翼位于機翼后3.2.4 輔助操縱機構(gòu)前緣縫翼 安裝在機翼前緣的一段或極端狹長小翼面，當前緣縫翼打開時，它與基本機翼前緣表面形成一道縫隙，下翼面的高壓氣流通過縫翼加速流向上翼面，增大上翼面附面層氣流速度，消除了分離漩渦，延緩氣流分離，避免大迎角下失速，升力系數(shù)得

12、到提高，增大飛機臨界迎角。所以前緣縫翼一般在大迎角，特別是接近或超過基本機翼臨界迎角時才使用。3.2.4 輔助操縱機構(gòu)前緣縫翼 安裝在機翼前緣的3.2.4 輔助操縱機構(gòu)擾流片 飛機擾流板作用主要是增加在地面或飛行中的氣動阻力，減速；還可以輔助飛機轉(zhuǎn)彎，當飛機左盤旋時，操縱左機翼飛行擾流板向上打開，右機翼飛行擾流板不動，右翼升力大于左翼，實現(xiàn)飛機左轉(zhuǎn)。3.2.4 輔助操縱機構(gòu)擾流片 飛機擾流板作用主要3.3 飛行性能 無人機飛行性能是描述飛機質(zhì)心運動規(guī)律的性能，包括飛機的飛行速度、飛行高度、航程、航時、起飛和著陸性能等。與有人機不同的是，無人機幾乎涉及不到筋斗、盤旋、戰(zhàn)斗轉(zhuǎn)彎等機動性能，所以不加

13、以討論。3.3 飛行性能 無人機飛行性能是描述飛機質(zhì)心運動規(guī)3.3 飛行性能高度理論靜升限：飛機能作水平直線飛行的最大高度。 實用靜升限：飛機最大爬升率等于0.5m/s（亞聲速飛機）或5m/s（超聲速飛機）所對應的飛行高度。理論升限大于實用升限 ！3.3 飛行性能高度理論靜升限：飛機能作水平直線飛行的最3.3 飛行性能高度爬升率：單位時間內(nèi)飛機所上升的垂直高度。爬升角：飛機上升軌跡與水平線之間的夾角。 爬升率、爬升角反映了飛機改變高度的能力，它們的大小主要取決于飛機的剩余推力和飛機的重量。3.3 飛行性能高度爬升率：單位時間內(nèi)飛機所上升的垂直高3.3 飛行性能速度 最大飛行速度：飛機在一定高度

14、上做水平直線飛行時，在一定飛行距離內(nèi)（3km），發(fā)動機以最大推力工作所能達到的最大飛行速度。 最小飛行速度：飛機在一定高度，能產(chǎn)生足夠升力平衡重力，維持水平直線飛行的最小速度。又稱平飛所需速度。 平飛有利速度：能夠獲得平飛航時最長的速度。 平飛遠航速度：能夠獲得平飛航程最長的速度。 巡航飛行速度：發(fā)動機每公里消耗燃油量最小情況下的飛行速度。3.3 飛行性能速度 最大飛行速度：飛機在一定高度3.3 飛行性能航程 最大航程：在起飛后不再加油的情況下，飛機以巡航速度所能達到的最遠距離。 飛機航程的長短主要取決于燃油量。3.3 飛行性能航程 最大航程：在起飛后不再加油的3.4 起飛與著陸性能 固定翼無

15、人機的起降階段是需要專門進行訓練的，固定翼的起降航線也叫五邊航線。起降航線是固定翼駕駛員最基本的飛行訓練科目。一(離場邊)二(側(cè)風邊)三(下風邊)四(基線邊)五(進近邊)3.4 起飛與著陸性能 固定翼無人機的起降階段是需要3.4.1 起飛性能 飛機的起飛過程包括起飛滑跑和爬升兩個主要階段，飛機離地速度越小，滑跑距離越短，飛機的起飛性能越好。 減小起飛距離的辦法：增升裝置（襟翼）、增加推力等。3.4.1 起飛性能 飛機的起飛過程包括起飛滑跑和爬3.4.2 著陸性能 飛機著陸的過程包括下滑，拉平，平飄，接地，著陸滑跑五個階段。 著陸距離由著陸下滑距離和著陸滑跑距離組成。下滑距離與下滑角（飛行軌跡與

16、水平面的夾角）、下滑高度有關(guān)。3.4.2 著陸性能 飛機著陸的過程包括下滑，拉平，3.5 機動性能過載 過載具有方向性，與物體運動方向一致或相反的力叫做切向力，與物體運動方向一致或相反的力與物體質(zhì)量的比值叫切向過載。與物體運動方向垂直的力叫法向力，與物體運動方向垂直的力與物體質(zhì)量的比值叫法向過載。所以，飛機的推力是切向力，阻力也是切向力。重力有時是切向力，有時是法向力，當飛機垂直上升或下降時它是切向力，當飛機平飛時，它是法向力。飛機的升力總是法向力。3.5 機動性能過載 過載具有方向性，與物體運動3.5 機動性能盤旋盤旋：保持飛行高度不變，飛機做圓周飛行。轉(zhuǎn)彎半徑：重要的機動指標，空速越大轉(zhuǎn)彎

17、半徑越大。3.5 機動性能盤旋盤旋：保持飛行高度不變，飛機做圓周飛3.5 機動性能盤旋 操縱副翼使外側(cè)機翼副翼向下，內(nèi)側(cè)機翼副翼向上，外側(cè)升力大于內(nèi)側(cè)升力飛機滾轉(zhuǎn)（坡度），實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎。 飛機轉(zhuǎn)彎的向心力是飛機升力的水平分力，飛機坡度增大，升力的垂直分量減小升力的水平分量增大，為保持高度需要增大迎角和油門，原因是保持升力垂直分量不變。3.5 機動性能盤旋 操縱副翼使外側(cè)機翼副翼向下，3.5 機動性能俯沖、筋斗、躍升 在俯沖拉起、筋斗和躍升過程中，升力作為飛機的向心力，改變飛機飛行速度的方向。3.5 機動性能俯沖、筋斗、躍升 在俯沖拉起、筋斗目錄01 空氣動力學基礎02 飛行原理P04 P24 03

18、 飛行性能P49 04 無人機發(fā)射回收方式P88 05 多旋翼基礎知識P98 目錄01 空氣動力學基礎02 飛行原理P04 P24 03 4.1 無人機發(fā)射方式 根據(jù)功能和任務場地的不同，無人機可以選用多種發(fā)射方式，主要有：手拋發(fā)射、彈射發(fā)射、起落架滑跑起飛、垂直起飛。發(fā)射方式手拋發(fā)射零長發(fā)射彈射發(fā)射滑跑起飛空中發(fā)射容器式發(fā)射垂直起飛4.1 無人機發(fā)射方式 根據(jù)功能和任務場地的不同，無4.1.1 手拋發(fā)射 手拋發(fā)射方式比較簡單，一般由1人或2人操作即可完成。手拋發(fā)射的無人機一般重量較輕，尺寸較小。手拋發(fā)射作業(yè)難度相對較大，手拋發(fā)射員必須經(jīng)過系統(tǒng)的訓練才能進行作業(yè)，無人機拋出的瞬間，起降駕駛員就

19、要操縱遙控器進行控制，迅速調(diào)整飛機油門和姿態(tài)。 4.1.1 手拋發(fā)射 手拋發(fā)射方式比較簡單，一般由14.1.2 彈射發(fā)射 無人機安裝在軌道式彈射發(fā)射架上，在壓縮空氣、橡皮筋或液壓彈射裝置的作用下，無人機能夠迅速獲得一個沖力，使無人機能夠瞬間達到飛行所需速度，從而達到起飛的目的。 一般情況下，在南方作業(yè)的隊伍比較喜歡彈射發(fā)射的方式，但是由于科技的進度，彈射發(fā)射有被手拋發(fā)射和垂直起降取代的趨勢。 4.1.2 彈射發(fā)射 無人機安裝在軌道式彈射發(fā)射架上4.1.3 起落架滑跑起飛 起落架滑跑起飛是固定翼無人機起飛最主要的方式，但是需要起降場地需要有滿足起飛條件的跑道，局限性較大。4.1.3 起落架滑跑起

20、飛 起落架滑跑起飛是固定翼無4.1.3 垂直起飛 垂直起飛分為兩種不同的機型：固定翼無人機和旋翼無人機。4.1.3 垂直起飛 垂直起飛分為兩種不同的機型：固4.2 無人機回收方式 無人機的回收方式可以歸納為：傘降回收、起落架滑跑著陸、垂直著陸。回收方式傘降回收空中回收滑跑著陸攔阻網(wǎng)回收垂直著陸4.2 無人機回收方式 無人機的回收方式可以歸納為：4.2.1 傘降回收 對應于手拋、彈射起飛的無人機，一般采用傘降回收。無人機結(jié)束飛行任務之后，小油門或熄火狀態(tài)滑翔到降落點上空盤旋降高，當下降到預定高度后開傘降落，然后地面人員進行回收。 降落時由遙控器指令控制或自主控制開傘，降落傘由主傘和減速傘組成二級

21、傘。4.2.1 傘降回收 對應于手拋、彈射起飛的無人機，4.2.2 起落架滑跑著陸 滑跑起飛，對應于滑跑著陸?；苤憣ε艿烙幸欢ǖ囊?，比如：跑道上無雜物，跑道要平直且有足夠的距離。 固定翼無人機滑跑降落對無人機駕駛員操縱技術(shù)要求很高，事故一般發(fā)生在這個階段。 4.2.2 起落架滑跑著陸 滑跑起飛，對應于滑跑著陸4.2.3 垂直著陸 垂直起降固定翼和旋翼都采用垂直回收方式?；厥詹襟E和起飛正好相反。4.2.3 垂直著陸 垂直起降固定翼和旋翼都采用垂直目錄01 空氣動力學基礎02 飛行原理P04 P24 03 飛行性能P49 04 無人機發(fā)射回收方式P88 05 多旋翼基礎知識P98 目錄01

22、空氣動力學基礎02 飛行原理P04 P24 03 5.1 多旋翼概念 多旋翼飛行器也稱多軸飛行器，是一種具有三個及以上旋翼軸的特殊直升機。 多軸飛行器每個“軸”上，一般連接1個電調(diào)，1個電機，電動機轉(zhuǎn)動帶動旋翼產(chǎn)生升推力。5.1 多旋翼概念 多旋翼飛行器也稱多軸飛行器，是一5.2 多旋翼系統(tǒng)組成 多旋翼飛行器系統(tǒng)主要包括：機體結(jié)構(gòu)、飛控系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、機載鏈路系統(tǒng)。 5.2 多旋翼系統(tǒng)組成 多旋翼飛行器系統(tǒng)主要包括：機5.2.1 機體結(jié)構(gòu) 機體結(jié)構(gòu)是其他所有機載設備、模塊的載體。典型的機體結(jié)構(gòu)包括：機架、支臂、腳架、云臺。5.2.1 機體結(jié)構(gòu) 機體結(jié)構(gòu)是其他所有機載設備、模5.2.1 機體結(jié)構(gòu)

23、 機架：裝載各類設備、動力電池或燃料，同時它是其他結(jié)構(gòu)部件的安裝基礎。 支臂：機架結(jié)構(gòu)的延伸，用以擴充軸距，安裝動力電機，有些多旋翼的腳架也安裝在支臂上。 云臺：任務設備的承載結(jié)構(gòu)。 腳架：用來支撐停放、起飛和著陸的部件。5.2.1 機體結(jié)構(gòu) 機架：裝載各類設備、動力電池或5.2.2 飛控系統(tǒng) 飛控全稱導航飛控系統(tǒng)，多軸飛行器的飛控指的是機載導航飛控系統(tǒng)，又稱自動駕駛儀，它包含飛控子系統(tǒng)和導航子系統(tǒng)兩部分。角速度傳感器姿態(tài)傳感器加速度計空速傳感器導航子系統(tǒng)（按航線飛行）飛控子系統(tǒng)（姿態(tài)穩(wěn)定與控制）位置傳感器(GPS)高度計飛行姿態(tài)執(zhí)行機構(gòu)|槳內(nèi)環(huán)外環(huán)飛控計算機5.2.2 飛控系統(tǒng) 飛控全稱導航

24、飛控系統(tǒng)，多軸飛行5.2.2 飛控系統(tǒng)飛控硬件 多旋翼飛控系統(tǒng)全部集成在一塊電路板上，我們稱之為飛控板。飛控板可集成全部的傳感器：3軸角速度陀螺儀、3軸加速度計、3軸磁力計、高度計、空速傳感器、GPS接收機以及計算單元。5.2.2 飛控系統(tǒng)飛控硬件 多旋翼飛控系統(tǒng)全部集5.2.2 飛控系統(tǒng)IMU慣導傳感器 IMU慣性導航傳感器是DOF（Degree Of Freedom，自由度）系統(tǒng)的核心，為多旋翼提供姿態(tài)、速度和位置等參數(shù),全稱“慣性測量單元”。是測量物體三軸姿態(tài)（或角速率）以及加速度的裝置。 5.2.2 飛控系統(tǒng)IMU慣導傳感器 IMU慣性導5.2.2 飛控系統(tǒng)GPS接收機 GPS接收機獲

25、取位置信息，多軸飛行器GPS定位中，最少達到45顆星，才能夠在飛行中保證基本的安全。GPS天線應盡量安裝在飛行器頂部。 大多數(shù)多軸飛行器自主飛行過程利用GPS實現(xiàn)位置的感知。5.2.2 飛控系統(tǒng)GPS接收機 GPS接收機獲取5.2.2 飛控系統(tǒng)磁力計 磁力計為多旋翼提供角度信息，其功能等同于指南針。多軸飛行器在沒有發(fā)生機械結(jié)構(gòu)改變的前提下，如發(fā)生漂移，不能直線飛行時，通常就需要校準磁羅盤。如果無人機發(fā)生遠距離轉(zhuǎn)場，尤其是東西方向的遠距離轉(zhuǎn)場，必須校準磁羅盤。 5.2.2 飛控系統(tǒng)磁力計 磁力計為多旋翼提供角度5.2.2 飛控系統(tǒng)飛控軟件飛控基本情況優(yōu)點缺點KK飛控開源，只使用三個成本低廉的單軸

26、陀螺價格便宜，硬件結(jié)構(gòu)簡單 功能簡單，無自穩(wěn)、定高，不能姿態(tài)控制,無GPSAPM飛控開源，配有地面站軟件可實現(xiàn)自穩(wěn)、定高、姿態(tài)控制調(diào)試復雜MWC飛控開源，配有地面站軟件成本低，架構(gòu)簡單性能不及APM、PIXHawkDJI NAZA飛控不開源，穩(wěn)定，商業(yè)軟件功能全，控制穩(wěn)定價格昂貴PX4和PIXHawk開源，配有地面站軟件固件代碼結(jié)構(gòu)好，利于開發(fā)代碼不如APM成熟5.2.2 飛控系統(tǒng)飛控軟件飛控基本情況優(yōu)點缺點KK飛控5.2.2 飛控系統(tǒng)飛控軟件5.2.2 飛控系統(tǒng)飛控軟件5.2.3 動力系統(tǒng) 多旋翼無人機動力系統(tǒng)的組成為：螺旋槳、電機、電調(diào)、電池。5.2.3 動力系統(tǒng) 多旋翼無人機動力系統(tǒng)的組

27、成為：5.2.3 動力系統(tǒng)螺旋槳 螺旋槳時安裝在電機上為多旋翼無人機提供升力的裝置。螺旋槳是一個旋轉(zhuǎn)的翼面，適用于機翼的空氣動力學原理。產(chǎn)生升力的大小依賴于槳葉的平面形狀、螺旋槳葉迎角和電機的轉(zhuǎn)速。多軸飛行器常用螺旋槳的剖面形狀凹凸型，更接近于固定翼飛機螺旋槳。5.2.3 動力系統(tǒng)螺旋槳 螺旋槳時安裝在電機上為5.2.3 動力系統(tǒng)螺旋槳 當槳葉旋轉(zhuǎn)時，槳尖的線速度大于將根處的線速度，為了使從轂軸到將尖產(chǎn)生一致的升力，螺旋槳葉設計為負扭轉(zhuǎn)：槳根處迎角大于槳尖處迎角，則槳根處升力系數(shù)大于槳尖處升力系數(shù)。5.2.3 動力系統(tǒng)螺旋槳 當槳葉旋轉(zhuǎn)時，槳尖的線5.2.3 動力系統(tǒng)螺旋槳 多旋翼無人機一般選

28、用兩葉槳，因為同一架多軸飛行器，在同樣做好動力匹配的前提下兩葉槳的效率高。 三葉槳的動力強勁，但因為需要抵消更多的旋轉(zhuǎn)阻力，效率比兩葉低，兩葉槳效率高，體現(xiàn)在飛行時間上。5.2.3 動力系統(tǒng)螺旋槳 多旋翼無人機一般選用兩5.2.3 動力系統(tǒng)螺旋槳 多旋翼為了抵消單個螺旋槳的反扭矩，各個槳的旋轉(zhuǎn)方向是不一樣的，所以需要正、反槳。正槳：頂視逆時針旋轉(zhuǎn)，用CCW表示。反槳：頂視順時針旋轉(zhuǎn)，用CW表示。5.2.3 動力系統(tǒng)螺旋槳 多旋翼為了抵消單個螺5.2.3 動力系統(tǒng)電機 多軸飛行器動力系統(tǒng)多為電動系統(tǒng)，因為電動系統(tǒng)形式簡單且電機速度響應快。主要使用外轉(zhuǎn)子三相交流無刷同步電動機。多軸飛行器使用的電機

29、都是交流電機，電機通過三根線和電調(diào)連接，從電調(diào)取電，一般如果想要電機反向旋轉(zhuǎn)，只需要把三根線中的兩根互換一下即可。 無刷電機去除了電刷，運轉(zhuǎn)時摩擦力大大減小。所以無刷電機的效率較有刷電機更高。5.2.3 動力系統(tǒng)電機 多軸飛行器動力系統(tǒng)多為電5.2.3 動力系統(tǒng)電機4108外轉(zhuǎn)子無刷電機（KV480）4108：定子直徑41mm 定子高度08mm大小尺寸電壓增加1V，無刷電機每分鐘空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速增加的轉(zhuǎn)速值KV值轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速為3000轉(zhuǎn)意思為每分鐘3000轉(zhuǎn)。5.2.3 動力系統(tǒng)電機4108外轉(zhuǎn)子無刷電機（KV485.2.3 動力系統(tǒng)電機 電機與螺旋槳的匹配，電機、螺旋槳與多旋翼整機的匹配，都是非常復雜的

30、問題，所以建議采用經(jīng)驗配置。選布局選槳選電機選電調(diào)選電池；大螺旋槳用低KV電機，小螺旋槳高KV電機；小螺旋槳因為需要用轉(zhuǎn)速來彌補升力。選擇動力冗余配置；六、八軸飛行器具有一定的冗余度，即某一個電機發(fā)生故障時，只需將對角電機做出類似停止，仍保留動力完成降落或返航。5.2.3 動力系統(tǒng)電機 電機與螺旋槳的匹配，電機5.2.3 動力系統(tǒng)電調(diào) 電子調(diào)速器ESC簡稱電調(diào)。其作用是根據(jù)飛控的控制信號，將電池的直流輸入轉(zhuǎn)變成一定頻率的交流輸出，用于控制電機轉(zhuǎn)速。多軸飛行器使用的電調(diào)通常被劃分為有刷電調(diào)和無刷電調(diào)，多軸飛行器一般使用無刷電調(diào)。 電調(diào)上最粗的紅線和黑線用來連接動力電池；較細的白紅黑3色排線，也叫

31、杜邦線，用來連接飛控；另一端3根單色線連接電機，如任意調(diào)換其中2根與電機的連接順序，電機反向運轉(zhuǎn)。5.2.3 動力系統(tǒng)電調(diào) 電子調(diào)速器ESC簡稱電調(diào)5.2.3 動力系統(tǒng)電調(diào) 電流規(guī)格：電調(diào)上標有“20A”字樣，意思是指電調(diào)所能承受的最大瞬間電流是20安培；一般多旋翼上我們選取懸停電流4倍到5倍規(guī)格的電調(diào)使用，這樣可以給電流留夠充足的余量。 供電能力：電調(diào)上有BEC 5V字樣，意思是指電調(diào)能從杜邦線向外輸出5V的電壓。5.2.3 動力系統(tǒng)電調(diào) 電流規(guī)格：電調(diào)上標有“25.2.3 動力系統(tǒng)電調(diào) 多軸飛行器電機與電調(diào)的匹配和測試時一大難題。因為電調(diào)輸出的驅(qū)動交流相位與電機設計如果不匹配，會造成堵轉(zhuǎn)，

32、導致嚴重后果。 在常規(guī)飛行和小負載情況下，很多電機與電調(diào)的不兼容表現(xiàn)不明顯。但在做大機動外界氣流對轉(zhuǎn)速干擾過大時，或人工快速調(diào)節(jié)油門桿時，可能會出現(xiàn)問題，表現(xiàn)為瞬間一個或多個電機驅(qū)動缺相，“咻”一聲失去動力直接炸機。 要完全杜絕和排除此類問題也比較困難，因為現(xiàn)有小尺度的多旋翼，幾乎100%時開環(huán)結(jié)構(gòu)，無法檢測到每個電機是否轉(zhuǎn)速正常。5.2.3 動力系統(tǒng)電調(diào) 多軸飛行器電機與電調(diào)的匹5.2.3 動力系統(tǒng)電調(diào) 建議最基礎測試電機與電調(diào)兼容性的方案： 在地面拆除螺旋槳，姿態(tài)或增穩(wěn)模式啟動，啟動后油門推至50%，大角度晃動機身、快速大范圍變化油門量，使飛控輸出動力。仔細聆聽電機轉(zhuǎn)動聲音，并測量電機溫度

33、，觀察室否出現(xiàn)缺相。 在調(diào)試前，用遙控器設置電調(diào)時，需要接上電機。5.2.3 動力系統(tǒng)電調(diào) 建議最基礎測試電機與電調(diào)5.2.3 動力系統(tǒng)電池 多軸飛行器使用的動力電池一般為聚合物鋰電池。它屬于鋰離子電池的一種。 鋰離子電池優(yōu)點： 1）電壓高，單體電池的工作電壓高達3.73.8V。 2) 循環(huán)壽命長，一般均可達到500次以上，安全性能好。 3）比能量大，材料能達到理論值88%的比容量，即同樣容量不同類型的電池，最輕的是聚合物鋰電池，同樣重量不同類型的電池，容量最大的是聚合物鋰電池。5.2.3 動力系統(tǒng)電池 多軸飛行器使用的動力電池5.2.3 動力系統(tǒng)電池 電池容量：安時（Ah）或者毫安時（mAh

34、）。如圖所示，例如，17000mAh表示以17000毫安放電，能夠持續(xù)1小時。嚴格的講，電池容量應該以Wh表示，Ah乘以電壓就是Wh，例如，民航旅客行李中攜帶鋰電池的額定能量超過160Wh嚴禁攜帶。 5.2.3 動力系統(tǒng)電池 電池容量：安時（Ah）或5.2.3 動力系統(tǒng)電池 充、放電倍率（C數(shù)）：一般鋰聚合物電池有兩個c數(shù)，例：穿越機電池一般為5c-30c，表示最大能夠以5倍的額定電流充電，最大能夠以30倍額定電流放電。 例1：如果17000mah，6s1p鋰聚合物電池以2c充電，求充電電流和充電時間？ 電流I=額定電流*充放電倍率c=17a*2c=34a 時間T=1/充放電倍率c（單位小時）

35、=1/2h =60/充放電倍率c（單位分鐘）=60/2=30min5.2.3 動力系統(tǒng)電池 充、放電倍率（C數(shù)）：一5.2.3 動力系統(tǒng)電池 電池電壓：聚合物鋰電池單體標稱電壓3.7V，充電后電壓可達4.2V，放電后的保護電壓3.6V。 為了能有更高的工作電壓和電量，必須對電池單體進行串聯(lián)或并聯(lián)電池組，電池組上：S表示串聯(lián)，P表示并聯(lián)。 3S2P字樣，代表電池組先由3個單體串聯(lián)，再將串聯(lián)后的2組并聯(lián)，3S 有11.1V。 一般鋰聚合物電池上都有2組線。1組是輸出線（粗，紅黑各1根）；1組是單節(jié)鋰電引出線（細，與S數(shù)有關(guān)），用以監(jiān)視平衡充電時的單體電壓。 多軸飛行器飛行中，圖像疊加OSD信息顯示

36、的電壓一般為電池的負載電壓。5.2.3 動力系統(tǒng)電池 電池電壓：聚合物鋰電池單5.2.3 動力系統(tǒng)電池 鋰電池在使用時必須串聯(lián)才能達到使用電壓需要，因此聚合物電池需要專用的充電器，盡量選用平衡充電器。根據(jù)充電原理的不同分為串型式平衡充電器和并行式平衡充電器。并行式平衡充電器使被充電的電池塊內(nèi)部每節(jié)串聯(lián)電池都配備一個單獨的充電回路，互不干涉，毫無牽連。5.2.3 動力系統(tǒng)電池 鋰電池在使用時必須串聯(lián)才5.2.3 動力系統(tǒng)油電混動 為了克服電動無人機續(xù)航能力短的問題，目前市場上推出了油電混動型的多旋翼無人機。5.2.3 動力系統(tǒng)油電混動 為了克服電動無人機續(xù)5.2.4 鏈路系統(tǒng) 民用多旋翼無人機的

37、通訊鏈路系統(tǒng)比較簡單，就23條鏈：遙控鏈路、數(shù)傳鏈路、圖傳鏈路。5.2.4 鏈路系統(tǒng) 民用多旋翼無人機的通訊鏈路系統(tǒng)5.2.4 鏈路系統(tǒng)遙控鏈路 遙控鏈路就是我們手里的遙控器和無人機上的遙控接收機構(gòu)成的，其為上傳的單向鏈路；我們發(fā)指令，飛機收指令；用于視距內(nèi)控制飛機。遙控器機載接收機 多軸飛行時地面人員手里拿的“控”指的就是地面遙控發(fā)射機，多軸飛行器的遙控器一般有4個及以上通道。多軸飛行器上的電信號傳播順序一般為機載遙控接收機飛控電調(diào)電機。5.2.4 鏈路系統(tǒng)遙控鏈路 遙控鏈路就是我們手里5.2.4 鏈路系統(tǒng)數(shù)傳鏈路 遙數(shù)傳鏈路由筆記本連接的一個模塊和飛機上的一個模塊構(gòu)成雙向鏈路；我們發(fā)修改航

38、點等指令，飛機受；飛機發(fā)位置、電壓等信息，我們收；用于視距外控制飛機。地面站機載模塊 多軸飛行器上的鏈路天線應盡量遠離飛控和GPS天線安裝。5.2.4 鏈路系統(tǒng)數(shù)傳鏈路 遙數(shù)傳鏈路由筆記本連5.2.4 鏈路系統(tǒng)圖傳鏈路 圖傳鏈路由飛機上的發(fā)射模塊和地面上的接收模塊構(gòu)成的，下傳的單向鏈路；飛機發(fā)圖像，我們收圖像；用于監(jiān)控攝像頭方向和效果。5.2.4 鏈路系統(tǒng)圖傳鏈路 圖傳鏈路由飛機上的發(fā)5.3 多旋翼氣動布局 由于多旋翼的槳平面是向上安裝的，由螺旋槳直接提供機體所需的升力，而螺旋槳在旋轉(zhuǎn)的時候又會產(chǎn)生反扭力，使無人機的機體向螺旋槳旋轉(zhuǎn)的反向轉(zhuǎn)向，為了克服這個反扭力，設計成兩兩對應的雙數(shù)螺旋槳結(jié)構(gòu)

39、或者在單數(shù)螺旋槳上安裝舵機。 按照要求和使用習慣不同，多旋翼可以設計成不同的氣動結(jié)構(gòu)，主要有：十字型、X字型、Y字型、H字型。5.3 多旋翼氣動布局 由于多旋翼的槳平面是向上安裝5.3 多旋翼氣動布局十字型 優(yōu)點：前后左右飛行控制比較直觀，只需改變少了電機轉(zhuǎn)速即可實現(xiàn)； 缺點：飛行正前方有螺旋槳，航拍等應用時會造成影響。5.3 多旋翼氣動布局十字型 優(yōu)點：前后左右飛行控5.3 多旋翼氣動布局X字型 X字型4軸飛行器右前方的旋翼一般多為俯視逆時針旋轉(zhuǎn)。操縱升降和副翼時，一般會有多個電機參與，不論是操縱性還是穩(wěn)定性，都要比十字型要好。5.3 多旋翼氣動布局X字型 X字型4軸飛行器右前5.3 多旋翼

40、氣動布局Y字型、H字型 缺點：尾旋翼需要使用一個舵機來平衡扭矩，增加了機械復雜性和控制難度。Y型 優(yōu)點：動力組較少，成本低；外形炫酷，前方視線開闊。H型 H型比較容易設計成折疊結(jié)構(gòu)，且擁有X型相當?shù)奶攸c。5.3 多旋翼氣動布局Y字型、H字型 缺點：尾旋翼5.3 多旋翼氣動布局468旋翼 單純從氣動效率出發(fā)，旋翼越大，效率越高，同樣起飛重量的4軸飛行器比8軸飛行器的效率高，故軸數(shù)越多載重能力不一定越大。5.3 多旋翼氣動布局468旋翼 單純從氣動效5.4 多旋翼結(jié)構(gòu)形式無邊框常規(guī)固定式簡單實用，強度好且質(zhì)量輕；螺旋槳無保護，不夠安全；腳架影響機載設備視線。帶邊框常規(guī)固定式防止磕碰提高安全性；增加

41、重量，減少航時。5.4 多旋翼結(jié)構(gòu)形式無邊框常規(guī)固定式簡單實用，強度好且質(zhì)5.4 多旋翼結(jié)構(gòu)形式穿越式追求速度多采用H型氣動布局；動力強，機身小巧；多數(shù)無腳架，安裝前置攝像頭。手動水平垂直變現(xiàn)式便于存儲與運輸5.4 多旋翼結(jié)構(gòu)形式穿越式追求速度多采用H型氣動布局5.4 多旋翼結(jié)構(gòu)形式自動腳架收放式改善機載設備視野；減小阻力，增加抗風性；但會有小幅重量增加。自動整體變形式飛行中完成整體變形；支臂變形到最下方就是腳架；支臂變形到最上方改善機載設備視野。5.4 多旋翼結(jié)構(gòu)形式自動腳架收放式改善機載設備視野；自動5.5 多旋翼的運動 旋翼的運動模式主要有：垂直上升下降運動；繞多軸飛行器橫軸俯仰運動；繞

42、多軸飛行器縱軸滾轉(zhuǎn)運動；繞多軸飛行器立軸偏航運動。 對于多軸飛行器而言，旋翼既是升力面又是縱橫向和航向的操縱面，旋翼所有的運動都是通過改變旋翼速度來實現(xiàn)。5.5 多旋翼的運動 旋翼的運動模式主要有：垂直上升5.5.1 垂直運動 通過控制四個旋翼的轉(zhuǎn)速產(chǎn)生升力實現(xiàn)垂直運動或者懸停，且四個螺旋槳轉(zhuǎn)速必須一致。5.5.1 垂直運動 通過控制四個旋翼的轉(zhuǎn)速產(chǎn)生升力5.5.2 俯仰運動 多旋翼無人機的俯仰運動和固定翼的俯仰運動不同。固定翼無人機機頭下俯，飛機向下飛行，機頭上仰，飛機向上飛行。而多旋翼在做俯仰運動的時候，機頭下俯，飛機向前飛行，機頭上仰 ，飛機向后飛行。 橫軸前后側(cè)的螺旋槳轉(zhuǎn)速不同，可實現(xiàn)

43、俯仰運動。如實現(xiàn)向后移動則橫軸前側(cè)的螺旋槳加速，橫軸后側(cè)的螺旋槳減速。5.5.2 俯仰運動 多旋翼無人機的俯仰運動和固定翼5.5.3 滾轉(zhuǎn)運動 和多旋翼無人機的俯仰運動類似，多旋翼也可以實現(xiàn)滾轉(zhuǎn)運動。當向左滾轉(zhuǎn)時飛機向左平移，向右滾轉(zhuǎn)時飛機向右平移。 縱軸左右側(cè)的螺旋槳轉(zhuǎn)速不同，可實現(xiàn)滾轉(zhuǎn)運動。如實現(xiàn)向左移動則縱軸右側(cè)的螺旋槳加速，縱軸左側(cè)的螺旋槳減速。 5.5.3 滾轉(zhuǎn)運動 和多旋翼無人機的俯仰運動類似，5.5.4 偏航運動 多旋翼無人機的偏航運動指的是機頭方向的改變。 多軸飛行器的旋翼旋轉(zhuǎn)方向一般為俯視多軸飛行器兩兩對應，相鄰旋翼旋轉(zhuǎn)方向則相反，當轉(zhuǎn)速一致時，可抵消反扭力矩。如：四旋翼飛行

44、器上螺旋槳兩兩相對應。當相對的2個槳加速，另2個槳減速，反扭力矩不平衡，飛機改變航向。 5.5.4 偏航運動 多旋翼無人機的偏航運動指的是機5.6 典型應用多旋翼無人機應用軍事應用航拍航測農(nóng)林植保線路巡檢貨物運輸通信中繼5.6 典型應用多旋翼無人機應用軍事應用航拍航測農(nóng)林植保線5.6.1 航拍航測 航拍：又稱航空攝影，記錄拍攝對象及其所在地理環(huán)境的外部信息；航測，又稱攝影測量與遙感，獲取有關(guān)目標的時空信息。航拍多為影視服務，航測多為地理信息服務；航拍多使用攝像機，航測多使用高性能照相機；航拍多搭載3軸穩(wěn)定云臺，航測多搭載對地正式云臺；5.6.1 航拍航測 航拍：又稱航空攝影，記錄拍攝對5.6.1 航拍航測相對于傳統(tǒng)航拍，多旋翼航拍有以下優(yōu)勢：