無人機(jī)工作系統(tǒng)技術(shù)課件：無人機(jī)構(gòu)型認(rèn)知與選擇

無人機(jī)構(gòu)型認(rèn)知與選擇學(xué)習(xí)任務(wù)一

固定翼無人機(jī)構(gòu)型認(rèn)知與選擇掌握固定翼無人機(jī)結(jié)構(gòu)整體布局。掌握機(jī)身、機(jī)翼、尾翼結(jié)構(gòu)及作用。熟悉常見的機(jī)翼、尾翼布局及特點。能夠解析常見固定翼無人機(jī)的結(jié)構(gòu)、特點及應(yīng)用場景。知識目標(biāo)固定翼（fixedwing）無人機(jī)是最早出現(xiàn)的無人機(jī)，其由動力裝置產(chǎn)生前進(jìn)的推力或拉力，由機(jī)身的固定機(jī)翼產(chǎn)生升力，在大氣層內(nèi)飛行的重于空氣的航空器。盡管固定翼無人機(jī)的結(jié)構(gòu)形式在不斷改進(jìn)，結(jié)構(gòu)類型也不斷增多，但除了少數(shù)特殊結(jié)構(gòu)外，大多數(shù)固定翼無人機(jī)結(jié)構(gòu)由機(jī)身、機(jī)翼、尾翼、動力裝置、起落裝置等部分組成，本學(xué)習(xí)任務(wù)主要討論機(jī)身、機(jī)翼、尾翼等部件的相關(guān)內(nèi)容。任務(wù)描述ABC半硬殼式機(jī)身框架式機(jī)身硬殼式機(jī)身知識點1：固定翼無人機(jī)的機(jī)身結(jié)構(gòu)機(jī)身的主要功用是承載任務(wù)設(shè)備、燃油/電池、通信裝置、起落裝置等，以及將機(jī)翼、尾翼、發(fā)動機(jī)等部件連接成一個整體。機(jī)身要通過自身結(jié)構(gòu)來承擔(dān)自身、承載物傳遞的載荷、飛行中的氣動過載以及傳遞力矩等，故機(jī)身設(shè)計時要盡量減輕自身重量、要合理運用內(nèi)部空間以保證飛行性能、要使表面盡量光滑流線以減小阻力、要提高可維護(hù)性以便檢修內(nèi)部設(shè)備、要容易制造以降低成本。固定翼無人機(jī)機(jī)身常見構(gòu)型有框架式、半硬殼式和全硬殼式。ABC機(jī)翼一般是左右對稱地安裝在機(jī)身兩側(cè)，主要作用就是產(chǎn)生升力以及產(chǎn)生氣動平衡力矩。機(jī)翼是產(chǎn)生升力以及姿態(tài)控制力的主要部件。機(jī)翼還擁有一些可以活動的舵面，這些活動的舵面改變機(jī)翼的形狀，控制升力和阻力的分布，從而達(dá)到改變飛行姿態(tài)的目的。機(jī)翼的作用是什么知識點2：固定翼無人機(jī)的機(jī)翼知識點2：固定翼無人機(jī)的機(jī)翼機(jī)翼的基本機(jī)構(gòu)組成有翼梁、縱墻、桁條、翼肋和蒙皮等。知識點2：固定翼無人機(jī)的機(jī)翼機(jī)翼的基本機(jī)構(gòu)組成有翼梁、縱墻、桁條、翼肋和蒙皮等。縱向骨架——指沿著翼展方向布置的構(gòu)件，包括翼梁、縱墻、桁條。翼梁作為重要的縱向構(gòu)件，是機(jī)翼的主要受力部件，包括彎矩和剪力。縱墻與翼梁構(gòu)造相似，但緣條要細(xì)得多，它多布置在靠近機(jī)翼前后緣處，與蒙皮形成封閉的合段承受扭矩，與機(jī)身連接方式為鉸接。桁條是用鋁合金擠壓或板材彎制而成，與翼肋相連并且鉚接在蒙皮內(nèi)表面，支撐蒙皮以提高其承載能力，使之能更好地承受機(jī)翼的扭矩與彎矩；并與蒙皮共同將空氣動力分布載荷傳給翼肋。知識點2：固定翼無人機(jī)的機(jī)翼機(jī)翼的基本機(jī)構(gòu)組成有翼梁、縱墻、桁條、翼肋和蒙皮等。橫向骨架——指垂直于翼展方向的構(gòu)件，主要指翼肋。翼肋又分為普通翼肋和加強(qiáng)翼肋。普通翼肋的作用是將縱向骨架和蒙皮連成一體，把蒙皮和桁條傳來的空氣動力載荷傳遞給翼梁，并保持翼剖面的形狀。加強(qiáng)翼肋除了擁有普通翼肋的功能外，還要承受和傳遞較大的集中載荷。知識點2：固定翼無人機(jī)的機(jī)翼機(jī)翼的基本機(jī)構(gòu)組成有翼梁、縱墻、桁條、翼肋和蒙皮等。蒙皮——主要作用是承受局部空氣動力和形成機(jī)翼外形，早期低速無人機(jī)的蒙皮是布質(zhì)的，隨著無人機(jī)速度逐漸提高，布質(zhì)蒙皮難以因氣動載荷增大而維持外形，已被淘汰?，F(xiàn)代無人機(jī)的蒙皮多用硬鋁板材支撐的金屬蒙皮，通過鉚接的形式與骨架連接成一個整體，承受氣動載荷。。平直機(jī)翼三角翼平面形狀知識點2：固定翼無人機(jī)的機(jī)翼后掠翼知識點2：固定翼無人機(jī)的機(jī)翼根據(jù)機(jī)翼與機(jī)身連接的位置，固定翼無人機(jī)有上單翼無人機(jī)、中單翼無人機(jī)、下單翼無人機(jī)。（1）上單翼機(jī)翼安裝在機(jī)身的上方就是上單翼布局。上單翼布局優(yōu)點是干擾阻力小，機(jī)身離地面近，便于貨物裝運，發(fā)動機(jī)離地面較高，免受地面飛起的沙石損害。（2）下單翼機(jī)翼安裝在機(jī)身的下方就是下單翼布局。下單翼布局的優(yōu)點是機(jī)翼離地面近，起落架可以做短一些，兩個起落架之間間距較寬，增加了降落的穩(wěn)定性，起落架容易在翼下的起落架艙收放，從而減輕重量。此外發(fā)動機(jī)和機(jī)翼離地面較近，便于維修。（3）中單翼中單翼無人機(jī)的氣動外形最好，但是因為翼梁要從飛機(jī)機(jī)身內(nèi)穿過，會使飛機(jī)機(jī)身容積受到嚴(yán)重影響。

1.尾翼的基本結(jié)構(gòu)及作用尾翼是固定翼無人機(jī)重要部件之一，由水平尾翼和垂直尾翼組成。水平尾翼由固定的水平安定面和可動的升降舵組成，其作用是控制在飛行中固定翼無人機(jī)的俯仰運動，改變迎角。有的高速固定翼無人機(jī)將水平安定面和升降舵合為一體成為全動平尾。垂直尾翼由固定的垂直安定面和可動的方向舵組成，其作用是控制固定翼無人機(jī)的航向，消除固定翼無人機(jī)在轉(zhuǎn)彎時的側(cè)滑角。知識點3：固定翼無人機(jī)的尾翼

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尾翼的類型知識點3：固定翼無人機(jī)的尾翼常規(guī)布局?固定翼無人機(jī)的水平尾翼和垂直尾翼都放在機(jī)翼后面的固定翼無人機(jī)尾部。?現(xiàn)代固定翼無人機(jī)最經(jīng)常采用的氣動布局。

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尾翼的類型知識點3：固定翼無人機(jī)的尾翼無尾布局?沒有水平尾翼，但有垂直尾翼。?副翼兼顧了平尾的作用。?優(yōu)點：減少固定翼無人機(jī)的重力和阻力，使之容易跨過聲速阻力突增區(qū)，固定翼無人機(jī)高空高速性能好。?缺點：起降性能差

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尾翼的類型知識點3：固定翼無人機(jī)的尾翼鴨式布局?將水平尾翼移到主翼之前的機(jī)頭兩側(cè)。?可以用較小的翼面達(dá)到同樣的操縱效能。?前翼和機(jī)翼可以同時產(chǎn)生升力，而不像水平尾翼那樣，平衡俯仰力矩多數(shù)情況下會產(chǎn)生負(fù)升力。

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尾翼的類型知識點3：固定翼無人機(jī)的尾翼三翼面布局?在常規(guī)布局的固定翼無人機(jī)主翼前機(jī)身兩側(cè)增加一對鴨翼的布局。?前翼所起的作用與鴨式布局的前翼相同，使固定翼無人機(jī)跨聲速和超聲速飛行時機(jī)動性較好。缺點：增加了鴨翼，阻力和重量自然增大。

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尾翼的類型知識點3：固定翼無人機(jī)的尾翼飛翼布局?沒有水平尾翼，甚至沒有垂直尾翼，像說飄在天空中的一片樹葉。?雷達(dá)反射波很弱，而且空氣氣動力效率很高、升阻比大、隱身性能好，但機(jī)動性差，操縱效率低。學(xué)習(xí)任務(wù)二

多旋翼無人機(jī)構(gòu)型認(rèn)知與選擇能夠分析總結(jié)多旋翼無人機(jī)的機(jī)體結(jié)構(gòu)組成。能夠深入剖析機(jī)體各部分結(jié)構(gòu)的作用及材料等。能夠根據(jù)應(yīng)用需求選擇多旋翼無人機(jī)的機(jī)架類型。能夠掌握螺旋槳與電機(jī)匹配的原則。知識目標(biāo)多旋翼無人機(jī)就是有三個或者三個以上旋翼的直升機(jī)，稱為多旋翼無人機(jī)也可稱多軸無人機(jī)。盡管多旋翼無人機(jī)結(jié)構(gòu)形式多樣，但一般由機(jī)架、螺旋槳、電機(jī)、起落架和飛控等組成。任務(wù)描述知識點1：多旋翼無人機(jī)機(jī)架材料與作用1.機(jī)架的材料機(jī)架最重要的一個參數(shù)就是其自身的重量，為了克服機(jī)身的自重，機(jī)架需要要被設(shè)計的盡可能的輕。因為機(jī)身重量越小，就意味著無人機(jī)的載重越大，所以在對機(jī)身的材料選擇上也需要謹(jǐn)慎考慮。常見的機(jī)身材料有塑料和碳纖維。AB塑料機(jī)架：塑料的密度較小，重量較輕，但強(qiáng)度和剛度不大，制作比較容易。通常多個機(jī)身部件在組裝時采用螺絲固定，但在螺旋槳高速轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生的振動可能會使螺絲松動，從而導(dǎo)致機(jī)身的軸臂有脫落的危險A碳纖維機(jī)架碳纖維的密度低，強(qiáng)度和剛度高，在無人機(jī)飛行過程中會有減振效果，使飛行更加更加穩(wěn)定。但碳纖維的加工比較困難，需要對整個碳纖維板做切割，打孔，并與起落架等其它部件連接固定。B機(jī)架材料知識點1：多旋翼無人機(jī)機(jī)架材料與作用02提供無人機(jī)飛行過程中所需的穩(wěn)定堅固的平臺，同時也為傳感器提供一個穩(wěn)定的平臺。03安裝起落架等緩沖設(shè)備，為無人機(jī)提供安全的起飛和降落條件，避免損壞其他儀器。01提供安裝和固定電機(jī)、電調(diào)、飛控板的接口。04安裝相應(yīng)的保護(hù)裝置，保護(hù)裝置用于保護(hù)無人機(jī)本身和可能接觸到的操作人員。知識點2：多旋翼無人機(jī)機(jī)架的布局形式多旋翼無人機(jī)一般按軸數(shù)和槳數(shù)分為幾軸幾旋翼無人機(jī)，比如六軸六旋翼無人機(jī)。按照電機(jī)的排布可分為單軸單槳和共軸雙槳多旋翼無人機(jī)，比如四軸八旋翼無人機(jī)。按照機(jī)頭方向與電機(jī)安裝的位置關(guān)系一般分為X型、I型、Y型和IY型等。知識點2：多旋翼無人機(jī)機(jī)架的布局形式多旋翼無人機(jī)一般按軸數(shù)和槳數(shù)分為幾軸幾旋翼無人機(jī)，比如六軸六旋翼無人機(jī)。按照電機(jī)的排布可分為單軸單槳和共軸雙槳多旋翼無人機(jī)，比如四軸八旋翼無人機(jī)。按照機(jī)頭方向與電機(jī)安裝的位置關(guān)系一般分為X型、I型、Y型和IY型等。知識點3：軸距軸距是多旋翼無人機(jī)中非常重要的一個參數(shù)，一般用“軸距”來形容機(jī)架大小，軸距就是外圈電機(jī)組成的圓周的直徑。軸距的大小確定了螺旋槳的尺寸上限，從而限定了螺旋槳能產(chǎn)生的最大拉力，也就是直接影響到無人機(jī)的載重能力。知識點4：起落架通常在多旋翼無人機(jī)的底部裝有起落架，其作用是使機(jī)身與地面之間有一個安全距離，從而避免因機(jī)身傾斜發(fā)生螺旋槳與地面的碰撞，起落架是多旋翼無人機(jī)唯一與地面接觸的部分。另外起落架拉大了螺旋槳與地面之間的距離，可以有效減小起飛降落時氣流與地面之間的氣流干擾。當(dāng)然，起落架也加大了無人機(jī)自身的重量，減小了無人機(jī)的載重。知識點5：涵道多旋翼無人機(jī)為了增加螺旋槳的動能使用效果，還可以在槳的外側(cè)安裝涵道。涵道除了可以保護(hù)螺旋槳和操作人員的安全，還可以提高多旋翼無人機(jī)飛行的拉力效率和減少噪聲。學(xué)習(xí)任務(wù)三

無人直升機(jī)構(gòu)型認(rèn)知與選擇掌握無人直升機(jī)結(jié)構(gòu)整體布局。掌握旋翼系統(tǒng)、尾槳等結(jié)構(gòu)組成及作用。能夠理解自動傾斜器的工作原理。能夠理解自動傾斜器的工作原理。知識目標(biāo)任務(wù)描述無人駕駛直升機(jī)，是指由無線電地面遙控飛行或自主控制飛行的可垂直起降的不載人飛行器，在構(gòu)造形式上屬于旋翼飛行器，在功能上屬于垂直起降飛行器。常見的無人直升機(jī)是單旋翼+尾槳式的結(jié)構(gòu)，主要由旋翼系統(tǒng)、尾槳、起落架、動力系統(tǒng)、操作系統(tǒng)、機(jī)身等組成。相關(guān)知識點1：旋翼系統(tǒng)無人直升機(jī)的旋翼系統(tǒng)由主旋翼、自動傾斜器和槳轂組成。1.主旋翼

主旋翼是無人直升機(jī)的重要部件，可以把發(fā)動機(jī)帶動旋翼旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的動能轉(zhuǎn)換成旋翼的拉力。主旋翼也是重要的操縱部件，通過操縱機(jī)構(gòu)控制旋翼拉力的大小和方向，可以實現(xiàn)對無人直升機(jī)的主要飛行操縱。2.自動傾斜器自動傾斜又稱傾斜盤或十字盤，用來改變旋翼的槳距。自動傾斜器主要由變距拉桿、旋轉(zhuǎn)環(huán)、不旋轉(zhuǎn)環(huán)等組成。通過操縱自動傾斜器實現(xiàn)旋翼變總距或周期變距旋轉(zhuǎn)，最終使無人直升機(jī)垂直、前后、左右運動。相關(guān)知識點1：旋翼系統(tǒng)無人直升機(jī)的旋翼系統(tǒng)由主旋翼、自動傾斜器和槳轂組成。3.槳轂旋翼通過槳轂與旋轉(zhuǎn)軸連接，旋翼的形式由槳轂形式?jīng)Q定。到目前為止，已在實踐中應(yīng)用的旋翼形式有鉸接式、半鉸接式、無鉸接式和無軸承式，也存在這些典型形式的組合或變種的主旋翼系統(tǒng)。相關(guān)知識點2：尾槳

根據(jù)牛頓第三定律，當(dāng)旋翼高速旋轉(zhuǎn)時會對機(jī)體產(chǎn)生一個反作用力矩。如果只有一個旋翼，機(jī)體會不受控制的反方向轉(zhuǎn)圈圈，因此要采取措施抵消這種反扭力。直升機(jī)抵消反扭力的方案有很多，然而最簡單的辦法就是在機(jī)尾安裝一個朝向側(cè)面的尾槳，這種抵消反扭力的主旋翼-尾槳布局，稱為常規(guī)布局。主旋翼順時針轉(zhuǎn)，對機(jī)身就產(chǎn)生逆時針方向的反扭力，尾槳就必須或推或拉，產(chǎn)生順時針方向的推力，以抵消主旋翼的反扭力。學(xué)習(xí)任務(wù)四

無人機(jī)機(jī)體材料認(rèn)知了解無人機(jī)對結(jié)構(gòu)材料的性能要求。了解無人機(jī)機(jī)體常用的材料。掌握碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)勢。知識目標(biāo)無人機(jī)因機(jī)上無人，其結(jié)構(gòu)尺寸相對較小，經(jīng)濟(jì)性好，使用方便，可以進(jìn)入危險惡劣的環(huán)境作業(yè)，因此，無人機(jī)在軍事和民用領(lǐng)域得到廣泛關(guān)注和應(yīng)用。不論是軍用無人機(jī)還是民用無人機(jī)，減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量、縮小結(jié)構(gòu)體積一直是現(xiàn)代無人機(jī)設(shè)計與制造追求的目標(biāo)，因此，除了采用合理的結(jié)構(gòu)形式外，采用強(qiáng)度高、剛度大、質(zhì)量輕、耐高溫、抗低溫、疲勞/斷裂特性好、具有良好的加工性能，以及價格相對低廉的新型高性能結(jié)構(gòu)材料至關(guān)重要。隨著航空結(jié)構(gòu)材料的發(fā)展，復(fù)合材料在無人機(jī)結(jié)構(gòu)上的廣泛應(yīng)用已經(jīng)起到了至關(guān)重要的作用。任務(wù)描述相關(guān)知識點1：無人機(jī)對結(jié)構(gòu)材料的性能要求無人機(jī)因機(jī)上無人，故在機(jī)體結(jié)構(gòu)設(shè)計中不需要考慮機(jī)動飛行過程中人的生理承受能力限制，但無人機(jī)機(jī)載設(shè)備技術(shù)先進(jìn)、要求高、執(zhí)行任務(wù)特殊，需具備優(yōu)異的機(jī)體結(jié)構(gòu)性能。

輕質(zhì)高強(qiáng)01

耐腐蝕和耐老化

03

易于形成智能材料和結(jié)構(gòu)05

一體化成型02隱身功能04相關(guān)知識點2：無人機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)材料材料類別具體代表特點應(yīng)用領(lǐng)域復(fù)合材料碳纖維、玻璃纖維、蜂窩夾層復(fù)合材料比強(qiáng)度高、比模量高、具有可設(shè)計性、成型工藝好、耐腐蝕、耐熱，具有一定穩(wěn)定功能軍用、民用鋁合金2xxx、7xxx系鋁合金比強(qiáng)度高、成型工藝好、耐腐蝕、可靠性高軍用工程塑料ABS、PP、改性PC、改性塑料、樹脂輕質(zhì)、低成本民用相關(guān)知識點2：無人機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)材料復(fù)合材料憑借其輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕、易于成形等優(yōu)點，在國內(nèi)外各類無人機(jī)上得到了廣泛的應(yīng)用，其中碳纖維復(fù)合材料、玻璃纖維復(fù)合材料、蜂窩夾層復(fù)合材料為主要的機(jī)體結(jié)構(gòu)材料，且多數(shù)以碳纖維復(fù)合材料為主。下面主要介紹碳纖維復(fù)合材料。（1）碳纖維的概念及特點碳纖維是由有機(jī)纖維（聚丙烯腈纖維、瀝青纖維、粘膠纖維或酚醛纖維等）經(jīng)碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料纖維。其含碳量在90%以上，呈黑色，具有強(qiáng)度高、比模量高（強(qiáng)度為鋼鐵的10倍，質(zhì)量僅有鋁材的一半）、質(zhì)輕、耐腐蝕、耐疲勞、熱膨脹系數(shù)小、摩擦因數(shù)小、耐高低溫等優(yōu)越性能，被稱為“新材料之王”。碳纖維及其復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域。其中，樹脂基碳纖維復(fù)合材料可用于制造飛機(jī)、衛(wèi)星、火箭等飛行器的部件，重量輕而且強(qiáng)度高，抗疲勞性能優(yōu)良。新一代民用客機(jī)例如Boeing787、Airbus350等，飛機(jī)結(jié)構(gòu)中復(fù)合材料的占比超過了50%，機(jī)翼蒙皮等部位大量采用碳纖維復(fù)合材料和玻璃纖維復(fù)合材料。復(fù)合材料的使用不僅降低了飛機(jī)的重量，還增加了使用壽命。因此，在微小型民用無人機(jī)領(lǐng)域，復(fù)合材料也得到了廣泛的應(yīng)用。（2）碳纖維在無人機(jī)上的應(yīng)用無人機(jī)為了更好的適應(yīng)惡劣環(huán)境，其結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料選擇一直朝著輕量化的方向發(fā)展。作為無人機(jī)核心結(jié)構(gòu)件的機(jī)體是無人機(jī)航行最重要的基礎(chǔ)保障因素。前期無人機(jī)機(jī)身使用最多的是鋁合金，通用無人機(jī)的材料一直以PCGF、PCABS等復(fù)合材料為主，但近幾年來無人機(jī)除了用于航拍，在測繪、植保、澆灌、巡航等條件復(fù)雜艱苦的環(huán)境中的使用越來越多，碳纖維優(yōu)秀的力學(xué)性能和輕量化成為了無人機(jī)設(shè)計的首選材料，在輕度、強(qiáng)度（鋼鐵的5倍）、比模量、抗疲勞、高溫耐候性（2000℃高溫）、化學(xué)穩(wěn)定性都具有很大的優(yōu)勢。如圖1-46為一架碳纖維無人機(jī)。相關(guān)知識點2：無人機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)材料碳纖維實際上是“碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料”的簡稱，即將碳纖維材料按一定的方向排布，并使用粘合聚合材料所形成的的材料，也就是說碳纖維一般不單獨作為材料使