空氣動力學(xué)與飛行原理課件：多旋翼無人機基本飛行原理

空氣動力學(xué)與飛行原理多旋翼無人機基本飛行原理第一節(jié)：多旋翼無人機飛行性能第二節(jié)多旋翼無人機操縱及控制原理一、二、三、四、飛行速度續(xù)航時間懸停性能與定位性能避障性能多旋翼無人機飛行性能目錄頁第一節(jié)多旋翼無人機目前多集中在工業(yè)級和消費級，尤其以消費級居多。它的主要飛行性能也與其他兩種無人機有顯著不同。多旋翼無人機飛行性能壹多旋翼無人機的飛行速度性能與固定翼無人機不同，主要指最大垂直上升速度、最大垂直下降速度和最大水平飛行速度。飛行速度對競速無人機、競速航拍無人機有明顯意義。但在普通消費級無人機中，該意義不大。目前最大垂直上升速度和下降速度均在5m/s以內(nèi)。最大水平飛行速度在28m/s以內(nèi)。隨著技術(shù)水平的提升，這些飛行速度均會有所提升，同時對飛控系統(tǒng)、動力系統(tǒng)等提出更高要求多旋翼無人機飛行性能（一）飛行速度

壹多旋翼無人機飛行性能壹多旋翼無人機的續(xù)航時間定義與固定翼相同，具體見4.2節(jié)。續(xù)航時間長短是多旋翼無人機的主要技術(shù)壁壘之一。目前市場上消費級的多旋翼無人機多采用電動驅(qū)動裝置，由鋰電池供電。續(xù)航時間受限于電池的充放電能力。電動多旋翼無人機續(xù)航時間均在半小時以內(nèi)。這也是導(dǎo)致其進入工業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)障礙。目前，在如何提高其工作時間（非續(xù)航時間）的問題上，主要有三種方案：（1）增加備用電池，采用快速充電的方式提高其工作時間，這是目前的主流方式。沒有技術(shù)難度。但是電池快充后充放電效率下降很大，提高無人機應(yīng)用成本。（2）采用鋰芯片技術(shù)，代替現(xiàn)有的鋰電池快充模式。該技術(shù)目前還在探索中，尚未進入市場。（3）油電混動動力，這種方式需要增加多旋翼無人機體積和重量。目前尚無安全可靠的油電混動多旋翼無人機進入市場。（二）續(xù)航時間（三）懸停性能與定位性能多旋翼無人機的懸停性能定義與無人直升機相同，具體見4.5節(jié)。懸停是旋翼無人機特有的飛行性能之一，它與定位性能一起作為衡量多旋翼飛行性能的一項指標(biāo)。一般現(xiàn)有無人機采用GPS定位技術(shù)、超聲波定位技術(shù)或基于雙目視覺的定位技術(shù)。懸停精度受定位技術(shù)發(fā)展的限制。抗干擾性能一方面與定位技術(shù)相關(guān)，另一方面與飛控算法也有一定關(guān)系。目前較好的消費級多旋翼無人機水平定位精度為1.5m，垂直定位精度為0.5m。多旋翼無人機飛行性能壹（四）避障性能避障性能是指多旋翼無人機發(fā)現(xiàn)、識別并躲避障礙物的能力。它是多旋翼無人機特有的飛行性能之一，也是其安全性能的重要指標(biāo)。目前只有部分多旋翼無人機具備該性能（如大疆精靈4Pro、零度多比等）。該項性能的提出主要源于多旋翼無人機多數(shù)情況飛行高度較低（100m以內(nèi)），近地飛行時面臨的地形環(huán)境復(fù)雜，有房屋建筑、樹木、室內(nèi)、行人等。避障性能的主要衡量指標(biāo)為障礙物的大小、躲避障礙物的反應(yīng)時間、反應(yīng)距離與躲避維度。多旋翼無人機飛行性能壹（一）垂直運動（二）俯仰運動（三）滾轉(zhuǎn)運動（四）偏航運動（五）前后運動（六）側(cè)向運動多旋翼無人機操縱及控制原理貳人力資源管理是指企業(yè)根據(jù)自身發(fā)展戰(zhàn)略的要求，通過實施一系列的管理過程，保障企業(yè)發(fā)展的人力配置，并充分挖掘人力資源的潛能，即實現(xiàn)了“事得其人，人盡其才”的人力資源管理目標(biāo)，從而確保企業(yè)戰(zhàn)略目標(biāo)的實現(xiàn)。多旋翼無人機操縱及控制原理貳目前市場上普遍為無變距多旋翼無人機，其飛行原理與固定翼無人機和無人直升機原理不同，主要體現(xiàn)在兩個方面：（1）通過調(diào)節(jié)每個旋翼的轉(zhuǎn)速大小，從而調(diào)節(jié)升力大小，實現(xiàn)升力的大小和方向發(fā)生變化。沒有自動傾斜器，不能通過變距控制每片槳葉的攻角達到改變槳盤平面和升力的作用。（2）通過交叉旋翼的旋轉(zhuǎn)方向克服反扭力矩，而沒有額外的尾槳消除主旋翼的反扭力矩。多旋翼無人機的飛行原理為：每個旋翼均由獨立的電機驅(qū)動螺旋槳旋轉(zhuǎn)，利用每個旋翼的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向來控制螺旋槳的拉力和側(cè)力的大小，通過解算多旋翼的合力大小和方向，實現(xiàn)多旋翼無人機的飛行。另外，由于具有多個旋翼（一般為偶數(shù)個旋翼），旋翼轉(zhuǎn)動過程中由于空氣阻力作用，會形成與轉(zhuǎn)動方向相反的反扭矩，為了克服反扭矩影響，可使四個旋翼中的兩個正轉(zhuǎn)，兩個反轉(zhuǎn)，且對角線上的各個旋翼轉(zhuǎn)動方向相同。這樣，可以保持多旋翼機身的穩(wěn)定性，類似于無人直升機的尾槳的作用。多旋翼無人機主要的飛行模式與無人直升機類似，主要有：垂直運動、側(cè)向運動、前后運動、俯仰運動、滾轉(zhuǎn)運動、偏航運動和懸停。下面以四旋翼無人機來說明其飛行控制原理：多旋翼無人機操縱及控制原理貳四旋翼無人機垂直運動狀態(tài)下的飛行原理示意圖。一般四旋翼飛行器四個螺旋槳依次按照順時針安裝、逆時針安裝、順時針安裝、逆時針安裝。由圖可知：電機1和電機3逆時針旋轉(zhuǎn)，電機2和電機4順時針旋轉(zhuǎn)，四個電機帶動螺旋槳均產(chǎn)生向上升力的同時，轉(zhuǎn)向相反的相鄰電機平衡了機身的反扭矩。如果同時增加四個電機的輸出功率，旋翼轉(zhuǎn)速增加使得總的拉力增大，當(dāng)總拉力足以克服整機的重量時，四旋翼飛行器便離地垂直上升。反之，如果同時減小四個電機的輸出功率，四旋翼飛行器則垂直下降，直至平衡落地。當(dāng)外界擾動量為零時，在旋翼產(chǎn)生的升力等于飛行器的自重時，飛行器便保持懸停狀態(tài)。

四旋翼無人機垂直運動狀態(tài)下的飛行原理示意圖（一）垂直運動多旋翼無人機操縱及控制原理（二）俯仰運動四旋翼無人機俯仰運動狀態(tài)下的飛行原理示意圖。由圖可知：電機1和電機3逆時針旋轉(zhuǎn)的同時，電機2和電機4順時針旋轉(zhuǎn)。如果保持電機2和電機4的轉(zhuǎn)速不變，在提高電機1轉(zhuǎn)速的同時降低電機3的轉(zhuǎn)速（電機1、電機3的轉(zhuǎn)速改變量相等），那么由于旋翼1的升力上升且旋翼3的升力下降，便產(chǎn)生了繞-Y軸方向的不平衡力矩使得機身繞Y軸旋轉(zhuǎn)。同理可知，如果保持電機2和電機4的轉(zhuǎn)速不變，當(dāng)電機1的轉(zhuǎn)速下降且電機3的轉(zhuǎn)速上升時，便產(chǎn)生了繞+Y軸方向的不平衡力矩使得機身繞Y軸向另一個方向旋轉(zhuǎn)。這樣就實現(xiàn)了四旋翼無人機的俯仰運動。

四旋翼無人機俯仰運動狀態(tài)下的飛行原理示意圖

貳多旋翼無人機操縱及控制原理貳滾轉(zhuǎn)運動又叫橫滾運動，與上圖的原理相同，在圖中，改變電機2和電機4的轉(zhuǎn)速，保持電機1和電機3的轉(zhuǎn)速不變，則可使機身繞x軸旋轉(zhuǎn)（正向和反向），實現(xiàn)飛行器的滾轉(zhuǎn)運動。四旋翼無人機滾轉(zhuǎn)運動狀態(tài)下的飛行原理示意圖（三）滾轉(zhuǎn)運動如前所述，四旋翼通過旋翼正反轉(zhuǎn)交替安裝的方式克服反扭力矩，使四旋翼無人機不發(fā)生轉(zhuǎn)動。而當(dāng)四個電機轉(zhuǎn)速不完全相同時，不平衡的反扭矩會引起四旋翼無人機轉(zhuǎn)動。偏航運動正是借助旋翼產(chǎn)生的反扭矩來實現(xiàn)的。圖3.21是四旋翼無人機偏航運動狀態(tài)下的飛行原理示意圖。如圖可知：當(dāng)電機1和電機3的轉(zhuǎn)速上升，電機2和電機4的轉(zhuǎn)速下降時，旋翼1和旋翼3對機身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4對機身的反扭矩，機身便在反扭矩的作用下繞Z軸轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)飛行器的偏航運動，且轉(zhuǎn)向與電機1、電機3的轉(zhuǎn)向相反。（四）偏航運動多旋翼無人機操縱及控制原理貳

四旋翼無人機偏航運動狀態(tài)下的飛行原理示意圖多旋翼無人機操縱及控制原理貳要想實現(xiàn)四旋翼無人機在水平面內(nèi)前后、左右的運動，必須在水平面內(nèi)對四旋翼無人機施加一定的力。要實現(xiàn)無人機的側(cè)飛、前飛或倒飛，不能按照無人直升機一樣傾斜槳盤，只能通過傾斜機身整體方向，使多旋翼升力具有水平分量，從而實現(xiàn)其水平飛行。圖3.22是四旋翼無人機前后運動狀態(tài)下的飛行原理示意圖。由圖可知：保持電機2和電機4的轉(zhuǎn)速不變以平衡反扭矩，同時增加電機3的轉(zhuǎn)速使得螺旋槳產(chǎn)生的拉力增大，相應(yīng)減小電機1轉(zhuǎn)速使得螺旋槳產(chǎn)生的拉力減小，四旋翼無人機整體首先沿X軸方向發(fā)生一定程度的傾斜，從而使旋翼拉力產(chǎn)生水平分量，因此可以實現(xiàn)四旋翼無人機的前飛運動。四旋翼無人機向后飛行與向前飛行的情況正好相反，但飛行原理相近。四旋翼無人機前后運動狀態(tài)下的飛行原理示意圖（五）前后運動（六）側(cè)向運動四旋翼無人機側(cè)向運動狀態(tài)下的飛行原理示意圖。與四旋翼無人機前后運動狀態(tài)的飛行原理相似，保持電機1和電機3的轉(zhuǎn)速不變以平衡反扭矩，同時增加電機4的轉(zhuǎn)速使得螺旋槳產(chǎn)生的拉力增大，相應(yīng)減小電機2轉(zhuǎn)速使得螺旋槳產(chǎn)生的拉力減小，這時四旋翼無人機首先沿Y軸方向發(fā)生一定程度的傾斜，從而使旋翼拉力產(chǎn)生側(cè)向分量，因此可以實現(xiàn)四旋翼無人機的側(cè)向運動。多旋翼無人機操縱及控制原理貳四旋翼無人機側(cè)向運動狀態(tài)下的飛行原理當(dāng)然，微型多旋翼無人機在產(chǎn)生俯仰、翻滾運動的同時也會產(chǎn)生沿X、Y軸的水平運動。除了四旋翼無人機，還有六旋翼、八旋翼、十二旋翼等。一般旋翼越多，控制冗余度越大，并且一個電機損壞的情況下可以繼續(xù)飛行。多旋翼無人機具有垂直起降、空中懸停、低空飛行和原地回轉(zhuǎn)等獨特飛行技能，可廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟建設(shè)的各個領(lǐng)域。它可搭載各種專業(yè)設(shè)備儀器，承擔(dān)和完成各種危險、單調(diào)的工作，在惡劣環(huán)境下進行全天候作業(yè)。其應(yīng)用范圍極為廣泛，主要包括（不限于）以下幾個方面：多旋翼無人機操縱及控制原理貳HR七大通病（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）石油開發(fā)服務(wù)、輸油管道檢測和安全保護。消防部門的火情偵察、監(jiān)視、消防滅火、消防搶險、災(zāi)害救援。林業(yè)部門的護林防火、播種和病蟲害防治。物流快遞公司送貨。交通部門的道路交通檢測、疏導(dǎo)與控制，海港的接送引航員服務(wù)。電力部門的輸電線路建設(shè)、巡查和維護。新聞及電影拍攝的航空攝像及照相。多旋翼無人機操縱及控制原理肆（13）地方政府的大氣參數(shù)采集與檢測、分析，災(zāi)害普查、搶險和救援。（8）農(nóng)牧業(yè)的農(nóng)作物檢測、噴灑農(nóng)藥、牧群檢測與驅(qū)趕。（9）海岸警衛(wèi)的海面搜尋、海岸巡邏、海界標(biāo)檢測。（10）環(huán)保部門的環(huán)境污染及土地狀況監(jiān)測。（11）海關(guān)與稅收部門的非法走私監(jiān)視、邊界巡邏。（12）海洋漁業(yè)部門的漁業(yè)保護、海洋資源調(diào)查。多旋翼無人機操縱及控制原理貳1617181514公安部門的反恐、失蹤人員搜尋、落水人員救生、安全與突發(fā)事件監(jiān)控、現(xiàn)場普查機構(gòu)的地理、地址、考