空氣動(dòng)力學(xué)與飛行原理課件：多旋翼無(wú)人機(jī)基本飛行原理

空氣動(dòng)力學(xué)與飛行原理多旋翼無(wú)人機(jī)基本飛行原理第一節(jié)：多旋翼無(wú)人機(jī)飛行性能第二節(jié)多旋翼無(wú)人機(jī)操縱及控制原理一、二、三、四、飛行速度續(xù)航時(shí)間懸停性能與定位性能避障性能多旋翼無(wú)人機(jī)飛行性能目錄頁(yè)第一節(jié)多旋翼無(wú)人機(jī)目前多集中在工業(yè)級(jí)和消費(fèi)級(jí)，尤其以消費(fèi)級(jí)居多。它的主要飛行性能也與其他兩種無(wú)人機(jī)有顯著不同。多旋翼無(wú)人機(jī)飛行性能壹多旋翼無(wú)人機(jī)的飛行速度性能與固定翼無(wú)人機(jī)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(duì)競(jìng)速無(wú)人機(jī)、競(jìng)速航拍無(wú)人機(jī)有明顯意義。但在普通消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)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(huì)有所提升，同時(shí)對(duì)飛控系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)等提出更高要求多旋翼無(wú)人機(jī)飛行性能（一）飛行速度

壹多旋翼無(wú)人機(jī)飛行性能壹多旋翼無(wú)人機(jī)的續(xù)航時(shí)間定義與固定翼相同，具體見4.2節(jié)。續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)短是多旋翼無(wú)人機(jī)的主要技術(shù)壁壘之一。目前市場(chǎng)上消費(fèi)級(jí)的多旋翼無(wú)人機(jī)多采用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置，由鋰電池供電。續(xù)航時(shí)間受限于電池的充放電能力。電動(dòng)多旋翼無(wú)人機(jī)續(xù)航時(shí)間均在半小時(shí)以內(nèi)。這也是導(dǎo)致其進(jìn)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(shí)間（非續(xù)航時(shí)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(shí)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(wú)人機(jī)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(jìn)入市場(chǎng)。（3）油電混動(dòng)動(dòng)力，這種方式需要增加多旋翼無(wú)人機(jī)體積和重量。目前尚無(wú)安全可靠的油電混動(dòng)多旋翼無(wú)人機(jī)進(jìn)入市場(chǎng)。（二）續(xù)航時(shí)間（三）懸停性能與定位性能多旋翼無(wú)人機(jī)的懸停性能定義與無(wú)人直升機(jī)相同，具體見4.5節(jié)。懸停是旋翼無(wú)人機(jī)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(xiàng)指標(biāo)。一般現(xiàn)有無(wú)人機(jī)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(fèi)級(jí)多旋翼無(wú)人機(jī)水平定位精度為1.5m，垂直定位精度為0.5m。多旋翼無(wú)人機(jī)飛行性能壹（四）避障性能避障性能是指多旋翼無(wú)人機(jī)發(fā)現(xiàn)、識(shí)別并躲避障礙物的能力。它是多旋翼無(wú)人機(jī)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(wú)人機(jī)具備該性能（如大疆精靈4Pro、零度多比等）。該項(xiàng)性能的提出主要源于多旋翼無(wú)人機(jī)多數(shù)情況飛行高度較低（100m以內(nèi)），近地飛行時(shí)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(shí)間、反應(yīng)距離與躲避維度。多旋翼無(wú)人機(jī)飛行性能壹（一）垂直運(yùn)動(dòng)（二）俯仰運(yùn)動(dòng)（三）滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（四）偏航運(yùn)動(dòng)（五）前后運(yùn)動(dòng)（六）側(cè)向運(yùn)動(dòng)多旋翼無(wú)人機(jī)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(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)。多旋翼無(wú)人機(jī)操縱及控制原理貳目前市場(chǎng)上普遍為無(wú)變距多旋翼無(wú)人機(jī)，其飛行原理與固定翼無(wú)人機(jī)和無(wú)人直升機(jī)原理不同，主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：（1）通過調(diào)節(jié)每個(gè)旋翼的轉(zhuǎn)速大小，從而調(diào)節(jié)升力大小，實(shí)現(xiàn)升力的大小和方向發(fā)生變化。沒有自動(dòng)傾斜器，不能通過變距控制每片槳葉的攻角達(dá)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(wú)人機(jī)的飛行原理為：每個(gè)旋翼均由獨(dú)立的電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋槳旋轉(zhuǎn)，利用每個(gè)旋翼的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向來(lái)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(shí)現(xiàn)多旋翼無(wú)人機(jī)的飛行。另外，由于具有多個(gè)旋翼（一般為偶數(shù)個(gè)旋翼），旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)過程中由于空氣阻力作用，會(huì)形成與轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的反扭矩，為了克服反扭矩影響，可使四個(gè)旋翼中的兩個(gè)正轉(zhuǎn)，兩個(gè)反轉(zhuǎn)，且對(duì)角線上的各個(gè)旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同。這樣，可以保持多旋翼機(jī)身的穩(wěn)定性，類似于無(wú)人直升機(jī)的尾槳的作用。多旋翼無(wú)人機(jī)主要的飛行模式與無(wú)人直升機(jī)類似，主要有：垂直運(yùn)動(dòng)、側(cè)向運(yùn)動(dòng)、前后運(yùn)動(dòng)、俯仰運(yùn)動(dòng)、滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、偏航運(yùn)動(dòng)和懸停。下面以四旋翼無(wú)人機(jī)來(lái)說(shuō)明其飛行控制原理：多旋翼無(wú)人機(jī)操縱及控制原理貳四旋翼無(wú)人機(jī)垂直運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的飛行原理示意圖。一般四旋翼飛行器四個(gè)螺旋槳依次按照順時(shí)針安裝、逆時(shí)針安裝、順時(shí)針安裝、逆時(shí)針安裝。由圖可知：電機(jī)1和電機(jī)3逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，電機(jī)2和電機(jī)4順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，四個(gè)電機(jī)帶動(dòng)螺旋槳均產(chǎn)生向上升力的同時(shí)，轉(zhuǎn)向相反的相鄰電機(jī)平衡了機(jī)身的反扭矩。如果同時(shí)增加四個(gè)電機(jī)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(jī)的重量時(shí)，四旋翼飛行器便離地垂直上升。反之，如果同時(shí)減小四個(gè)電機(jī)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(dòng)量為零時(shí)，在旋翼產(chǎn)生的升力等于飛行器的自重時(shí)，飛行器便保持懸停狀態(tài)。

四旋翼無(wú)人機(jī)垂直運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的飛行原理示意圖（一）垂直運(yùn)動(dòng)多旋翼無(wú)人機(jī)操縱及控制原理（二）俯仰運(yùn)動(dòng)四旋翼無(wú)人機(jī)俯仰運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的飛行原理示意圖。由圖可知：電機(jī)1和電機(jī)3逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，電機(jī)2和電機(jī)4順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。如果保持電機(jī)2和電機(jī)4的轉(zhuǎn)速不變，在提高電機(jī)1轉(zhuǎn)速的同時(shí)降低電機(jī)3的轉(zhuǎn)速（電機(jī)1、電機(jī)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(jī)身繞Y軸旋轉(zhuǎn)。同理可知，如果保持電機(jī)2和電機(jī)4的轉(zhuǎn)速不變，當(dāng)電機(jī)1的轉(zhuǎn)速下降且電機(jī)3的轉(zhuǎn)速上升時(shí)，便產(chǎn)生了繞+Y軸方向的不平衡力矩使得機(jī)身繞Y軸向另一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)。這樣就實(shí)現(xiàn)了四旋翼無(wú)人機(jī)的俯仰運(yùn)動(dòng)。

四旋翼無(wú)人機(jī)俯仰運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的飛行原理示意圖

貳多旋翼無(wú)人機(jī)操縱及控制原理貳滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)又叫橫滾運(yùn)動(dòng)，與上圖的原理相同，在圖中，改變電機(jī)2和電機(jī)4的轉(zhuǎn)速，保持電機(jī)1和電機(jī)3的轉(zhuǎn)速不變，則可使機(jī)身繞x軸旋轉(zhuǎn)（正向和反向），實(shí)現(xiàn)飛行器的滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。四旋翼無(wú)人機(jī)滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的飛行原理示意圖（三）滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)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(wú)人機(jī)不發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。而當(dāng)四個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速不完全相同時(shí)，不平衡的反扭矩會(huì)引起四旋翼無(wú)人機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。偏航運(yùn)動(dòng)正是借助旋翼產(chǎn)生的反扭矩來(lái)實(shí)現(xiàn)的。圖3.21是四旋翼無(wú)人機(jī)偏航運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的飛行原理示意圖。如圖可知：當(dāng)電機(jī)1和電機(jī)3的轉(zhuǎn)速上升，電機(jī)2和電機(jī)4的轉(zhuǎn)速下降時(shí)，旋翼1和旋翼3對(duì)機(jī)身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4對(duì)機(jī)身的反扭矩，機(jī)身便在反扭矩的作用下繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)飛行器的偏航運(yùn)動(dòng)，且轉(zhuǎn)向與電機(jī)1、電機(jī)3的轉(zhuǎn)向相反。（四）偏航運(yùn)動(dòng)多旋翼無(wú)人機(jī)操縱及控制原理貳

四旋翼無(wú)人機(jī)偏航運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的飛行原理示意圖多旋翼無(wú)人機(jī)操縱及控制原理貳要想實(shí)現(xiàn)四旋翼無(wú)人機(jī)在水平面內(nèi)前后、左右的運(yùn)動(dòng)，必須在水平面內(nèi)對(duì)四旋翼無(wú)人機(jī)施加一定的力。要實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的側(cè)飛、前飛或倒飛，不能按照無(wú)人直升機(jī)一樣傾斜槳盤，只能通過傾斜機(jī)身整體方向，使多旋翼升力具有水平分量，從而實(shí)現(xiàn)其水平飛行。圖3.22是四旋翼無(wú)人機(jī)前后運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的飛行原理示意圖。由圖可知：保持電機(jī)2和電機(jī)4的轉(zhuǎn)速不變以平衡反扭矩，同時(shí)增加電機(jī)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(jī)1轉(zhuǎn)速使得螺旋槳產(chǎn)生的拉力減小，四旋翼無(wú)人機(jī)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(shí)現(xiàn)四旋翼無(wú)人機(jī)的前飛運(yùn)動(dòng)。四旋翼無(wú)人機(jī)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(wú)人機(jī)前后運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的飛行原理示意圖（五）前后運(yùn)動(dòng)（六）側(cè)向運(yùn)動(dòng)四旋翼無(wú)人機(jī)側(cè)向運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的飛行原理示意圖。與四旋翼無(wú)人機(jī)前后運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的飛行原理相似，保持電機(jī)1和電機(jī)3的轉(zhuǎn)速不變以平衡反扭矩，同時(shí)增加電機(jī)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(jī)2轉(zhuǎn)速使得螺旋槳產(chǎn)生的拉力減小，這時(shí)四旋翼無(wú)人機(jī)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(shí)現(xiàn)四旋翼無(wú)人機(jī)的側(cè)向運(yùn)動(dòng)。多旋翼無(wú)人機(jī)操縱及控制原理貳四旋翼無(wú)人機(jī)側(cè)向運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的飛行原理當(dāng)然，微型多旋翼無(wú)人機(jī)在產(chǎn)生俯仰、翻滾運(yùn)動(dòng)的同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生沿X、Y軸的水平運(yùn)動(dòng)。除了四旋翼無(wú)人機(jī)，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(gè)電機(jī)損壞的情況下可以繼續(xù)飛行。多旋翼無(wú)人機(jī)具有垂直起降、空中懸停、低空飛行和原地回轉(zhuǎn)等獨(dú)特飛行技能，可廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的各個(gè)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(xiǎn)、單調(diào)的工作，在惡劣環(huán)境下進(jìn)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(gè)方面：多旋翼無(wú)人機(jī)操縱及控制原理貳HR七大通?。?）（2）（3）（4）（5）（6）（7）石油開發(fā)服務(wù)、輸油管道檢測(cè)和安全保護(hù)。消防部門的火情偵察、監(jiān)視、消防滅火、消防搶險(xiǎn)、災(zāi)害救援。林業(yè)部門的護(hù)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(cè)、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(hù)。新聞及電影拍攝的航空攝像及照相。多旋翼無(wú)人機(jī)操縱及控制原理肆（13）地方政府的大氣參數(shù)采集與檢測(cè)、分析，災(zāi)害普查、搶險(xiǎn)和救援。（8）農(nóng)牧業(yè)的農(nóng)作物檢測(cè)、噴灑農(nóng)藥、牧群檢測(cè)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(cè)。（10）環(huán)保部門的環(huán)境污染及土地狀況監(jiān)測(cè)。（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(hù)、海洋資源調(diào)查。多旋翼無(wú)人機(jī)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(chǎng)普查機(jī)構(gòu)的地理、地址、考