《无人机结构与系统》第1章 无人机结构与飞行原理

无人机结构与系统主讲人：张翼无人机结构与系统机体坐标轴1机体坐标轴和基本运动状态

飞机的运动状态是通过围绕飞机重心的三根互相垂直的轴，组成了飞机机体的坐标系即纵轴（X）、立轴（Y）和横轴（Z）。机体坐标轴和基本运动状态1.绕立轴（Y轴）的转动称为偏航Y轴立轴机体坐标轴和基本运动状态2.绕横轴（Z轴）的转动称为俯仰

Z轴横轴机体坐标轴和基本运动状态绕横轴（Z轴）的转动称为俯仰机体坐标轴和基本运动状态3.绕纵轴（X轴）的转动称为滚转多旋翼无人机的结构2多旋翼无人机的结构a）I型四旋翼b）X型四旋翼c）I型六旋翼d）X型六旋翼多旋翼无人机的结构

g）X型共轴双桨八旋翼h）I型八旋翼i）V型八旋翼e）IY型共轴双桨六旋翼f）Y型共轴双桨六旋翼多旋翼无人机的结构1多旋翼无人机的结构1)塑料：具有一定的刚度、强度和可弯曲度，易加工且价格便宜。（1）机架多旋翼无人机的结构2)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。多旋翼无人机的结构机架3)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。多旋翼无人机的结构轴距F550多旋翼无人机的结构F450多旋翼无人机的结构（2）电机-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。多旋翼无人机的结构（2）电机-KV值

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”【（r/min·V）】。多旋翼无人机的结构（3）电子调速器

连接电池、飞行控制系统和电动机的部件。最大持续电流多旋翼无人机的结构（3）电子调速器电压范围多旋翼无人机的结构（3）电子调速器①电调的作用1)电机调速：将飞控的控制信号转化为电流的大小，控制电机的转速。2)变压供电：将电池电压变为飞控板和遥控接收机需要的电压。3)电源转化：将电池直流电转换为交流电供给无刷电机。4)其他功能：如电池保护、启动保护、刹车等。多旋翼无人机的结构1多旋翼无人机的结构（4）电池普通锂电池优点： 自放电率低、额定电压高、重量轻、效率高、电池造型设计灵活等多旋翼无人机的结构智能锂电池

能够对电池进行充放电的管理，主要功能包括电量显示、存储自放电保护、过充保护等多旋翼无人机的结构（1）连接方式

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。通常用字母“S”表示电池串联，用字母“P”表示电池并联。a)3S1Pb)3S2P多旋翼无人机的结构（2）参数1)电压：锂电池单节电压3.7V。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，可提供的续航时间就越长，不过相应的重量也越大。多旋翼无人机的结构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。多旋翼无人机的结构该电池容量为2200mAh；3S1P表示3块锂电池串联；总电压为3.7×3=11.1V；最大放电电流为：35×2200=77000mA=77A图上各数字字母含义？多旋翼无人机的结构无人机锂电池参数解析多旋翼无人机的飞行原理1多旋翼无人机的飞行原理伯努利原理回顾小实验拿出两张纸片，像两纸片间吹气，观察纸片变化两纸片互相靠拢多旋翼无人机的飞行原理

当流体稳定地流过一条管道时，流速快的地方，压力小；流速慢的地方，压力大。伯努利原理多旋翼无人机的飞行原理多旋翼无人机的飞行原理多旋翼无人机的飞行原理多旋翼无人机的飞行原理

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。多旋翼无人机的飞行原理

如果没有相邻旋翼抵消陀螺效应和空气动力转矩效应会发生什么？？？多旋翼无人机的飞行原理多旋翼无人机飞行控制方式1多旋翼无人机飞行控制方式垂直升降升高高度：四个螺旋桨同时加速旋转，升力加大降低高度：四个螺旋桨同时降低转速，下降多旋翼无人机飞行控制方式

M3、M4电机提高转速或M1、M2电机降低转速，由于飞机后部的升力大于飞机前部，飞机的姿态会向前倾斜。俯仰运动多旋翼无人机飞行控制方式滚转运动

将电机M2、M3的转速增加或M1、M3的转速减小，四旋翼会产生向右上方的合力，使四旋翼向右飞行。多旋翼无人机飞行控制方式偏航运动

将M1、M3的转速增加或者M2、M4的转速减小，四旋翼会向右旋转，实现向右偏航。无人机向右偏航运动多旋翼无人机飞行控制方式原地旋转 M2、M4电机转速增加，M1、M3电机转速降低，由于反扭矩影响，飞机就会产生逆时针方向的旋转多旋翼无人机飞行控制方式多旋翼无人机飞行控制方式无人直升机的结构及飞行原理1.31.3.1结构组成无人直升机主要由主旋翼、尾桨、起落架、机身、传动装置、动力装置等构成，如图1-15所示。图1-15无人直升机的结构组成1.主旋翼系统主旋翼系统由自动倾斜器、桨叶和桨毂组成。自动倾斜器又称斜盘(俗称十字盘)，用来改变旋翼桨叶的桨距。图1-17自动倾斜器的结构组成全铰接旋翼系统全铰接旋翼系统通常全铰接旋翼系统包含三个或者更多个旋翼桨叶。图1-18全铰接旋翼系统旋翼桨叶可以独立地做挥舞、周期变距、摆振三种运动半刚体旋翼系统20世纪40年代中期，贝尔公司发展了万向接头式旋翼系统(图1-19a)，50年代中期又把万向接头式旋翼系统进一步发展成跷跷板式旋翼系统(图1-19b)。半刚体旋翼系统允许做两种不同的运动，即挥舞和变距。图1-19半刚体旋翼系统

a）万向接头式

b)跷跷板式涵道尾桨涵道尾桨

涵道尾桨将尾桨缩小，“隐藏”在尾撑端部的巨大开孔中(图1-21)，这相当于给尾桨安上-一个罩子，大大改善了安全性，不易打到周围的物体。图1-21涵道尾桨无尾桨无尾桨(NOTAR,NOTAR是NoTailRotor的简称，意为无尾桨)无尾桨用喷气引射和主旋翼下洗气流的有利交互作用形成反转矩，如图1-22所示。图1-22无尾桨起落架1.直升机起落架的主要作用是吸收在着陆时由于有垂直速度而带来的能量，减少着陆时撞击引起的过载，以及保证在整个使用过程中不发生地面共振。2.最常见的起落架是滑撬式起落架地形适应性高，不但能在环境良好的跑道上起降，也能在草地雪地、沙滩、戈壁等崎岖不平、湿滑松软的地面上起降。而轮式起落架容易陷入沙地、雪地，适应范围就差多。动力和传动装置典型的无人直升机动力装置主要使用安装在机身上的往复式发动机。发动机可以采用垂直安装或者水平安装方式，通过传动装置将动力传递到垂直的主旋翼和尾翼的传动轴上，如图1-23所示。图1-23动力和传动装置飞行控制系统飞行控制系统主要由陀螺仪(飞行姿态感知)、加速计、磁力计、气压传感器(悬停高度粗略控制)、超声波传感器(低空高度精确控制或避障)、光流传感器(悬停水平位置精确确定)、GPS模块(水平位置高度粗略定位)以及控制电路组成，主要的功能就是自动保持飞机的正常飞行姿态。飞行原理1.3.21.3.2飞行原理无人直升机是一种旋翼航空器，其飞行所需的升力是靠旋翼旋转产生的，每一片旋翼叶片都产生升力，这些升力的合力就是无人直升机的升力。1.3.3飞行控制方式前面提到通过控制旋翼和尾桨就可以实现使直升机上升、下降、悬停、前飞、侧飞以及转弯等，所以实际上无人直升机的操纵机构主要是针对旋翼和尾桨的。无人直升机的主要操纵机构包括周期变距杆、总距杆、方向杆等图1-25无人直升机的操纵机构1.3.3飞行控制方式1.总距杆就是实现无人直升机上下运动。2.周期变距杆实现无人直升机前后、左右运动(也就是俯仰和滚转运动)3.方向杆实现直升机偏航运动。固定翼无人机的结构及飞行原理1.41.4.1结构组成尽管固定翼无人机可以设计成用于不同的目的，但大多数固定翼无人机还是有相同的主要结构大部分由机身.机翼.尾翼.起落架.和发动机组成。图1-27固定翼无人机的结构组成结构组成1.机身机身是承载任务设备、燃油/电池、通信装置、起落架等装置，以及连接机翼和尾翼的大型部件。图1-28构架式机身硬壳式

硬壳式硬壳式机身结构是由蒙皮与少数隔框组成的其特点是没有纵向构件，蒙皮较厚，机身的各种力主要由蒙皮承受图1-29硬壳式机身半硬壳式半硬壳式机身：是将蒙皮与隔框、大梁、桁条牢固的铆接起来成为一个受力的整体。1)桁梁式机身:主要由大梁、桁条、隔框和蒙皮组成，如图1-30所示。几根大梁的截面积很大，桁条的数量较少而且较弱，蒙皮较薄。图1-30桁梁式机身固定翼无人机的结构1.4半硬壳式1)固定翼无人机机身的分类:构架式机身、硬壳式机身、半硬壳式机身。半硬壳式1)构架式机身：这种机身虽然强度和冲击力较好，但刚度不好，特别是抗扭特性较差，且有效容积较小。图1-28构架式机身硬壳式

硬壳式这种机身具有结构简单丶气动外形光滑，以及内部空间可全部利用的特点，但机身的相对载荷较小，而且蒙皮材料利用率不高。图1-29硬壳式机身半硬壳式半硬壳式机身：又分为桁梁式和桁条式。“阵风”战斗机半硬壳式1)桁梁式机身:从桁梁式机身的受力特点可以看出，在桁梁之间布置大开口不会显著降低机身的抗弯强度和刚度。一般这种构造的飞机舱门比较大丶机身强度高，但抗弯抗扭低。所以一般只能用于低速飞行的固定翼。桁条式机身桁条式机身:桁条和蒙皮较强，是承受机身力的主要部件。由于蒙皮加厚，改变了机身的空气动力性能，增大了机身结构的抗扭刚度，所以与桁梁式机身相比，他更适合用于较高速的固定翼无人机。图1-31桁条式机身桁条式机身固定翼无人机的构造1.4.22.机翼机翼：是飞机的重要部件之一，安装在机身上。其最主要的作用是产生升力，同时也可以在机翼内布置油箱和弹药仓，在飞行中可以收起落架。图1-32机翼的结构组成机身纵向骨架机翼的纵向骨架由翼梁、纵墙和桁条等组成，它们都是沿翼展方向布置的。机身1.翼梁：最主要的纵向构件，是机翼的主要受力部件、翼梁一般由缘条、腹板和支柱组成。图1-33翼梁的结构组成机翼2.纵墙:纵墙分为前纵墙和后纵墙。纵墙与翼梁十分相像，二者的区别在于纵墙的缘条很弱并且不与机身相连，其长度有时仅为翼展的一部分。机翼3.桁条:铆接在蒙皮内表面，支持蒙皮以提高其承载能力，并共同将气动力分布载荷传给翼肋。涵道尾桨横向骨架机翼的横向骨架主要是指翼肋(肋拱)，而翼肋又分为普通冀肋和加强冀肋，它们的安装方向一般都垂直于机翼前缘。涵道尾桨涵道尾桨固定翼飞机结构1.4.2机翼

蒙皮蒙皮是包围在机翼骨架外的部件，用粘结剂或铆钉固定于骨架上，形成机翼的气动力外形。尾翼尾翼：是固定翼无人机的重要部件之一。尾翼由垂直尾翼和水平尾翼组成。图1-34尾翼结构图1-35全动式水平尾翼起落架起落架：是固定翼无人机停放、滑行、起飞或者着陆时的主要支撑部分。最常用的轮式起落架由三个轮子组成，按照轮子分布方式分为前三点式和后三点式两种前三点式起落架后三点式起落架固定翼飞机的飞行原理1.4.21.4.2飞行原理飞机在飞行时会到四个基本的作用力：升力（lift）、重力（weight）推力（thrust）与阻力（drag），如图1-36所示。图1-36飞机飞行时所承受的四个作用力L-升力T-推力/拉力G-重力D-阻力升力根据连续性原理，上翼面的气流流速就比下翼面的流速快;由伯努利原理可得，上翼面的静压就比下翼面的静压低，上、下翼面间形成压力差，此静压差称为作用在机翼上的空气动力。图1-37升力的产生原理L-升力R-总空气动力D-阻力V-气流相对速度固定翼的升力3.1升力那么这节课呢我们在详细的讲一下，关于飞机升力的一些知识点。包括我们上节课提到的疑问：为什么飞机的上表面流速会比下表面流速快呢？那么今天我们就带着这个疑问来学习一下。飞机是怎么飞起来的。升力如果是初中老师的话一定会给你画一个机翼的剖面图。然后上课老师就跟你讲，看！这就是机翼的形状，上凸下平的形状。飞机飞行的时候，气流从机翼前缘经过被，分成上下两个部分最后同时达到，机翼的后援。升力上表面的距离更长，空气流速大于下表面那么上表面的流速更长，空气流速肯定是要大于下表面的。那么这里我们就解决了我们上节课的一个问题，就是为什么这个飞机的机翼上表面的流速比，下表面的流速要大。那就是因为小时候我们学数学经常用的一句话，那就是两点之间直线最短。所以我们看一下这张图的机翼，下表面是直的。所以凸起的上表面的距离肯定是比下表面的距离长。所以上表面流速才会比下表面流速大.升力所以呢，根据我们之前所说的伯努利原理，流速快的地方气压越小。所以上下表面的气压差就产生了升力。那么飞机就是这样飞起来的。升力那么讲到这里，有些同学又有疑惑了。老师，气流为什么会同时到达后缘呢？老师为什么