无人机系统结构与设计 课件 第1、2课时 无人机系统的机体结构、无人机的动力

第一课时无人机系统的机体结构目录/CONTENTS§2无人机机体功能§3无人机机体材料§1无人机系统的组成翼龙无人机宣传视频§1无人机系统的组成无人机系统的组成无人机无人驾驶飞行器（UnmannedAerialVehicle，UAV）的简称主要利用无线电设备和自备的程序控制装置操纵的飞行器无人机系统的组成无人机组成：飞机机体、飞控系统、数据链系统、发射回收系统、电源系统等§2无人机机体功能无人机机体功能固定翼航空器平台定义：由动力装置产生前进的推力或拉力，由机体上固定的机翼产生升力，在大气层内飞行的重于空气的航空器结构：机翼、机身、尾翼和起落架等控制舵面：副翼、升降舵、方向舵、襟翼等无人机机体功能固定翼航空器平台通过伺服机构改变各控制舵面位置及动力装置输出量，产生相应的控制力，使飞行器改变高度速度并进行转弯、爬升、俯冲、横滚、筋斗等机动固定翼平台结构无人机机体功能固定翼航空器平台机体机身、机翼、尾翼机身装载飞行控制系统、电力系统、通信系统、燃料系统及任务系统等机载设备，形成完整的飞行平台无人机机体功能固定翼航空器平台机翼维持飞机稳定性和操纵性中扮演重要角色可操纵翼面：副翼、襟翼、前缘襟翼、前缘缝翼用于安装发动机、起落架及其轮舱、油箱无人机机体功能固定翼航空器平台副翼：机翼后缘外侧的活动部分，左右机翼对称安装，通过舵机控制，可上下偏转襟翼：机翼后缘内侧，一种增升装置，改善飞机的起降性能固定翼机尾结构无人机机体功能固定翼航空器平台尾翼：包括水平尾翼和垂直尾翼，控制飞机的俯仰和方向平衡，减轻飞机重量，提高气动性能固定翼机尾结构无人机机体功能固定翼航空器平台起落装置功能：支持飞机在地面停放，用于飞机的起飞和降落最常用的起降装置：起落架根据起落架的不同安装方式分类：前三点、后三点、滑橇式无人机机体功能固定翼航空器平台航空发动机飞机动力装置的核心功能：1.克服与空气相对运动使飞机前进2.为飞机上的用电设备提供电力，为用气设备提供气源无人机机体功能旋翼航空器平台旋翼平台：旋翼航空器平台（Rotarywingaircraft）一种重于空气的航空器，飞行升力由一个或多个旋翼与空气进行相对运动的反作用获得与固定翼航空器为相对的关系现代旋翼航空器通常包括：直升机、旋翼机、变模态旋翼机无人机机体功能旋翼航空器平台直升机由一个或多个水平旋转的旋翼提供升力和推进力进行飞行的航空器优点：构造简单、价格低廉、不需要发射系统、可垂直起降与自由悬停、飞行灵活无人机机体功能旋翼航空器平台直升机升力来自“旋翼”，依靠自身旋转产生与空气的相对运动在旋翼提供升力同时，机身产生反扭距而具有向反方向旋转的趋势克服反作用扭矩的方法：尾桨在机身尾部产生抵消反向运动的力矩无人机机体功能旋翼航空器平台无人直升机按结构形式分类：单旋翼带尾桨式、共轴双旋翼式、特异式单旋翼直升机：目前应用最为广泛的直升机，构造简单，技术成熟、维修方便、操纵灵便单旋翼带尾桨式无人直升机无人机机体功能旋翼航空器平台无人直升机共轴双旋翼式的优点：可省去尾桨及其传动系统，结构较为紧凑共轴双旋翼式无人直升机无人机机体功能旋翼航空器平台四轴（多轴）飞行器结构最简单的飞行器，操控最简单四旋翼无人机无人机机体功能旋翼航空器平台四轴（多轴）飞行器机身大多数设备的安装位置，多旋翼无人机的主体，也成为机架根据机臂个数分类：三旋翼、四旋翼、六旋翼、八旋翼、十六旋翼、十八旋翼、四轴八旋翼等为保证结构强度和重量，一般采用碳纤维材质无人机机体功能旋翼航空器平台四轴（多轴）飞行器起落架多旋翼无人机唯一和地面接触的部位作为整个机身在起飞和降落时候的缓冲，保护机载设备强度高，结构牢固，和机身保持可靠的连接，能承受一定的冲力无人机机体功能旋翼航空器平台四轴（多轴）飞行器云台安装、固定摄像机的支撑设备分类：固定云台、电动云台固定云台：适用于监视范围不大的情况电动云台：适用于对大范围进行扫描监视无人机机体功能旋翼航空器平台自转旋翼（简称旋翼机或自旋翼机）仅依靠前进时的相对气流吹动旋翼自转产生升力优点：结构简单、造价低廉、安全性较好应用：通用航空或运动类飞行自转旋翼机无人机机体功能旋翼航空器平台自转旋翼基本组成：机身，动力系统，旋翼系统，尾翼、起落架机身：为其他部件提供安装结构动力系统：提供旋翼机向前飞行推力，飞行时和旋翼系统独立无关无人机机体功能旋翼航空器平台自转旋翼旋翼系统：为自转旋翼机提供必须的升力和控制能力尾翼：提供稳定性和俯仰、偏航控制起落装置：提供航空器起飞、着陆和地面停放使用，吸收着陆冲击能量，减少冲击载荷，改善滑行性能无人机机体功能旋翼航空器平台自转旋翼起落架两个起落架主要起落架位于重心附近的机身两侧，起主要的支撑作用无人机机体功能旋翼航空器平台自转旋翼起落架一个起落架在机头或机尾：1.若在机尾，则称为后三点式，较适合在粗糙路面上进行2.若在机头，则称为前三点式，为大多数自转旋翼机所采用，前轮可通过方向舵控制偏转，以便地面滑行时灵活转弯无人机机体功能旋翼航空器平台自转旋翼起落架轮式起落架：一般设有减震装置，能吸收大部分着陆能量，可以在硬性路面进行滑行起飞和降落§3无人机机体材料无人机机体材料无人飞行器平台根据使用领域及尺度大小，釆用不同的生产加工工艺与材料碳纤维无人机无人机机体材料塑胶模具注消费类多旋翼尺度较小、需要大批量生产且材料成本也得有效控制，多釆用塑胶模具注塑成型批产开模具前，使用CNC或3D打印方式，制造样机以供测试和调整“精灵”无人机无人机机体材料纤板材CNC切割组装多用于高端大型无人机中碳纤维复合材料具有轻质、髙比强度比模量等特性，将碳纤维增强材料良好的力学性能和树脂基体材料的特性有机的结合在一起无人机机体材料碳纤板材CNC切割组装穿越机：使用碳纤板材、管材经雕刻和切割，再机械组装工作流程：使用2维或3维机械设计软件设计使用CNC铣出机架及云台的板材切割出支臂需要的管材，辅以部分通用的塑胶件用螺栓连接的方式组合在一起无人机机体材料碳纤板材CNC切割组装多用于全重2~25kg之间的多旋翼零件组装方便随时修改设计和局部修复结构碳纤板材无人机框架无人机机体材料复合材料模具基于对气动和空机重量的要求，多用于大尺度的多旋翼飞行平台，例如专用植保机、军用靶标多旋翼等可较方便的加工出具有复杂曲面并且重最轻、刚度好的机体结构无人机机体材料复合材料模具对于大批量的生产，一般使用机床加工出金属阴模对于中小批量的生产，先制作木制阳模复合材料无人机无人机机体材料新兴技术3D打印、微细胞结构一体成型等新技术都会在未来的多旋翼无人飞行器平台的生产中占据越来越重要的地位3D打印机体无人机第二课时无人机的动力BU

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AVIATION目录/CONTENTS§2活塞式发动机§3电动动力系统§1无人机动力系统的组成§1无人机动力系统的组成无人机动力系统的组成动力系统是航空器的发动机以及保证发动机正常工作所必需的系统和附件的总称，被誉为无人机的心脏无人机动力系统的组成无人机的分类根据动力来源分类：以燃油类发动机为动力的油动系统无人机，以电池为能源的电动系统无人机、固态氧化物燃料无人机、太阳能无人机、油电混合动力无人机无人机电机动力装置：将电池化学能转化为电能再转化为机械能，从而为无人机提供动力无人机动力系统的组成动力系统的组成动力系统包括：发动机、电动机无人机使用的动力装置主要包括：活塞式发动机、涡喷发动机、涡扇发动机、涡桨发动机、涡轴发动机、冲压发动机、火箭发动机、电动机主流的民用无人机所采用的动力系统通常为活塞式发动机和电动机§2活塞式发动机活塞式发动机别名：往复式发动机主要结构：气缸、活塞、连杆、曲轴、气门机构、螺旋桨减速器、机匣属于内燃机，通过燃料在气缸内的燃烧，将热能转变为机械能活塞式发动机系统组成发动机本体、进气系统、增压器、点火系统、燃油系统、启动系统、润滑系统、排气系统活塞式发动机冲程一般用汽油作为燃料每一循环包括四个冲程：进气冲程、压缩冲程、做功（膨胀）冲程、排气冲程①进气冲程：活塞从上死点运动到下死点，进气活门开放，排气活门关闭，雾化的汽油和空气的混合气体，被下行的活排气口吸入气缸内活塞式发动机冲程②压缩冲程：活塞从下死点运动到上死点，进气活门和排气活门都关闭，混合气体在气缸内被压缩，在活塞点火上死点附近，由装在气缸头部的火花塞点火③做功冲程：混合气体点燃后，高温高压的燃气开始膨胀，具有高温高压的燃气开始膨胀，推驱动轴动活塞从上死点向下死点运动，燃烧气体所蕴含的内能转变为带动螺旋桨转动的动力活塞式发动机冲程④排气冲程：活塞从下死点运动到上死点，排气活门开放，燃烧后的废气被活塞排出缸外当活塞到达上死点后，排气活门关闭，完成四个冲程的循环活塞式发动机起动系统发动机由静止状态过渡到工作状态：用外力转动发动机的曲轴，使活塞作往复运动，气缸内的可燃混合气体燃烧膨胀作功，推动活塞向下运动使曲轴旋转发动机的起动：曲轴在外力作用下开始转动到发动机开始自动地运转的全过程起动系统：完成起动过程所需的装置活塞式发动机起动系统大型活塞发动机起动系统的部件均安装在发动机上或其附近，与发动机有关部件连接传动气缸总容积小于500毫升的活塞发动机多采用独立式起动系统§3电动动力系统电动动力系统微型无人机中普遍使用电动动力系统装置组成：电池、电调、电机、螺旋桨电动动力系统装置组成电池：主要作用是提供能量。电调：主要作用是控制电动机的转速。电机：主要作用是通过电机旋转带动螺旋桨旋转。螺旋桨：主要作用是通过旋转产生升力和推力。电动动力系统电机无人机动力系统的核心部分分类：有刷电动机、无刷电动机有刷电动机由于效率较低，在无人机领域已逐渐不再使用电动动力系统有刷电机内含电刷装置的将电能转换成机械能（电动机）或将机械能转换成电能（发电机）的旋转电机所有电机的基础特点：启动快、制动及时、可在大范围内平滑地调速、控制电路相对简单电动动力系统有刷电机有刷电机有碳刷，无刷电机没有碳刷组成：定子、转子定子和转子的磁极之间有一个夹角，在定转子磁场（N极和S极之间）的相互吸引下，使电机旋转电动动力系统有刷电机改变电刷的位置，就可以改变定转子磁极夹角，从而改变电机的旋转方向缺点：摩擦大、耗损大、发热大、寿命短、效率低、功率小电动动力系统无刷电机组成：电动机主体、驱动器组成典型的机电一体化产品以自控式运行，不会在转子上另加启动绕组，也不会在负载突变时产生振荡和失步电动动力系统无刷电机中小容量的无刷直流电动机的永磁体多采用高磁能级的稀土钕铁硼（Nd-Fe-B）材料稀土永磁无刷电动机的体积比同容量三相异步电动机缩小了一个机座号电动动力系统无刷电机运行原理：依靠改变输入到无刷电机定子线圈上的电流波交变频率和波形，在绕组线圈周围形成一个绕电机几何轴心旋转的磁场，驱动转子上的永磁磁钢转动电动动力系统无刷电机电机的性能与磁钢数量、磁钢磁通强度、电机输入电压大小、无刷电机的控制性能等因素有关优点：无电刷、低干扰、噪音低、运转顺畅、寿命长、维护成本低电动动力系统无刷电机无刷电机几乎是一种免维护的电动机有刷电机低速扭力性能优异、转矩大等性能特点是无刷电机不可替代的电动动力系统电源为电机提供运转能源通常采用化学电池来作为电动无人机的动力电源主要包括：镍氢电池、镍铬电池、锂聚合物、锂离子动力电池电动动力系统锂聚合物电池采用锂合金做正极，采用高分子导电材料、聚乙炔、聚苯胺或聚对苯酚等做负极，有机溶剂作为电解质比能量可达350W·h/kg，功率50-60W/kg，使用温度-40℃-70℃，寿命约330次左右电动动力系统锂聚合物电池正极、负极与电解质中至少有一项或一项以上使用高分子材料做为主要电池系统高分子材料主要是被应用于正极及电解质电动动力系统锂聚合物电池正极材料包括导电高分子聚合物或无机化合物电解质可以使用固态或胶态高分子电解质，或有机电解液一般锂离子技术使用液体或胶体电解液，需要坚固的二次包装来容纳可燃的活性成分，增加了重量，限制了尺寸的灵活性电动动力系统锂聚合物电池锂聚合物电池和锂离子电池技术都能代替镍铬电池相同体积下比锂电池容量大，完全没有记忆效应，容易做成各种形状，容量比同样大小的锂离子电池高出一倍，且不含有害的重金属元素电动动力系统锂聚合物电池对旋翼转速进行速度调节的系统针对动力电机不同，可分为有刷电调和无刷电调它根据控制信号调节电动机的转速电动动力系统电调连接方法：电调的输