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1、第一章,第一章,根据不同平台构型，无人机主要分为固定翼无人机、无人直升机和多旋翼无人机三大平台。本章主要介绍了固定翼无人机、无人直升机和多旋翼无人机的结构组成及飞行原理和飞行控制，以便读者全面系统地认识无人机机体平台及原理。,学习导论,第一章,第一章,学习目标,1.掌握多旋翼无人机结构组成名称及每种结构主要参数；2.了解每种结构功能及选用注意事项；3.掌握多旋翼飞行原理及飞行操纵；4.了解六自由度、机体坐标及飞行姿态；5.掌握无人直升机结构组成名称、桨毂种类及自动倾斜器组成；6.了解每种结构组成；7.掌握无人直升机飞行原理、飞行操纵及常见无人直升机结构型式；8.了解无人直升机种类；9.掌握固定
2、翼无人机的飞行原理及增升装置种类；10.了解每种增升装置种类及原理；11.掌握固定翼无人机阻力种类及减阻措施；12.了解各种阻力产生的原因。,第一章无人机结构与飞行原理,第一章无人机结构与飞行原理,第一章机体坐标轴和基本运动状态,1.1 机体坐标轴和基本运动状态,（1）纵轴（ox） 从机头穿透机身的中心，从机尾穿出来的轴线，方向指向前。无人机沿着纵轴的水平运动称为前后运动，围绕纵轴的运动称为滚转运动。 （2）横轴（oz） 从一边的机翼末端，穿过机翼、机身，再从另一边机翼延伸到末端穿出来的轴线。无人机沿着横轴的水平运动称为左右运动，围绕横轴的运动称为俯仰运动。 （3）立轴（oy） 由上往下通过无
3、人机重心，并与纵轴（ox）和横轴（oz）相互垂直的轴线。无人机沿着立轴的水平运动称为升降运动，围绕立轴的运动称为偏航运动。,图1-1 机体坐标轴,第一章多旋翼无人机的结构及飞行原理,1.2.1 结构组成,多旋翼无人机实质上是属于直升机的范畴，按轴数分为三轴、四轴、六轴、八轴等。按电机个数分为三旋翼、四旋翼、六旋翼、八旋翼等本教材主要以四旋翼为主（如图1-2所示）。按旋翼布局分为I型、X型、V型、Y型、IY型等（如图1-3所示）。由于X型结构的任务载荷前方的视野比I型的更加开阔，且控制灵活，所以在实际应用中，多旋翼无人机大多采用X型外形结构。但对于初学者，建议采用I型，较安全。,第一章多旋翼无人
4、机的结构及飞行原理,1.机架,（1）材质,（2）轴距,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。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。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。,轴距是多旋翼无人机的重要尺寸参数，是指多旋翼无人机两个驱动轴轴心的距离，即为对角线上的两电机轴心的距离，如图1-5所示。轴距的大小限定了螺旋桨的浆距尺寸上限。,第一章多旋翼无人机的结构及飞行原理,2.电机,（1）尺寸,在无刷电机的铭牌上有一组四位数字，如2212、2216等
5、，如图1-6所示。用它来表示电机的尺寸，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。例如2212电机的内直径为22 mm，转子的高度为12 mm。前面两位数字越大，电机越肥，后面两位数字越大，电机越高。高大粗壮的电机，功率就更大，适合做更大的多旋翼无人机。,（2）KV值,在无刷电机的铭牌上还有一组数字，如 KV950，如图 1-6 所示。用它来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”（RPM/V）。例如KV950 电机，外加 1V 电压，电机空转时每分钟转 950 转；外加 2V 电压，电机的空转转速就 1900 转/
6、分；电压为 10V 的时候，电机的空转转速达到 9500 转/分。单从 KV 值，不可以评价电机的好坏，因为不同 KV 值适用不同尺寸的螺旋桨。KV 值小的电机的绕线匝数更多更密，能承受更大的电流，所以可以产生更大的扭矩去驱动更大尺寸的螺旋浆；相反，KV 值大的电机的绕线匝数少，产生的扭矩小，适合驱动小尺寸的螺旋浆。,图1-6 电机,第一章多旋翼无人机的结构及飞行原理,3.电子调速器(ESC),（1）电调的作用,1)电机调速2)变压供电3)电源转化4)其他功能：如电池保护、启动保护、刹车等。,（3）常用电调,无刷电调按照电流分为30A、40A、50A、60A、80A、120A电调等；按品牌分为
7、好盈、银燕、新西达、中特威等，还有一些较为昂贵的电调，如蝎子和风凰等。,（2）电调的参数,1)最大持续/峰值电流：是无刷电调最重要的参数，通常以安培数A来表示，如10A、20A、30A（如图1-7所示）2)电压范围：电调能够正常工作所允许输入的电压范围也是非常重要的参数。3)内阻：电调都有内阻，通过电调的电流有时可以达到几十安培，所以电调的发热功率不能被忽视。4)刷新频率：电机响应速度很大程度上依赖于电调刷新频率。5)可编程特性：通过调整电调内部参数，可以使电调的性能达到最佳。可通过编程卡、通过USB连接电脑使用软件及通过接收器用遥控器摇杆这三种方式来设置电调参数。,图1-7 电调,第一章多旋
8、翼无人机的结构及飞行原理,4.电池,（1）连接放式,（2）参数,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。通过电池合理的串并联组合，可以获得无人机飞行所需要的电压和容量。通常用字母“S”表示电池串联，用字母“P”表示电池并联，如图1-9所示。,图1-9 电池连接方式,a)3S1P,b)3S2P,1)电压：锂电池单节电压3.7V，容量为2200 mAh，3S1P（见图1-9 a）表示3块锂电池串联，其总电压为3.73=11.1 V，容量仍为2200 mAh，如图1-8 a）所示；3S2P（见图1-9 b）表示3块锂电池串联，然后两个这样串联结构再并联，
9、其总电压为3.73=11.1 V，容量为22002=4400 mAh2)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，可以是供的续航时间就越长，不过相应的重量也越大。如1000mAh电池，如果以1000mA放电，可持续放电1h。如果以500 mA放电，可以持续放电2h。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。4)平衡充电：常用3S电池，内部是3块锂电池，动力锂电都有2组线，1组是输出线（2根），1组是单节锂电引出线（与S数有关），充电时按说明书，都插入充电器内，就可以进行平衡充电了。,第
10、一章多旋翼无人机的结构及飞行原理,5.螺旋桨,（1）型号,螺旋桨的型号采用四位数字来描述，前两位数字指的是螺旋桨的直径，后两位数字指的是螺旋桨的桨距，单位是英寸（1英寸=25.4毫米）。例如1047螺旋桨，指的是螺旋桨的直径为10英寸，桨距为4.7英寸。需要注意，对于小于10英寸的螺旋桨，直径数字写在最前面，比如8050，螺旋桨直径为8英寸而并非80英寸。,顺时针旋转的螺旋桨称为正浆，逆时针旋转的螺旋桨称为反浆。安装的 时候，一定记得无论正反桨，有字的一面是向上的（桨叶圆润的一面要和电机旋转方向一致）。,（3）电机与螺旋桨的搭配,（2）正反桨,大螺旋桨就需要采用低KV电机，小螺旋桨就需要采用高
11、KV电机（因为需要用转速来弥补升力不足）。不同的电机需要使用对应的螺旋桨，如表1-1所示。,表1-1 电机与螺旋桨的搭配,第一章多旋翼无人机的结构及飞行原理,6. 飞行控制系统,飞行控制系统是多旋翼无人机的核心设备，飞控系统的好坏从本质上决定了无人机的飞行性能。飞行控制系统集成了高精度的感应器元件，主要由陀螺仪（飞行姿态感知）、加速计、角速度计、气压计、GPS及指南针模块（可选配）以及控制电路等部件组成。通过高效25的控制算法，能够精准地感应并计算出无人机的飞行姿态等数据，再通过主控制单元实现精准定位悬停和自主平稳飞行。根据机型的不一样，可以有不同类型的飞行控制系统，有支持固定翼、多旋翼及直升
12、机的飞行控制系统。,第一章多旋翼无人机的结构及飞行原理,7.遥控系统,（1）通道数,常用的遥控系统有单通道、两通道直至十通道，具体使用几通道，由无人机的种类及用途而定。较为简单的单通道、两通道的遥控系统，一般用来控制练习机、滑翔机。遥控特技固定翼无人机则最少需四个通道，分别控制水平舵、方向舵、副翼及油门。较为完善的特技固定翼无人机还需控制襟翼、收起落架等，至少需要六个通道。四旋翼无人机遥控系统最少需要四通道。,（2）遥控距离,遥控距离的确定仍然需视无人机的种类和用途而定。对于近距离飞行的小型无人机，选用遥控距离为200米的遥控系统；对于无人靶机、飞艇或大型无人机，有时在空中要飞出数公里，就要选
13、用遥控距离至少有1000米的遥控系统。,遥控系统由遥控器（见图1-10 a）和接收机（见图1-10 b）组成，是整个飞行系统的无线控制终端。遥控器与接收机之间通过无线电波进行通信，常用的无线电频率为72MHz和2.4GHz，目前常用2.4GHz无线通信，因为它具有频率高、功耗低、体积小、反应快、精度高等优点。目前常用的调制方式有脉冲位置调制（Pulse Position Modulation，简称PPM，又称脉位调制）和脉冲编码调制（Pulse Code Modulation，简称PCM，又称脉码调制）两种。,a)遥控器,b)接收机,图 1-10 遥控系统,第一章多旋翼无人机的结构及飞行原理,
14、1.2.2 飞行原理,伯努利定律是空气动力最重要的理论基础，简单地说，流体的速度越大，静压力越小；速度越小，静压力越大。,以四旋翼无人机为例，详细讲解如下：如图1-11所示，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，因此当无人机平衡飞行时，陀螺效应和空气动力扭矩效应均被抵消。与电动直升机相比，四旋翼飞行器有下列优势：各个旋翼对机身所施加的反扭矩与旋翼的旋转方向相反，因此当电机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，可以平衡旋翼对机身的反扭矩。四旋翼无人机在空间共有六个自由度（分别沿3个坐标轴作平移和旋转动作），这六个自由度的控制都可以通过调节不同电机的转速来实现，
15、但只有四个输入力，所以它又是一种欠驱动系统。,图1-11 四旋翼无人机飞行原理,第一章多旋翼无人机的结构及飞行原理,1.2.3 飞行控制,图1-11中，当同时增加四个电机的输出功率，螺旋桨转速增加使得总的升力增大，当总升力足以克服整机的重量时，四旋翼无人机便离地垂直上升；反之，同时减小四个电机的输出功率，四旋翼无人机则垂直下降，直至平衡落地，实现了沿z轴的垂直运动。当外界扰动量为零时，在螺旋桨产生的升力等于四旋翼无人机的自重时，四旋翼无人机便保持悬停状态。保证四个螺旋桨转速同步增加或减小是垂直运动的关键。,图1-11 四旋翼无人机飞行原理,1.垂直运动，即升降控制,第一章多旋翼无人机的结构及飞
16、行原理,1.2.3 飞行控制,图1-12中，电机1的转速上升，电机3的转速下降，电机2和电机4的转速保持不变。为了不因为螺旋桨转速的改变引起四旋翼无人机整体扭矩及总拉力改变，螺旋桨1与螺旋桨3转速变量的大小应相等。由于螺旋桨1的升力上升，螺旋桨3的升力下降，产生的不平衡力矩使机身绕y轴旋转（方向如图1-12）。同理，当电机1的转速下降，电机3的转速上升，机身便绕y轴向另一个方向旋转，实现四旋翼无人机的俯仰运动。,图1-12 俯仰运动,2.俯仰运动,第一章多旋翼无人机的结构及飞行原理,1.2.3 飞行控制,与图1-12的原理相同，在图1-13中，改变电机2和电机4的转速，保持电机1和电机3的转速
17、不变，则可使机身绕x轴旋转（正向和反向），实现四旋翼无人机的滚转运动。,图1-13 滚转运动,3.滚转运动,第一章多旋翼无人机的结构及飞行原理,1.2.3 飞行控制,四旋翼无人机偏航运动可以借助螺旋桨产生的反扭矩来实现。螺旋桨转动过程中由于空气阻力作用会形成与转动方向相反的反扭矩，为了克服反扭矩影响，可使四个螺旋桨中的两个正转，两个反转，且对角线上的各个螺旋桨转动方向相同。反扭矩的大小与螺旋桨转速有关，当四个电机转速相同时，四个螺旋桨产生的反扭矩相互平衡，四旋翼无人机不发生转动；当四个电机转速不完全相同时，不平衡的反扭矩会引起四旋翼无人机转动。在图1-14中，当电机1和电机3的转速上升，电机2
18、和电机4的转速下降时，螺旋桨1和螺旋桨3对机身的反扭矩大于螺旋桨2和螺旋桨4对机身的反扭矩，机身便在富余反扭矩的作用下绕z轴转动，实现四旋翼无人机的偏航运动，转向与电机1、电机3的转向相反。,图1-14 偏航运动,4.偏航运动,第一章多旋翼无人机的结构及飞行原理,1.2.3 飞行控制,要想实现无人机在水平面内前后运动，必须在水平面内对无人机施加一定的力。在图1-12中，增加电机1转速，使升力增大，相应减小电机2转速，使升力减小，同时保持其它两个电机转速不变，反扭矩仍然要保持平衡。四旋翼无人机首先发生一定程度的倾斜，从而使螺旋桨升力产生水平分量，因此可以实现四旋翼无人机的后飞运动。向前飞行与向后
19、飞行正好相反。当然在图1-12中，四旋翼无人机在产生俯仰运动的同时也会产生沿x轴的水平运动，即前后运动。,5.前后运动,图1-12 俯仰运动,第一章多旋翼无人机的结构及飞行原理,1.2.3 飞行控制,在图1-13中，由于结构对称，所以侧向飞行的工作原理与前后运动完全一样。,6.侧向运动（左右运动）,图1-13 滚转运动,第一章无人直升机的结构及飞行原理,1.3.1 结构组成,无人直升机主要由主旋翼、尾浆、起落架、机身、传动装置、动力装置等构成，如图1-15所示。,第一章无人直升机的结构及飞行原理,1.主旋翼系统,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。旋翼桨叶可以独立的做挥
20、舞（Flap）、周期变距、摆振三种运动。典型的铰接式桨毂铰的布置顺序（从里向外）是由挥舞铰、摆振铰到变距铰，20世纪40年代中期，全铰式旋翼系统得到广泛应用。,（1）全铰接旋翼系统,（2）半刚体旋翼系统,这种旋翼形式与铰接式相比，其优点是桨毂构造简单，去掉了摆振铰和减摆器，两片桨叶共同的挥舞铰不负担离心力而只传递拉力及旋翼力矩，万向接头架负荷比较小，没有“地面共振”问题。但是这种旋翼操纵功效和角速度阻尼比较小，稳定性较差。,第一章无人直升机的结构及飞行原理,1.主旋翼系统,经过长期的理论与试验研究，20世纪60年代末及70年代初刚体（无铰式）旋翼系统进入了实用阶段。这类系统中桨叶不可以做挥舞和
21、摆振动作，但是可以变距。,（3）刚体旋翼系统,（4）无轴承旋翼系统,无轴承旋翼系统就是取消了挥舞铰、摆振铰和变距铰的旋翼系统，桨叶的挥舞、摆振和变距运动都以桨叶根部的柔性元件来完成，如美国RAH-66科曼奇直升机。,第一章无人直升机的结构及飞行原理,2.尾桨,涵道尾桨（Fenestron）将尾桨缩小，“隐藏”在尾撑端部的巨大开孔里（图1-21），相当于给尾桨安上一个罩子，这样大大改善了安全性，不易打到周围的物体。由于涵道尾桨的周边是遮蔽的，尾桨翼尖附近的气流情况大大简化，翼尖速度较高也不至于大大增加噪声。罩子的屏蔽也使前后方向上的噪声大大减小。涵道尾桨的缺点是风扇的包围结构带来较大的重量，这个
22、问题随涵道尾桨直径增加而急剧恶化，所以涵道尾桨难以用到大型直升机上。,（1）涵道尾桨,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扭力，尾撑顶端的直接喷气控制提供更精细的方向控制，但不提供主要的反扭力。NOTAR的噪音比涵道风扇更低，安全性更好。但NOTA同样没有用到大型直升机上的例子。在直升机悬停的时候，保持方向控制所必需的扭矩中Coanda效应提供大约三分之二。,（2）无尾桨NOTAR,第一章无人直升机的结构及飞行原理,3.起落架,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”。此外，起落架往往还
23、用来使直升机具有在地面运动的能力，减少滑行时由于地面不平而产生的撞击与颠簸。 最常见的起落架是滑橇式的，适合在不同类型的表面上起降。一些滑橇式起落架安装了减震器以减少着陆冲击和震动传递到主旋翼。起落架也可安装能够更换的滑橇靴以防止过度磨损。直升机也可以安装浮筒式起落架进行水上作业，或者安装滑雪板式起落架以降落在雪地或者柔软的地面上。 机轮是另外一种形式的起落架，可以是三点式或者是四点式配置。通常为了方便直升机在地面上滑行，机头或者机尾的起落架设计成可以自由旋转的。,第一章无人直升机的结构及飞行原理,4.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
24、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。典型情况下，发动机通过一个主传动机构和皮带或者一个离心式离合器来驱动主旋翼。无人直升机可以采用的另外一种发动机是无刷电机。这种动力装置结构简单、维护方便，适用于大多数的小型无人直升机。,第一章无人直升机的结构及飞行原理,5.飞行控制系统,飞行控制系统主要有陀螺仪（飞行姿态感知）、加速计、地磁感应、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。,第
25、一章无人直升机的结构及飞行原理,1.3.2 飞行原理,无人直升机是一种旋翼航空器，无人直升机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。同时，旋翼又是无人直升机的操纵面，无人直升机通过旋翼拉力的倾斜实现前进、后退和侧飞。通过控制尾桨“拉力”或“推力”的大小，可以达到使无人直升机偏转的目的，从而实现无人直升机的转向。,第一章无人直升机的结构及飞行原理,1.3.3 飞行控制方式,简单来说，上提总距杆，桨叶的桨距和发动机输出功率增加，旋翼升力增加，直升机上升；下放总距杆，桨叶的桨距和发动机输出功率减小，旋翼升力减小，直升机下降。,1.操纵总距杆实现
26、无人直升机上下运动,2.操纵脚蹬杆实现直升机偏航运动,对脚蹬杆操纵，通过操纵线与尾桨连接，实现对尾桨的变距，控制尾桨桨叶的桨距，改变尾桨的“拉力”或“推力”。般来说，操纵某一侧脚蹬杆，无人直升机机头就会向该侧偏转。,3.操纵变周期距杆实现无人直升机前后左右运动（即俯仰和滚转运动）,当周期变距杆偏离中立位置向前，旋翼椎体向前倾斜，直升机低头并向前运动（图 1-26a）；当周期变距杆偏离中立位置向后，旋翼椎体向后倾斜，直升机抬头并向后退（图 1-26b）；当周期变距杆偏离中立位置向右，旋翼椎体向右倾斜，直升机向右倾斜并向右侧运动（图 1-26c）；当周期变距杆偏离中立位置向左，旋翼椎体向左倾斜，直
27、升机向左倾斜并向左侧运动（图 1-26d）,图 1-26a,图 1-26b,图 1-26c,图 1-26d,第一章固定翼无人机的结构及飞行原理,1.4.1 结构组成,尽管固定翼无人机可以设计用于很多不同的目的，大多数还是有相同的主要结构。它的总体特性大部分由最初的设计目标确定，大部分由机身、机翼、尾翼、起落架和发动机组成，如图 1-27 所示。,第一章固定翼无人机的结构及飞行原理,1.机身,这种机身虽然强度和冲击性较好，但刚度不好，特别是抗扭特性较差，特别是有效容积率较小,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。虽然因大开口会减小结构的抗剪强度和刚
28、度而必须补强，但相对桁条式和硬壳式结构的机身来说，同样的开口，桁梁式的机身补强引起的重量增加较少。因此这种形式的机身便于开较大的舱口。,这种机身具有结构简单、气动外形光滑及内部空间可全部利用的优点，但因为机身的相对载荷较小，而且机身不可避免要大开口，会使蒙皮材料利用率不高，因开口补强增重较大。所以这种形式的机身实际上用得很少,（1）构架式,（3）半硬壳式,（2）硬壳式,图1-29 硬壳式机身,1）桁梁式机身,2）桁条式机身,图1-30 桁梁式机身,图 1-31 桁条式机身,主要由桁条、隔框和蒙皮组成，如图 1-31 所示。桁条和蒙皮较强是承受机身力的主要部件。,第一章固定翼无人机的结构及飞行原
29、理,2.机翼,（1）纵向骨架,（3）蒙皮,（2）横向骨架,1)翼梁：是最主要的纵向构件，是机翼主要受力部件。,2)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。,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。通常用铝合金挤压或板材弯制而成。,1)普通翼肋：其作用是将纵向骨架和蒙皮连成一体，把由蒙皮和桁条传来的空气动力载荷传递给翼梁，并保持翼剖面的形状。,2)加强翼肋：除了具有普通翼肋功能外，还能承受集中载荷，因此，它的腹板较厚或用支柱加强。,蒙皮是包围在机翼骨架外的部件，用粘接剂或铆钉固定于骨架上，形成机
30、翼的气动力外形。蒙皮除了形成和维持机翼的气动外形之外，还能够承受局部气动力。安装在机翼后面的或者尾部和边缘的是两种类型的控制面，称为副翼和襟翼。,第一章固定翼无人机的结构及飞行原理,3.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。在垂直尾翼上可活动的表面称为方向舵，在水平尾翼上可活动的表面称为升降舵，如图 1-34 所示。还有一种尾翼不需要升降舵，在中央的铰链点安装一片水平尾翼，铰链轴是水平的，这种类型的尾翼称为全动式水平尾翼，如图 1-35 所示。,垂直方向舵安装在垂直尾翼的后部，用于控制固定翼无人机航向运动。在飞行转弯时，垂直方向舵需要和副翼配合使用。升降舵安装在
31、水平尾翼的后面，用于控制在飞行中固定翼无人机的俯仰运动。,第一章固定翼无人机的结构及飞行原理,4.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。大多数普通类型固定翼无人机使用轮式起落架，但是也可以安装浮筒式起落架以便在水上运作，或者安装用于雪上着陆的滑橇式。 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。前三点式起落架是两个主轮保持一定间距左右对称地安装在固定翼无人机质心稍后处，前轮安装在固定翼无人机头部的下方。后三点式起落架是两个主轮（主起落架）布置在固定翼无人机的质心之前并靠近质心，尾轮（尾支撑）远离质心安装在固定翼无人机的尾部。由于
32、固定翼无人机重量轻及对于起降距离没有严格要求，所以前三点式起落架采用较多。,第一章固定翼无人机的结构及飞行原理,1.4.2 飞行原理,飞行控制系统主要有陀螺仪（飞行姿态感知）、加速计、地磁感应、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。,第一章固定翼无人机的结构及飞行原理,1.飞机飞行时受到的作用力,飞机在飞行时会受到 4 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
33、示。,第一章固定翼无人机的结构及飞行原理,(1) 升力,升力产生原理：通常，机翼翼型的上表面凸起较多而下表面比较平直，再加上有一定的迎角。这样，从前缘到后缘，上翼面的气流流管细，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。空气动力是分布力，其合力的作用点叫做压力中心。空气动力合力在垂直于气流速度方向上的分量就是机翼的升力，如图 1-37 所示。,第一章固定翼无人机的结构及飞行原理,(1) 升力,升力公式：由式（1-1）可知，固定翼无人机的升力与升力系数、流动压和机翼面积成正比。升
34、力系数综合的反应了机翼弯度、迎角等对固定翼无人机升力的影响。可见固定翼无人机的飞行速度、机翼面积及升力系数越大，则所获得的升力就越大。,第一章固定翼无人机的结构及飞行原理,(1) 升力,升力系数与迎角的关系曲线：对于某一种翼型、某一种机翼剖面形状，通常通过实验来获得升力系数与迎角的关系曲线，即 C 曲线，如图 1-38 所示。对应于升力系数等于零的迎角称为零升力迎角；对应于最大升力系数 C m 的迎角叫临界迎角或失速迎角。当固定翼无人机的迎角小于临界迎角时，升力系数随着迎角的增大而增大；当迎角超过临界迎角后，迎角增大，升力系数却急剧下降，这种现象称为失速。在这种情况下，固定翼无人机不在飞行，而
35、是坠机。,第一章固定翼无人机的结构及飞行原理,(1) 升力,增升装置：用于增大飞机的最大升力系数，从而缩短固定翼无人机在起飞着陆阶段的地面滑跑距离。,1)前缘缝翼：安装在基本机翼前缘的一段或者几段狭长小翼，是靠增大翼型弯度和延缓机翼的气流分离现象以提高临界迎角和最大升力系数来获得升力增加的一种增升装置，如图1-39 所示。,2)后缘襟翼：在机翼上安装襟翼可以增加机翼面积、提高机翼的升力系数。襟翼的种类很多，常用的有简单襟翼、分裂襟翼、开缝襟翼和后退襟翼，(如图1-41所示)一般的襟翼均位于机翼后缘。当襟翼放下时，机翼面积增大，升力增大，同时阻力也增大，因此一般用于起飞和着陆阶段，以便获得较大的
36、升力，减少起飞和着陆滑跑距离。,3)前缘襟翼：前缘襟翼位于机翼前缘，如图 1-42 所示。前缘襟翼放下后能延缓上表面气流分离、能增加翼型弯度、使最大升力系数和临界迎角得到提高，从而获得升力增加的一种增升装置。前缘襟翼广泛应用于高亚音速固定翼无人机和超音速固定翼无人机。,第一章固定翼无人机的结构及飞行原理,（2)重力,重力是向下的作用力。除了燃料随着旅程慢慢消耗之外，固定翼无人机的实际重量在航程中不大容易变动。在等速飞行中（固定翼无人机的速度与方向保持一定不变），升力与重力维持着某种平衡。,第一章固定翼无人机的结构及飞行原理,（3)推力和阻力,推力：发动机驱动螺旋桨后，所产生的前进力量就是推力。
37、大多数情况下，发动机越大（表示马力越足），所产生的推力就会越大，固定翼无人机前进的速度也就越快（直到某个极限为止）。阻力：是与固定翼无人机运动轨迹平行，与飞行速度方向相反的力。阻力阻碍无人机的飞行，但没有阻力飞机又无法稳定飞行。按阻力产生的原因，固定翼无人机常遇到的阻力一般可分为摩擦阻力、压差阻力、诱导阻力和干扰阻力。在这四种阻力中，除了诱导阻力与升力有关外，其余三种都与升力大小无关，统称为废阻力。,第一章固定翼无人机的结构及飞行原理,1.4.3 飞行控制方式,1.升降运动,2.滚转运动,3.偏航运动,4.俯仰运动,飞行中，通过遥控器操纵副翼，实现固定翼无人机绕着纵轴运动，即滚转运动。向左压杆
38、，左副翼向上，右副翼向下，这时左机翼升力减小，右机翼升力增大，使固定翼无人机向左倾斜，发生左滚转；向右压杆，右副翼向上，左副翼向下，这时右机翼升力减小，左机翼升力增大，使固定翼无人机向右倾斜，发生右滚转.,飞行中，通过遥控器操纵方向舵，实现固定翼无人机绕着立轴运动，即偏航运动。向左压杆，方向舵向左偏转，垂直尾翼上的空气动力产生对固定翼无人机立轴的力矩，使机头向左偏转；向右压杆，方向舵向右偏转，机头也向右偏转。,飞行中，通过遥控器操纵升降舵，实现固定翼无人机绕着横轴运动，即俯仰运动。将遥控器升降舵向前推，升降舵控制面向下移动，如此一来，机尾上方的压力会下降，机尾因此开始上升，机身会沿着横轴向机头
39、方向垂倾，造成机头下降；向后拉杆，则升降舵向上偏转，使机头上仰。简单的说，要想抬升机头，就将遥控器升降舵向后拉；要想降下机头，将遥控器升降舵向前推就行了。,起飞时，将油门推到最大，固定翼无人机加速到足够的速度，以抬高机头成为爬升姿态。此时，固定翼无人机便会往上飞。,第一章,思考题,1.增升装置有哪些？目前最常用是哪种后缘襟翼？2.电机名牌上 3108 这四个数字是什么意思？3.写图 1-47 上各数字对应零件名称及各种无人机操作过程（起飞降落、前后左右、俯仰、横滚、航向）。4.1200 KV 的含义是什么？大桨陪什么 KV 值电机比较合适？5.电机中所允许的最大电流与电调所标定的电流是什么关系？6.分别解释图 1-48 电池上数字 2200、40C、5C、35C 和 3S1P 含义。7.螺旋桨的参数是 8050 指的是什么？8.当飞机机翼升力增大时，阻力将怎么变化？9.直升机是靠什么来操纵的？10.低速飞机上的阻力主要有哪些？产生原因及减小措施有哪些？11.无人机常用的电机是哪种？,
