《無人機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)論》課件3.2飛行器

3.2飛行器飛行器是無人機(jī)系統(tǒng)的核心部分，本節(jié)將從空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)知識開始，理解飛行器的性能、穩(wěn)定性及控制等，對其動(dòng)力推進(jìn)、結(jié)構(gòu)及承載也做了簡單介紹。3.2.1空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)作用在飛行器上的力主要有推力、升力、阻力和重力。升力由機(jī)翼提供，推力由引擎提供，重力由地心引力產(chǎn)生，阻力由空氣產(chǎn)生，飛機(jī)若保持平穩(wěn)勻速的飛行，就需要遵守牛頓定律，那么它們的合力就要為零。圖3.2.1作用在飛機(jī)上的力3.2.1空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)力的不平衡會(huì)影響飛機(jī)的速度，而彎矩的不平衡則會(huì)影響飛機(jī)的滾轉(zhuǎn)、偏航和俯仰，如圖3.2.2所示。圖3.2.2彎矩對飛機(jī)的影響3.2.1空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)1.機(jī)翼是一架飛機(jī)中最重要的部分，飛機(jī)能在空中飛行完全是靠機(jī)翼的浮力，而機(jī)翼的剖面通常稱為翼型。圖3.2.3各類翼型3.2.1空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)2.無論是哪種翼型，在無人機(jī)飛行期間，都會(huì)產(chǎn)生阻力，而阻力越大，飛機(jī)就會(huì)越慢，所以必須盡可能的克服阻力。圖3.2.4形狀阻力示意圖磨擦阻力：空氣分子與飛機(jī)磨擦產(chǎn)生的阻力，這是最容易理解的阻力但不很重要，只占總阻力的一小部分，當(dāng)然為減少磨擦阻力還是盡量把飛機(jī)磨光。形狀阻力：物體前后壓力差引起的阻力，平常汽車廣告所說的風(fēng)阻系數(shù)就是指形狀阻力系數(shù)，如圖3.2.4所示。3.2.1空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)誘導(dǎo)阻力：機(jī)翼的翼端部因上下壓力差，空氣會(huì)從壓力大往壓力小的方向移動(dòng)，部份空氣不會(huì)規(guī)規(guī)矩矩往后移動(dòng)，而從旁邊往上翻，因而在兩端產(chǎn)生渦流，如圖3.2.5所示。圖3.2.5渦流產(chǎn)生示意圖3.2.1空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)從而產(chǎn)生阻力，這現(xiàn)象在飛行表演時(shí)，飛機(jī)翼端如有噴煙時(shí)可看得非常清楚，你可以注意渦流旋轉(zhuǎn)的方向。圖3.2.6渦流旋轉(zhuǎn)方向3.2.1空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)圖3.2.7NASA拍攝圖片3.2.1空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)寄生阻力：所有控制面的縫隙﹝如主翼后緣與副翼間﹞、主翼及尾翼與機(jī)身接合處、機(jī)身開孔處、機(jī)輪及輪架、拉桿等除本身的原有的阻力以外，另外衍生出來的阻力，如圖3.2.8所示。圖3.2.8寄生阻力示意圖3.2.1空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)3.機(jī)翼布局機(jī)翼的選擇對無人機(jī)有很大的影響。下面，簡單介紹下常見的幾種垂直起降的飛機(jī)機(jī)翼布局。（1）單主旋翼（SMR）：主旋翼轉(zhuǎn)矩會(huì)使機(jī)體向主旋翼旋轉(zhuǎn)方向相反的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，通常用一個(gè)較小的、產(chǎn)生側(cè)向推力的尾旋翼進(jìn)行平衡，這個(gè)尾旋翼將使主旋翼的功率需求增加10%。圖3.2.10單主旋翼無人機(jī)3.2.1空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)（2）共軸雙旋翼：該布局主要來自俄羅斯的Mil.制造商，其應(yīng)用范圍有限。圖3.2.11共軸雙旋翼無人機(jī)3.2.1空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)（3）四旋翼：近年來，四旋翼飛行器甚至是六旋翼飛行器均受高校及一些研究機(jī)構(gòu)的熱衷，市面上各種四旋翼無人機(jī)更是層出不窮。圖3.2.12四旋翼無人機(jī)3.2.2性能無人機(jī)最重要的兩個(gè)性能就是航程與航時(shí)。航程是指飛機(jī)在自身燃料消耗完前所能航行的最遠(yuǎn)路程，航時(shí)與之相對應(yīng)，是指飛機(jī)在燃料耗盡前維持在空中飛行的最長時(shí)間。在無人機(jī)領(lǐng)域，航程與航時(shí)均是其軟肋，因?yàn)檫@兩個(gè)性能除了與飛機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)、任務(wù)載荷重量等相關(guān)，最大的影響是其燃料的消耗。對于螺旋槳推進(jìn)式的無人機(jī)，其航程與航時(shí)由單位耗油率來決定，而噴氣式無人機(jī)，其性能由單位推力耗油率來決定。對于目前市面上較多的多旋翼飛行器來說，其性能主要由其電池的電量來決定。3.2.3穩(wěn)定性和控制無人機(jī)穩(wěn)定性是指在小擾動(dòng)下，物體保持當(dāng)前靜止或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的趨勢。一架無人機(jī)要維持飛行就必須是穩(wěn)定的。無人機(jī)穩(wěn)定性又分為靜穩(wěn)定性與動(dòng)穩(wěn)定性，靜穩(wěn)定性是指當(dāng)飛機(jī)遭受陣風(fēng)或其他力干擾后，作用在飛機(jī)上的推力、重力和空氣動(dòng)力等各種力的作用方向趨向于使機(jī)體回復(fù)其初始平衡位置。假如飛行器不是靜穩(wěn)定的，那么即使極微小的擾動(dòng)都會(huì)導(dǎo)致飛行器持續(xù)不斷地偏離其初始飛行狀態(tài)。雖然一架靜穩(wěn)定的飛機(jī)會(huì)在其受到擾動(dòng)后有回復(fù)其初始位置的“趨勢”，但是這種回復(fù)可能會(huì)過量，轉(zhuǎn)換方向，向相反方向運(yùn)動(dòng)，回來時(shí)再次過量，從而最終導(dǎo)致振動(dòng)破壞。如果這種振蕩被衰減并且最終消失，那么飛機(jī)就是動(dòng)穩(wěn)定的。3.2.3穩(wěn)定性和控制

1、水平起降無人機(jī)水平起降無人機(jī)的基本飛行參數(shù)包括：飛行方向、飛行速度、高度、爬升率。飛行方向或稱為飛行航向，是通過方向舵和副翼的偏轉(zhuǎn)進(jìn)行組合控制的，水平速度通過發(fā)動(dòng)機(jī)推力的調(diào)整和升降舵的偏轉(zhuǎn)來控制，給定高度下的發(fā)生率通過升降舵偏轉(zhuǎn)和發(fā)動(dòng)機(jī)推力變化的組合來設(shè)置。圖3.2.13水平起降飛機(jī)的氣動(dòng)控制舵面結(jié)構(gòu)布局圖3.2.3穩(wěn)定性和控制

1、水平起降無人機(jī)實(shí)際中，飛機(jī)在空中會(huì)受到各種氣流等外界因素的影響，如果無人機(jī)要保持穩(wěn)定的飛行，就需要一套自身的穩(wěn)定系統(tǒng)對無人機(jī)進(jìn)行控制。圖3.2.14水平起降飛機(jī)基本自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)3.2.3穩(wěn)定性和控制2、單主旋翼直升機(jī)單主旋翼（SMR）直升機(jī)的結(jié)構(gòu)布局適合于中小型直升機(jī)，而縱列式旋翼結(jié)構(gòu)布局更適合于大型直升機(jī)。因?yàn)橹行⌒椭鄙龣C(jī)的需求是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于大型直升機(jī)的，所以單主旋翼直升機(jī)的利用率會(huì)更高一些。圖3.2.16SMR直升機(jī)控制3.2.3穩(wěn)定性和控制2、單主旋翼直升機(jī)圖3.2.17SMR直升機(jī)自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)框圖3.2.3穩(wěn)定性和控制3、共軸旋翼直升機(jī)共軸旋翼直升機(jī)的旋翼系統(tǒng)具有對稱性，在平面對稱直升機(jī)中，該飛機(jī)就是完全對稱的。因此，共軸旋翼直升機(jī)比水平起降飛機(jī)的飛行控制系統(tǒng)要簡單。圖3.2.18平面對稱直升機(jī)控制3.2.3穩(wěn)定性和控制3、共軸旋翼直升機(jī)圖3.2.19共軸直升機(jī)自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)框圖3.2.3穩(wěn)定性和控制4、可轉(zhuǎn)換式旋翼飛機(jī)可轉(zhuǎn)換式旋翼飛機(jī)有兩種主要類型：傾轉(zhuǎn)旋翼和傾轉(zhuǎn)機(jī)翼飛機(jī)，它們的控制手段是相似的。圖3.2.20傾轉(zhuǎn)旋翼飛機(jī)控制3.2.3穩(wěn)定性和控制4、可轉(zhuǎn)換式旋翼飛機(jī)電子控制系統(tǒng)采用了一種稱作反饋或閉環(huán)的工作方式。圖3.2.22閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)3.2.4發(fā)動(dòng)機(jī)飛機(jī)能夠飛行在空中，主要是由旋翼或風(fēng)扇產(chǎn)生的升力，或稱為“動(dòng)力升力”，也可以認(rèn)為是向上的推力，而當(dāng)今無人機(jī)的推進(jìn)系統(tǒng)主要是由發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)成。常用的發(fā)動(dòng)機(jī)類型有以下幾種：四沖程和二沖程往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)、轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)鉁u輪機(jī)以及電動(dòng)機(jī)。四沖程內(nèi)燃機(jī)因?yàn)閺V泛應(yīng)用于汽車，所以是最為人們熟知的。四沖程內(nèi)燃機(jī)主要由四個(gè)過程組成。在吸氣沖程，當(dāng)活塞從上止點(diǎn)向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，一定容積的空氣/燃料混合氣被噴射或吸入到氣缸空腔內(nèi)，然后在壓縮沖程活塞向上運(yùn)動(dòng)并壓縮混合氣。恰好當(dāng)活塞達(dá)到上止點(diǎn)之前，火花塞點(diǎn)燃經(jīng)壓縮的混合氣并產(chǎn)生額外附加壓力，把活塞推回到下止點(diǎn)，這就是燃燒做功沖程。經(jīng)過曲軸，直線運(yùn)動(dòng)被轉(zhuǎn)換成扭矩。在排氣沖程，活塞再次向上運(yùn)動(dòng)把燃燒殘留物排除汽缸。進(jìn)、排氣氣門在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間打開或關(guān)閉，確保油汽混合氣的吸入和燃燒殘留物的排出。3.2.4發(fā)動(dòng)機(jī)二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的部分工作過程與四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)相同。當(dāng)活塞向上止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，油汽混合氣就被吸入曲軸箱，與此同時(shí)，在活塞的另一側(cè)，前一個(gè)循環(huán)產(chǎn)生的燃燒殘留物也正在被推出排氣門。當(dāng)活塞向上止點(diǎn)前進(jìn)足夠距離后，進(jìn)氣門和排氣門都被關(guān)閉，活塞再向前運(yùn)動(dòng)就會(huì)壓縮新鮮的油氣混合氣。之后，就與四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程相同了。圖3.2.23二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程3.2.4發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理簡單來說，是以一個(gè)三邊形幾何形狀在具有雙凸線形的釘子內(nèi)旋轉(zhuǎn)為基礎(chǔ)的。轉(zhuǎn)子在這種外形的定子內(nèi)旋轉(zhuǎn)可使其三個(gè)頂點(diǎn)始終與定子保持接觸。定子內(nèi)腔曲線是外擺線，即一個(gè)圓形在另一個(gè)固定圓周的外側(cè)滾動(dòng)時(shí)，其半徑上的一點(diǎn)走過的軌跡。轉(zhuǎn)子的每一個(gè)側(cè)面都會(huì)完成與四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)相同的四個(gè)沖程：吸氣、壓縮、燃燒和排氣。每個(gè)面的工作循環(huán)都在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周內(nèi)完成，因此可以把單轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)看做是三缸發(fā)動(dòng)機(jī)。轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)沒有往復(fù)式運(yùn)動(dòng)，因此振動(dòng)也會(huì)非常小。轉(zhuǎn)子的一端通常加裝一個(gè)與轉(zhuǎn)子中心同軸的內(nèi)齒輪，該內(nèi)齒輪繞一個(gè)更小的傳動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，小齒輪安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)殼體的側(cè)蓋上。圖3.2.23轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程3.2.4發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鉁u輪機(jī)是所有發(fā)動(dòng)機(jī)中最可靠的，主要是因?yàn)槠浞€(wěn)定的燃燒循環(huán)特性及純旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而且燃?xì)鉁u輪機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)最小。燃?xì)鉁u輪機(jī)能夠產(chǎn)生直接推力或通過齒輪驅(qū)動(dòng)旋翼或螺旋槳，其結(jié)構(gòu)圖如圖3.2.24所示。圖3.2.24燃?xì)鉁u輪機(jī)結(jié)構(gòu)圖3.2.4發(fā)動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)隨著近幾年微型無人機(jī)及小型無人機(jī)的發(fā)展備受人們關(guān)注。電調(diào)如果按大類來分，可分為有刷動(dòng)力和無刷動(dòng)力。即有刷電調(diào)搭配有刷電機(jī)，以及無刷電調(diào)搭配無刷電機(jī)。圖3.2.25有刷電機(jī)構(gòu)造3.2.4發(fā)動(dòng)機(jī)無刷電機(jī)：既然有刷有以上的弊端，于是無刷便應(yīng)運(yùn)而生。無刷是把線圈繞在定子上，然后把磁鐵做成轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)動(dòng)的是磁鐵，而不是線圈，因此就沒有了碳刷這個(gè)消耗品。圖3.2.27無刷電機(jī)基本原理圖3.2.4發(fā)動(dòng)機(jī)有刷電調(diào)就是用來控制有刷電機(jī)轉(zhuǎn)速的設(shè)備了。有刷電調(diào)往往只有4根線，2根是輸入電源端，接到正負(fù)極。另外2根則是控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的輸出端，接到電機(jī)的2個(gè)電極上。通過改變電流/電壓以及傳導(dǎo)方向就可以實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)速以及正反的控制。圖3.2.28好盈酷跑60A防水型有刷電調(diào)3.2.4發(fā)動(dòng)機(jī)無刷電調(diào)，和有刷一樣道理，無刷電機(jī)需要工作，就必然需要一個(gè)無刷電調(diào)。無刷電調(diào)輸入端一樣是2根線，正負(fù)極電源。但是無刷電調(diào)輸出則需要3根線。原理上就是靠3根線不停地改變磁場以驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。圖3.2.29好盈頂級V3.1版120A電調(diào)3.2.5結(jié)構(gòu)和材料對于無人機(jī)來說，其機(jī)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和耐久性并不是大問題，但隨著無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展，越來越傾向于更輕質(zhì)、更廉價(jià)的材料和更簡單的制造技術(shù)，所以此時(shí)就需要考慮無人機(jī)的結(jié)構(gòu)及材料。無人機(jī)的結(jié)構(gòu)確定則需要考慮使其結(jié)構(gòu)彎曲、剪切和扭轉(zhuǎn)的各種力。這些力一般由彈射力、氣動(dòng)壓力、慣性力、機(jī)動(dòng)動(dòng)作以及推進(jìn)系統(tǒng)產(chǎn)生，其大小可由受力分析圖平衡各個(gè)分量而確