一文了解无人机飞行原理

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【一、无人机的基本结构】

[ 1、固定翼飞机主要组成部分 ——小型固定翼无人机的主要部件]

• 机体 无人机的主要组成部分

• 机身

• 机翼

• 尾翼

• 起落装置

• 动力装置

[2、机翼平面形状]

• 机翼的俯视投影形状

• 机翼的展弦比

• 机翼的梢根比

• 翼梢弦长与机翼根处弦长比

• 机翼的后掠角

• 上反角

• 机翼扭转

• 机翼的安装角

【二、大气】

[ 1、大气的成分和分层]

• 对流层

• 大多数天气现象，如云、风暴和温度变化都发生在大气的这一层中。

• 气温的变化大约是每上升1000m气温下降6.5℃。

• 这一层的特点会给无人机的飞行带来很大的影响

1. 例如空气的水平方向对流，会使无人机的飞行方向和距离发生变化

2. 空气的上下对流会使无人机发生颠簸，给无人机操作带来困难

• 平流层

• 几乎不存在水蒸气，所以没有云、雨、雾、雪等天气现象。

• 只有水平方向的风，没有空气的上下对流。

• 中间层

• 有水平方向的风，且风速相当大。

• 电高层

• 含有大量的离子，空气具有很强的导电性；

• 从100km起，气温开始增加，可增加到很高的温度，如在200km处，气温可达400℃

• 空气稀薄，传热慢

• 散逸层

• 常含有一些气体向星际空间散逸

[2、大气的压强]

• 大气的压强（气压）

• 指物体单位面积上所承受的空气的垂直作用力

• 静止大气中每一处的气压都与该处大气柱的质量相平衡

• 因此，从数量上来说，在静止的空气中，所谓大气压力也就是物体的单位面积上所承受的大气柱的质量

• 在低空，大气压强比较大，随着高度增加，分子数目减少，温度也降低，大气的压强也逐渐减少

• 一个大气压

• 在海平面温度15℃时，标准大气压强每平方厘米1.034千克

• 相当于760毫米汞柱（1毫米汞柱=.33.322帕，1个大气压约为1013.2帕）向下压强

• 特性

• 气体流动时，在流动的方向所有的空气分子会有较大的冲击作用，压强也就加大。

• 这种由于气流流动而形成的压强成为压强。

• 静压强

• 作用在平行于气流方向的物体表面上的压强

• 伯努利定律

• 气体流动时，速度愈大而同时静压强愈小

• 速度愈小动压强愈小而静压强愈大

• 气体不动时，静压强便最大。

• 对无人机的影响

• 在特定地点和时间的实际气压由于高度、空气的温度和密度不同而不同

• 会影响航空器的性能，特别是起飞、爬升和着陆。

• 气压一般是用水银气压表来测量，用毫米汞柱来表示

• 无人机上大多使用膜盒气压表作为气压测量工具

[3、空气密度]

• 质量

• 物体内所含有的物质和数量

• 质量是不随地区、气候不同而起变化

• 重量

• 物体收到地球的吸引而由我们感受到或者量度到的力量

• 同样的物体，质量没有改变，但在地球各处不同的地方重量可能不同。

• 空气密度

• 是单位体积空气的质量

• 在不同地区气压不同时，空气密度也不同

• 空气密度

• 单位体积空气的质量

• 在海平面温度15度，压强760毫米汞柱下，空气的密度为1.226千克/m³

• 高度、温度的变化，空气密度也会变化，在变化量较大时，将对无人机性能产生相应的影响。

[4、空气的黏性]

• 黏性摩擦力

• 空气也是有黏性的

• 空气的黏度为0.000178帕·秒（当温度为15℃时）

• 虽然空气黏度很小，但对于无人机来说关系很大

• 边界层

• 空气的黏性作用只是明显地表现在物体表面薄薄的一层空气内

• 层流边界层

• 气流在流过物体时，物体前端表面形成的边界层比较薄

[5、国际标准大气和非标准大气]

• 国际标准大气ISA

• 人为地规定大气温度、密度、气压等随高度变化的关系，得出统一的数据，作为计算和实验飞机的统一标准，以便比较。

【三、空气动力】

[1、气流特性]

• 空气动力

• 物体在空气中运动，或者空气在物体表面流过，空气都会对物体产生作用力

• 这种作用力被称为空气动力

• 气流、相对气流和流线谱

• 只要空气与物体之间有相对运动，也就是只要空气对于物体存在相对流动，就会产生空气动力。

• 流线

1. 空气微团流动的路线

• 流线谱

1. 由许多流线组成的流动图形

• 流管

1. 流线组成的管子

• 流线谱特性

1. 物体的形状不同，空气流过物体的流线谱就不同

2. 即使物体的形状相同，只要空气流向物体的相对关系位置不同，流线谱不同

3. 凡是空气流向物体受到阻挡时，流管就要扩张变粗，凡是空气流过物体外凸地方时，流管就要收缩变细

4. 空气流过物体时，在物体的后部都要形成一定的涡流区

• 连续性定理

• 流体的连续性定理

1. 当物体连续不断而稳定流过一个粗细不等的管子时，由于管中任何一部分的流体都不能中断或挤压出来，因此在同一时间内，流进任意切面的流体质量和从另一切面流出的物体质量应该相等

2. 连续性定理的数学表达式——连续性方程

• 空气稳定在一个管中流动时

1. 在管道粗的地方必然流的慢

2. 在管道细的地方必然流的快

• 伯努利定律

• 在稳定的气流中，在同一流管的各切面上，空气的静压和动压之和保持不变

1. 这个不变的数值，就是全压

2. 由此可见，动压大，则静压小；动压小，则静压大

3. 即流速大，压力小；流速小，压力大

• 牛顿的三大定律

• 牛顿第一定律（惯性定律）

• 定义

1. 在不受任何外力或所受外力之和为零的状态下，物体总是保持匀速直线运动状态或静止状态

• 理解

1. 任何物体都保持静止或匀速直线运动的状态，直到受到其他物体的作用迫使它改变这种状态为止

2. 物体都有维持静止和作匀速直线运动的趋势，因此物体的运动状态是有它的运动速度决定的

没有外力，它的运动状态是不会改变的，物体的这种性质称为惯性

• 牛顿第二定律

• 物体受到合外力的作用会产生加速度，加速度的方向和外力的方向相同，加速度的大小正比于合外力的大小，与物体的惯性质量成反比

• 最常见的形式：F=ma

• 牛顿第三定律

• 两个物体之间的作用力和反作用力在同一直线上，大小相等方向相反

• 升力及升力系数曲线

• 升力的产生

• 升力公式

• L=½pV²SCL

1. L——升力，牛

2. p——空气密度，在海平面及标准大气条件下可用1.226㎏/m³

3. V——无人机与气流相对速度，m/s

4. S——机翼面积，㎡

5. CL——机翼升力系数

• 升力系数曲线

• 迎角

• 迎角是相对气流速度（v）与翼弦所成的角度

• 气动中心（焦点）

• 在任意迎角下，翼型绕某一特定点的俯仰力矩保持不变，该点称为气动中心

• 也可以说，气动中心是机翼上俯仰力矩系数保持为常量的点

• 升力和阻力都作用在气动中心上，是气动增量的作用点

• 压力中心

• 是翼型上下表面作用在气动中心上，是气动力增量的作用点

• 可以认为是机翼的受力点

• 压力中心的位置要注意三个问题

1. 压力中心的位置和速度无关

2. 压力中心的位置和翼型无关

3. 压力中心的位置通常和迎角有关（对称型例外）

• 雷诺数

• 在考虑层流边界是否会变成湍流时，这些有关的因素都要估计在内，所以我们将因素都乘起来，然后根据乘积来决定边界层到底会不会变

• Re=u/pVb

• 阻力

• 摩擦阻力

• 空气的物理特性之一是黏性，当空气流过飞机表面时，由于黏性，空气与无人机表面发生摩擦，产生一个阻止无人机前进的力，这个力就是摩擦阻力

• 是在“附面层”（或叫边界层）内产生的

1. 附面层就是指空气流过无人机时，贴近无人机表面、气流速度由层外主流速度逐渐降低为零那一层空气流动层

• 压差阻力

• 诱导阻力

• 由于产生升力而诱导出来的附加阻力称为诱导阻力

1. 可以说诱导阻力是为产生升力而付出的一种“代价”

• 干扰阻力

• 就是无人机各部分之间因气流相互干扰而产生的一种额外的阻力

• 阻力公式

• D=CD½pV2S

1. D——阻力，牛

2. p——空气密度，㎏/m³

3. V——飞行速度，m/s

4. S——机翼面积

5. CD为阻力系数

1. 阻力系数是没有单位的系数，其数值通过实验测定获得的

2. 分别代表迎角、机翼形状和无人机表面质量等因素对阻力的综合影响，阻力系数主要由迎角的大小来确定

• 升阻比

• 升阻比大，说明在确定同一升力的情况下，阻力比较小

• 升阻比越大，无人机的空气动力性能越好，对飞行越有利

【四、无人机的安全性和操作性】

[ 1、无人机的重心和三轴]

• 无人机的平动和转动

• 平动

• 物体（刚体）在运动中，物体内部任何一条给定的直线方向始终保持不变，这种运动则称为平动

• 注意

1. 不一定是水平运动

2. 也不能误认为平动必须是直线运动

• 转动

• 物体进行转动时，它的整体不发生位移，物体上各点绕固定轴旋转一周后又回到原来位置，各点运动的方向和速度（线速度）一般都不同

• 复合运动

• 无人机的重心

• 无人机的坐标轴

• 机体纵轴

• 通过无人机重心，位于无人机对称面内

• 滚转 无人机绕机体纵轴转动

• 机体立轴

• 通过无人机重心，位于无人机对称面内，并与纵轴垂直

• 偏转 绕机体立轴转动

• 机体横轴

• 通过无人机重心，并与纵轴和立轴垂直

• 俯仰转动 绕机体横轴转动

• 无人机绕各轴的力矩

• 滚轴力矩、偏转力矩和俯仰力矩

• 无人机绕各轴的转动角速度分别称为滚转角速度、偏转角速度、俯仰角速度

[2、无人机的平衡]

• 是指作用在无人机各力之和为零各力对重心所构成的各力矩之和也为零

• 作用力平衡

• 力矩平衡

• 无人机的俯仰平衡

• 机翼力矩——机翼升力对无人机重心所构成的俯仰力矩，翼力矩的大小最终只取决于无人机重心位置的前后和迎角大小

• 水平尾翼力矩

• 拉力（或推力）力矩

• 无人机的横侧平衡

• 作用于无人机的各滚转力矩之和为零，无人机取得横侧平衡后，不绕纵轴滚转，坡度不变或没有坡度

[3、无人机的安定性]

• 纵向安定性

• 如果一架无人机对机体横州具有俯仰安定性，或称纵向安定性，那么由于颠簸、阵风而产生的力并导致俯仰运动在上述扰动消失后，无人机都一定能够回到原来的俯仰平衡状态

• 俯仰安定力矩

• 俯仰阻转力矩

• 俯仰阻转力矩主要由水平尾翼产生

• 横向安定性

• 无人机在滚转后能够自动恢复到机翼水平状态的特性

• 横侧安定力矩

• 当无人机由于颠簸和阵风而偶然发生滚转时，几乎是伴随着侧滑

• 侧滑是相对气流方向与无人机对称面不一致的飞行状态

• 横侧阻力力矩

• 主要由机翼产生

• 方向安定性

• 无人机受扰动以致方向平衡遭到破坏，而在扰动消失后，无人机自动恢复原来方向平衡状态的特性，叫做方向的安定性

• 方向的安定性就是围绕机体立轴（偏航轴）的安定性，主要由尾翼的垂直安定面提供

• 方向安定力矩 是让无人机总是与来流方向一致

• 方向阻转力矩 主要垂直尾翼产生

• 无人机纵向稳定性的调整

• 无人驾驶航空器的稳定性，比较难判断和难调整的是俯仰稳定性

• 飞机一旦存在纵向不安定现象，无法用遥控器的微调来平衡飞机

• 对于俯仰稳定性有很大的影响

• 无人驾驶航空器各部分的重量分布，特别是沿机身（纵轴）方向的分布

• 重量纵向分布的作用通常用飞机对横轴的转动惯量来表示

• 此机身很长，且机头、机尾很重的飞机，纵向动稳定性不会好，飞机的重量愈是集中在重心附近，动稳定性愈好

• 对于一家已经定型使用的飞机来讲，提高飞机的俯仰安定性，主要方法是迁移重心

[4、飞机的操纵性]

• 飞机的俯仰操作性

• 指操作偏转升降舵之后，飞机绕横轴转动而改变其迎角等飞行状态的特性

• 直线飞行中改变迎角的基本原理

• 俯仰操纵力矩=俯仰安定力矩

• 在直线飞行中，操纵杆前后的每一个位置都对应着一个迎角或者飞行速度

• 曲线飞行中改变迎角的基本原理

• 俯仰操纵力矩=俯仰安定力矩+俯仰阻力矩

• 飞机的方向操纵性

• 飞行员操纵方向舵以后飞机绕立轴偏转而改变侧滑角等飞行状态

• 方向操纵力矩=方向安定力矩

• 对方向操纵而言，在直线飞行中，每一个操纵杆位，对应一个侧滑角

• 飞机的横侧操纵性

• 飞行员操纵副翼后，飞机绕纵轴滚转而改变其滚转角速度、坡度等飞行状态的特性

• 横侧操纵力矩=横侧阻转力矩

• 在横侧操纵中，驾操纵杆左右活动每一个位置，都对应着一个滚转角速度

• 对俯仰操纵而言，杆位对应的是迎角

• 对方向操纵而言，舵位对应的是侧滑角

[ 5、飞行动作分析]

• 平飞

• 平飞也叫平直飞行

• 平飞的条件

• 首先是飞机上的力矩要互相平衡，才能使飞机不发生绕中心的转动

• 要保持飞机平飞，条件是升力（Y）等于重力G，拉力（P）等于阻力（X）

• 平飞速度

• 只需注意升力系数和平飞速度的关系

• 平飞距离

• 要增大飞行距离只有从两个方面着手

1. 第一，尽量减少飞行重量

2. 第二，增大升阻比

• 争取最长留空时间

• 途径

1. 第一，提高能量的利用率，如提高发动机、螺旋桨效率

2. 第二减小飞机平飞需要功率

1. 减少飞行重量

2. 减小阻力、增大升力以提高功率因数值

• 爬升

• 稳定爬升的条件

• 爬升需用速度

• 爬升率：爬升率是单位时间爬升的高度，也叫爬升垂直速度

• 转弯、盘旋

• 水平盘旋

• 飞机在同一水平面上工作等速度、等半径的圆周飞行叫水平盘旋

• 盘旋是一种曲线运动，始终在加速度

• 在盘旋时必须有一个倾斜角β

• 盘旋中的侧滑现象

• 正确的盘旋需要副翼和方向舵协同配合，形成坡度的同时，向转弯方向打方向舵

• 急转弯过负荷

• 侧滑

• 飞机的对称面和相对气流方向不一致的飞行叫侧滑

• 侧滑产生的原因

• 飞机的对称面偏高飞行轨迹

• 飞行轨迹偏离飞机的对称面

• 侧滑引起的力和力矩的变化

• 失速

• 临界迎角

• 无人驾驶航空器的翼型可分别3种类型

• 厚翼型（圆前缘最大厚度大于14%）

• 较薄的翼型

• 非常薄的翼型

• 实践证明，操纵失误是无人驾驶航空器飞行事故的主要因素，而且，因操纵失误造成的坠机事故，发生在起飞阶段的远比其他阶段要多，最根本的原因就是失速坠地

• 螺旋

• 飞机失速后，可能产生一种急剧滚转和偏转的运动，伴随着滚转和偏转，机头向下，同时飞机围绕空中某一垂直轴，沿半径很小个限陡的螺旋线急剧下降，这种运动现象称为螺旋

• 螺旋和急转弯俯冲（急盘旋下降）的实质区别在于机翼迎角大不相同

• 急转弯俯冲时是小迎角

• 螺旋时迎角则超过了临界迎角，是飞机失速后的特殊飞行状态

• 完整的螺旋操纵有三个阶段

【 五、螺旋桨基本原理】

[1、螺旋桨一般介绍]

• 螺旋桨有关名词术语

• 右旋螺旋桨和左旋螺旋桨

• 现在飞机后面朝机头方向来观察螺旋桨旋转，如果看到螺旋桨是顺时针方向旋转，这种螺旋桨称为右旋螺旋桨

1. 大多数轻小型固定翼无人驾驶航空器配置的活塞式发动机都采用右旋翼螺旋桨

• 反之称为左旋翼螺旋桨

• 螺旋桨的旋转面

• 螺旋桨旋转时，通过螺旋桨上的一点并且垂直于旋转轴的一个假想的平面

• 螺旋桨的直径D

• 螺旋桨两个桨尖之间的距离，也就是螺旋桨旋转时最大旋转面的直径

• 桨叶角

• 桨叶剖面的弦线与旋转平面之间的夹角称为桨叶角

• 愈靠近旋转轴，剖面的桨叶角愈大

• 愈接近桨尖，剖面的桨叶角愈小

• 从桨尖到桨根，桨叶角的扭转程度是逐渐增大的

• 旋转速度U

• 前进速度V

• 合速度W

• 桨叶迎角α

• 气流角θ

• 几何螺旋H₀

• 实际螺旋Hₐ

• 螺旋桨拉力的产生

• 螺旋桨的有效功率和效率

• 螺旋桨的效率高不高主要是看桨叶各剖面工作时的迎角合适不合适

• 影响螺旋桨拉力和旋转阻力的因素

• 有桨叶迎角、桨叶切面合速度、空气密度、螺旋桨直径、桨叶数目、桨叶切面形状及维护使用情况等

[2、螺旋桨的桨叶角与几何螺距]

[3、螺旋桨几何尺寸和翼型]

• 螺旋桨直径

• 螺旋桨直径D大小对螺旋桨的空气动力特性有很大的影响，在相同的转速下，直径愈大，拉力也愈大，但需用功率也愈大，随着飞行速度、发动机功率和转速的不同，螺旋桨的最佳直径也不同，过大或者过小都不适宜

• 螺旋桨桨叶宽度

• 桨叶剖面的翼型

[4、 螺旋桨的副作用]

• 螺旋桨的进动

• 螺旋桨的反作用力矩 飞行中，螺旋桨反作用力矩的大小主要随油门位置而变化，油门位置越大，反作用力矩越大

• 螺旋桨滑流的扭转作用，螺旋桨转动时，桨叶拨动空气

• 一方面使之向后加速流动

• 另一方面又使之顺着螺旋桨的旋转方向扭转流动

• 螺旋桨的不对称拉力

【六、多旋翼无人机介绍】

[ 1、多旋翼飞行器总览]

[2、四旋翼飞行器结构和原理]

• 结构形式

• 工作原理

• 欠驱动系统，旋翼无人机是一种六自由度的垂直升降机，但只有四个输入力，同时却有六个状态输出

• 垂直运动

• 俯仰运动

• 滚转运动

• 偏航运动

• 前后运动

• 侧向运动

[3、四旋翼无人飞行器的机架]

• 目前多采用“十”字模式的结构

• 十

• X

• H

• 按材质分

• 塑胶机架

• 玻璃纤维机架

• 碳纤维机架

• 金属机架

[ 4、飞行控制器（飞控）]

• 硬件

• 主控制模板

• 信号调理

• 接口模块

• 数据采集模块

• 舵机驱动模块

• 软件设计

• 逻辑电路芯片EPLD译码电路的程序设计

• 飞控系统的应用程序设计

• 软件功能

• 时同管理模块

• 数据采集与处理模块

• 通信模块

• 控制率解算模块

• 飞控是四旋翼飞行器的核心部件，飞控的性能直接决定了无人机的功能

[5、电调、电机、螺旋桨]

• 电调

• 电调的全称是电子调速器，是连接飞控与电机的部件，不同的电机，电调可以分为

• 有刷电调

• 无刷电调

• 电机

• 螺旋桨

[6、电池]

[7、遥控器]

[ 8、旋翼飞行器的调试]

• 无桨调试

• 条件

• 新出厂或组装首次投入飞行的

• 进行结构调整、更换重要零部件的

• 停放时间较长的

• 严重损伤后经过修复的旋翼无人机

• 基本目的和要求

• 进行通电调试，检查飞控、电调和电机检查飞控、电调和电机是否可以正常通电

• 进行通控器与无人机的连按，检查和调整各控制通道的工作状态

• 确认各个通道可有效控制飞机，检查各个电机的工作状态，确保转动方向和工作方式正确无误

• 基本步骤

• 连接线路

• 发射机（遥控器）检查

• 接通电源，匹配接收机

• 无桨调试的重点检查项目

• 有桨调试

• 操作要求

• 选择具备测试条件的飞行场地

• 安装桨叶时，飞控和电调必须断电

• 确认桨叶完好无损

• 正桨和反桨对应不同的电机安装，不得装反

• 桨叶安装必须牢固，防止发生“射桨”事故

• 确认电机型号与桨叶匹配

• 确认发射机（遥控器）中点和油门行程已校正

• 确认发射机（遥控器）电池电量充足

• 确认调试飞机周围2米以内无人员和障碍物

• 必要时，采用系留装置，限制飞机飞行范围

• 测试项目

• 油门测试

1. 推动油门使飞机平稳离地，上升至一定高度后拉油门操纵飞机缓慢下降，在一定高度悬停

• 偏航测试

1. 左右按动操纵杆，使飞行器原地转动，然后在前行偏航操作，使飞行器转弯

• 俯仰测试

1. 机头指向朝前时，前后推动操纵杆，向前飞机下俯（前进），向后拉则飞机上仰

• 滚转测试

1. 操纵原理与俯仰相似，左右摆动操纵杆，飞机即向左右滚转或向左右改变运动方向

[ 9、基本操作要求和日常维护]

• 加强练习，提高飞行技术

• 旋翼无人驾驶航空器的基本操作练习一般包括以下内容：起飞、悬停、降落、旋转、平移航线飞行等

• 通过练习

• 飞手应当能平稳操纵飞机起飞和降落，稳定保持平飞的方向和高度，转动灵活，旋转速度均匀一致，各种状态飞行动作，姿态平稳，纵向和横向无明显期摆

• 认真检查，不带故障上天

• 重点

• 飞行器整体目视检查

• 遥控器检查

• 地面站检查

• 环境与飞行场地检查

1. 场地和净空条件符合起降要求

2. 飞行空间内无危险障碍物

3. 尽量避开无线电干扰源

4. 选择和布置工作区、地面站和起降点，设置警戒线警戒点

5. 目测天气状况，排除在飞行时间内出现危险天气的可能性，测定风向风速，确定起降方向

• 精心维护，提高飞机完好率

• 电池使用维护

• 机载电子设备一般都不支持热插拔，在连接和断开设备时，必须先断开电源

• 碰撞和震动防护

• 妥善存放保管

• 完成飞行后的当日，应对飞机进行全面检查，确保状态完好

• 定期对飞机进行清洁，特别是在恶劣的环境中使用过的飞机，应按照“先整体，后分解，先外部，后内部”的顺序，仔细进行清洁模式

1. 清洁重点是电机、飞控、电调、电台等电子、电器设备，以及飞行器的连接和固定件

• 日常修理维护