多旋翼无人机技术基础课件2.pptx

多旋翼无人机技术基础（2） 符长青博士 多旋翼无人机的飞行原理 1．竹蜻蜓的飞行原理 2．多旋翼无人机的飞行原理 单旋翼直升机的操纵系统 多旋翼无人机的飞行控制方式 （1）垂直运动 （2）俯仰运动 （3）滚转运动 （4）偏航运动 （5）前后运动 （6）侧向运动 四旋翼无人机飞行控制的特点 由于在控制四旋翼无人机飞行时，只能通过控制4个旋翼的升力来改变它6个飞行姿态，所以四旋翼无人机是一个4输入6输出的欠驱动系统。欠驱动系统是指系统的独立控制变量个数小于系统自由度个数的一类非线性系统，在节约能量、降低造价、减轻重量、增强系统灵活度等方面都比完整驱动系统优越。欠驱动系统结构简单，便于进行整体的动力学分析和试验，同时由于系统的高度非线性、参数摄动、多目标控制要求及控制量受限等原因，欠驱动系统又足够复杂。当驱动器故障时，可能使完整驱动系统变成欠驱动系统，欠驱动控制算法可以起到容错控制的作用。 多旋翼无人机飞行安全保障措施 （1）安装感知与避让系统 （2）加装GPS模块 （3）在飞行程序中设置飞行高度限制 （4）在飞行程序中设置一键起飞降落、自 动避障及自动返航功能。 （5）自动控制器应具备限制多旋翼飞行器 飞行中发生过分倾斜的功能。 油动多旋翼无人机的特点 油动多旋翼无人机通常采用涡轮轴发动机或活塞式发动机作为动力装置，旋翼转速取决于发动机主轴转速。发动机转速有一个最有利的值，在这个转速附近工作时，发动机效率高，寿命长。因此油动多旋翼无人机在飞行中发动机转速基本上是不变的，旋翼升力的改变主要靠调节桨叶总距来实现。 由于桨距变化将引起阻力力矩变化，所以，在调节旋翼桨距的同时还要调节发动机油门，保持转速尽量靠近最有利转速工作。虽然油动多旋翼无人机旋翼桨距是可变的，但它只进行总矩操控，没有周期变距，取消了无人直升机旋翼操纵系统中结构复杂的自动斜倾器及液压系统，从而大大简化了总体结构，提高了飞行可靠性和稳定性。 电动多旋翼无人机的特点 电动多旋翼无人机的旋翼系统采取定矩变速调节升力方案，能克服无人直升机旋翼桨毂及其操纵系统结构过于复杂的缺点，从而具有结构简单、重量轻、故障率低、维护简便等许多优点，其缺点是旋翼直径小、载重小、续航时间短、电池消耗大等。 油动与电动多旋翼无人机的比较 油动多旋翼无人机与电动多旋翼无人机都是目前市场上广泛受到青睐的两种多旋翼无人机类型，针对不同的用途和使用环境，它们都大有用武之地。从性能和特点上对比分析，两者各有千秋。 （1）续航能力 （2）旋翼尺寸 （3）载重能力 （4）操控性 （5）安全性 （6）抗风能力 （7）价格和成本 （8）载客特性 多旋翼无人机与单旋翼无人直升机比较 从1939年至今，几十年来单旋翼直升机一直占据着旋翼飞行器家族的“霸主”地位，世界上90%以上的直升机都是单旋翼直升机。将多旋翼与单旋翼两种无人直升机进行比较，多旋翼无人机所具有优点有： （1）飞行效率高 （2）飞行控制方式独特 （3）结构简单 （4）操控性好 （5）可靠性高 （6）安全性好 （7）维护性好 （8）耦合特性 翼型的定义 多旋翼无人机旋翼的桨叶剖面称之为翼型。翼型是所有依靠空气动力飞行的飞行器（如飞机、直升机）能够在天空飞翔的关键因素，对飞行器的性能影响很大。翼型设计是空气动力学研究的一项重要内容，翼型的发展过程就是人类在空气动力学领域不断进步的写照，是人类从实现早期的飞天梦想，到追求更快、更高飞行理想的理论基础。对于不同类型的飞行器和不同的飞行速度，所要求的翼型形状是不同的， 翼型的几何参数 （1）弦长 （2）弯度 ① 相对弯度 ② 最大弯度位置 （3）厚度 ① 相对厚度 ② 最大厚度 （4）前缘、后缘 （5）前缘半径 （6）后缘角 翼型表面的压力分布 由伯努利方程表明，较高的速度产生较低的压力，翼型的上表面流速高而下表面流速低，因而旋翼桨叶上下表面的总压差产生净升力，这是旋翼升力的来源。图2－8所示的是翼型上下表面典型的压力分布，注意上表面产生的压力约是总升力的2/3，因此上表面比下表面更重要。 翼型的主要类型（1） 翼