旋翼无人机教学讲义省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

旋翼无人机第1页一.伯努利定律二.旋翼无人机分类及主流布局形式三.单旋翼带尾桨式无人直升机四.共轴无人直升机五.多轴无人旋翼机六.旋翼组成与结构七.直升机运动第2页一.伯努利定律1.定义2.压力与速度（压力和速度成反比）3.伯努利定律方程第3页一.伯努利定律定义：当气流遇上任何物体，在一个流体系统，比如气流、水流中，流速越快，流体产生压力就越小，这就是被称为“流体力学之父”丹尼尔伯努利1738年发觉“伯努利定律第4页这个压力产生力量是巨大，空气能够托起沉重飞机，就是利用了伯努利定律。飞机机翼上表面是流畅曲面，下表面则是平面。这么，机翼上表面气流速度就大于下表面气流速度，所以机翼下方气流产生压力就大于上方气流压力，飞机就被这巨大压力差“托住”了。当然了，这个压力到底有多大，一个高深流体力学公式“伯努利方程”会去计算它。第5页伯努利方程v=流动速度g=地心加速度(地球)h=流体处于高度(从某参考点计)p=流体所受压强=流体密度第6页二.旋翼无人机分类及主流布局形式1.旋翼分类a.按起飞重量b.按结构形式第7页1.旋翼分类a.按起飞重量分类（1）微型空机质量7kg（2）轻型7Kg空机质量116kg（3）小型116kg空机质量5700kg（4）大型空机质量5700kg第8页b.按结构形式分类：旋翼航空器是一个重于空气重于空气航空器，其在空中飞行升力由一个或多个旋翼与空气进行相对运动反作用取得，与固定翼航空器为相正确关系。当代旋翼无人机主要包含当代旋翼无人机主要包含单旋翼带尾桨单旋翼带尾桨无人直升机、无人直升机、共轴共轴无人直升机以及进年来发展多轴无人飞行器。无人直升机以及进年来发展多轴无人飞行器。第9页一.单旋翼带尾桨式无人直升机1.认识2.尾桨作用3.单旋翼带尾桨式无人直升机优缺点4.旋翼布局和工作参数选择（1）旋翼旋转方向（2）从气动特征来差异5.尾桨形式与布局（1）尾桨安装位置与旋转方向（2）推式尾桨与拉式尾桨第10页1.单旋翼带尾桨式无人直升机，它装有一个旋翼和一个尾桨。2.旋翼反作用力矩，由尾桨拉力相对于直升机重心所组成偏转力矩来平衡。第11页3.单旋翼带尾桨直升机优缺点：优点：结构简单，操纵灵便缺点：尾桨及其传动系统重量较大，桨叶叶片少、转速快、噪音大，维持其转动需消耗710%动力，尾桨暴露在外，增加空气阻力，危及作业安全，大多数直升机事故是因为尾桨桨叶与作业人员、树木、建筑物、电杆或输电线相碰引发第12页4.旋翼布局和工作参数选择（1）旋翼旋转方向主旋翼当然也能够顺时针旋转，顺时针还是逆时针，二者之间没有优劣之分。有意思是，美、英、德、意、日直升机主旋翼都是逆时针旋转，法、俄、中、印、波兰直升机都是顺时针旋转，英、德、意、日直升机工业都是从美国引进许可证开始，和美国采取相同习惯能够了解，中、印、波兰是从前苏联和法国引进许可证开始，和法、俄习惯相同也能够了解，但美国和俄罗斯为何从一开始选定不一样方向，法国为何不和选美国一样方向，而和俄罗丝一致。第13页我国直升机中“黑鹰”和”直-8“是俯视逆时针旋转机翼，其它机型都是俯视顺时针旋翼。（2）从气动特征来说，二者并没有很显著差异。不过对有些人机来说，假如采取并列式双驾驶员座舱，并指定左座为机长位置，那么是采取俯视顺时针旋翼好一些，主要是在悬停和起降中，飞行员视线与飞行员小臂移动方向一致，操作动作比较自然缘故。第14页5.尾桨形式与布局（1）尾桨安装位置与旋转方向尾桨作用是平衡旋翼产生反扭矩，单旋翼直升机尾桨都是安装在尾梁后部。尾桨安装位置低，能够减小传动系统复杂性，有利于减轻结构重量，不过可能处于旋翼尾流中，轻易发生不利气动干扰，反之，尾桨安装位置高，则能够防止或降低气动干扰，提升尾桨效率，对提升前飞稳定性也是有利。第15页（2）推式尾桨和拉式尾桨在尾桨拉力方向不变情况下，能够把尾桨安装在垂尾左侧，也能够安装在垂尾右侧a.尾桨拉力方向指向直升机对称面，则为推式尾桨b.假如尾桨拉力是从对称面向外指，则为拉式尾桨第16页二.共轴无人直升机1.认识2.共轴双旋翼直升机总体结构特点（1）结构区分（2）结构特点3.共轴双旋翼直升机主要气动特征（1）特点（2）与单旋翼带尾桨直升机相比，共轴式直升机主要气动特点4.共轴双旋翼平飞气动性与单旋翼不一样第17页二.共轴无人直升机1.认识认识：共轴双旋翼直升机含有绕统一理论轴线一正一反旋转上下两幅旋翼，因为转向相反，两副旋翼产生扭矩在航向不变飞行状态下相互平衡，经过所谓上下旋翼总距差动产生不平衡扭矩，可实现航向操纵共轴双旋翼在直升机飞行中，即是升力面，又是纵横和航向操纵面。第18页2.共轴双旋翼直升机总体结构特点（1）.结构区分：共轴式直升机与单旋翼带尾桨式直升机主要区分是采取上下共轴反转两组旋翼用来平衡旋翼扭矩，因而不需要尾桨。（2）.结构特点：共轴式直升机普通采取双垂尾以增加直升机航向操纵和稳定性。因为没有尾桨，共轴式直升机消除了单旋翼直升机存在尾桨故障隐患与在飞行中因尾梁震动和变形引发尾桨传动机构故障隐患，从而提升了直升机生存率第19页3轴双旋翼直升机主要气动特征（1）特点：共轴式直升机含有合理功率消耗、优良操纵性、较小总体尺寸（2）与单旋翼带尾桨直升机相比共轴式直升机主要气动特点：a.共轴式直升机含有较高悬停效率；b.没有用于平衡反扭矩尾桨功率耗损；c.空气动力对称；d.含有较大俯仰、横滚控制力矩；在相同起飞重量、发动机功率和旋翼直径下，共轴式直升机有着更高悬停升限和爬升率第20页4.共轴双旋翼平飞气动性与单旋翼不一样在相同拉力和旋翼直径下，刚性共轴双旋翼诱导阻力比单旋翼低20%30%。因为操纵系统部分和上下旋翼桨毂这些非流型形状部件数量和体积大于单旋翼直升机并暴露在气流中，因而共轴式直升机废阻面积大于单旋翼直升机。共轴式直升机在悬停、中低速飞行时需要功率小于单旋翼直升机，伴随速度增加需要功率逐步增大至大于单旋翼直升机，这一特征决定了共轴式直升机有较大实用升限、较大爬升速度、更长续航时间。而单旋翼直升机则有较大平飞速度、较大巡航速度和飞行范围。第21页五.多轴无人旋翼机1.认识2.结构3.基本运动原理垂直运动，俯仰运动，滚转运动，偏航运动4.发展5.优点第22页（1）定义：多轴无人飞行器又称多旋翼飞行器。其中最常见四旋翼为例，有四个旋翼来举升和推进飞行。（2）结构：它四个旋翼大小相同，分布外置对称；经过调整不一样旋翼之间相对转速来调整拉力和扭矩，控制飞行器悬停、旋转或航线飞行。四轴、四旋翼。这四轴飞行器（Quadrotor）是一个多旋翼飞行器。第23页（3）基本运动原理垂直运动，俯仰运动，滚转运动，偏航运动（一）垂直运动图（a）中，因有两对电机转向相反，能够平衡其对机身反扭矩，当同时增加四个电机输出功率，旋翼转速增加使得总拉力增大，当总拉力足以克服整机重量时，四旋翼飞行器便离地垂直上升；反之，同时减小四个电机输出功率，四旋翼飞行器则垂直下降，直至平衡落地，实现了沿z轴垂直运动。当外界扰动量为零时，在旋翼产生升力等于飞行器自重时，飞行器便保持悬停状态。确保四个旋翼转速同时增加或减小是垂直运动关键。第24页（二）俯仰运动图（b）中，电机1转速上升，电机3转速下降，电机2、电机4转速保持不变。为了不因为旋翼转速改变引发四旋翼飞行器整体扭矩及总拉力改变，旋翼1与旋翼3转速改变量大小应相等。因为旋翼1升力上升，旋翼3升力下降，产生不平衡力矩使机身绕y轴旋转（方向如图所表示），同理，当电机1转速下降，电机3转速上升，机身便绕y轴向另一个方向旋转，实现飞行器俯仰运动第25页（三）滚转运动与图（b）原理相同，在图（c）中，改变电机2和电机4转速，保持电机1和电机3转速不变，则可使机身绕x轴旋转（正向和反向），实现飞行器滚转运动。第26页（四）偏航运动四旋翼飞行器偏航运动能够借助旋翼产生反扭矩来实现旋翼转动过程中因为空气阻力作用会形成与转动方向相反反扭矩，为了克服反扭矩影响，可使四个旋翼中两个正转，两个反转，且对角线上各个旋翼转动方向相同。反扭矩大小与旋翼转速相关，当四个电机转速相同时，四个旋翼产生反扭矩相互平衡，四旋翼飞行器不发生转动；当四个电机转速不完全相同时，不平衡反扭矩会引发四旋翼飞行器转动。在图（d）中，当电机1和电机3转速上升，电机2和电机4转速下降时，旋翼1和旋翼3对机身反扭矩大于旋翼2和旋翼4对机身反扭矩，机身便在充裕反扭矩作用下绕z轴转动，实现飞行器偏航运动，转向与电机1、电机3转向相反。因为电机总升力不变，飞机不会发会垂直运动第27页4.发展在早期飞行器设计中，四轴飞行器被用来处理旋翼机扭矩问题。主副旋翼设计也能够处理，但副旋翼不能提供升力，效率低，所以，四轴飞行器是最早一批比空气重垂直起降飞行器。但早期型号性能很差，难于操控和大型化。第28页5.优点：1.旋翼总距固定，结构简单2.体积小，重量轻，方便携带3.成本低，能轻易进入人不易进入各种恶劣环境第29页六.旋翼组成与结构一旋翼1.旋翼旋功效2.旋翼结构形式二.尾桨1.尾桨功效三.传动系统功效1.传动系统2.操纵系统功效3.自动倾斜器结构第30页一.旋翼1.旋翼旋功效：本质上讲旋翼是一个能量转换部件，它把发动机经过旋翼轴传来旋转功效转换成旋翼拉力。旋翼基本功效产生旋拉力翼。2.旋翼结构形式直升机旋翼由旋翼轴、桨毂、和2-8片桨叶组成。旋翼结构形式主要指旋翼桨叶和桨毂连接方式，分别有四种代表性旋翼结构形式第31页二.尾桨1.尾桨功效：在机械驱动单旋翼直升机上，尾桨是用来平衡反扭矩；同时经过改变尾桨推力（或拉力），实现对直升机航向控制。另外，旋转尾桨相当于一个安定面，能对直升机航向起稳定作用。即使尾桨功效与旋翼不一样，不过它们都因旋转而产生空气动力。三.传动系统功效1.直升机传动系统主要作用是将发动机动力传递给主旋翼和尾桨。来自发动机动力输出上动力普通先经过减速器减速，之后由二级输出轴动力输出。对于主旋翼来说，通常情况下动力是经过锥齿轮啮合传递，而对于尾桨来说，普通机构里会有一根长长尾传动轴，在尾部依旧经过锥齿轮传递给轴向垂直尾桨。直升机传动系统使主旋翼传动起来产生升力，使尾桨协调转动平衡扭矩，是直升机最主要系统之一。第32页2.操纵系统功效操作系统是直升机主要部件之一，驾驶员必须经过操纵系统来控制直升机飞行，保持或改变直升机平衡状态。直升机纵向移动和俯仰运动、横向移动和滚转运动是分不开。直升机空间六个自由度，实际上需要四个操纵，分别是总距操纵、纵向操纵、横向操纵和航向操纵。3.自动倾斜器结构第33页直升机旋翼挥舞控制机构称为自动倾斜器，旋翼总距和周期变距操纵都是靠它来完成。自动倾斜器，有各种不一样结构形式，但控制机理都是一样。它们在结构上都应满足三方面要求：一是能随旋翼一起同时旋转，二是它能沿旋翼轴方向上下移动，以实现总距操纵三是它能够向任何方向倾斜，以实现周期变距操纵第34页七.直升机运动直升机在空中有六个自由度，即沿x轴（纵轴）、y轴（主轴）、z轴（横轴），三个轴移动和绕着三个轴转动第35页