旋翼无人机教学-ppT.ppt

旋翼无人机,一.伯努利定律 二.旋翼无人机的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.直升机的运动,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,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，流体产生的压力就越小，这就是被称为“流体力学之父”的丹尼尔伯努利1738年发现的“伯努利定律,这个压力产生的力量是巨大的，空气能够托起沉重的飞机，就是利用了伯努利定律。飞机机翼的上表面是流畅的曲面，下表面则是平面。这样，机翼上表面的气流速度就大于下表面的气流速度，所以机翼下方气流产生的压力就大于上方气流的压力，飞机就被这巨大的压力差“托住”了。当然了，这个压力到底有多大，一个高深的流体力学公式“伯努利方程”会去计算它。,伯努利方程 v=流动速度 g=地心加速度(地球) h=流体处于的高度(从某参考点计) p=流体所受的压强 =流体的密度,二.旋翼无人机的分类及主流布局形式 1.旋翼的分类 a.按起飞重量 b.按结构形式,1.旋翼的分类 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,b.按结构形式分类： 旋翼航空器是一种重于空气的航空器，其在空中飞行的升力由一个或多个旋翼与空气进行相对运动的反作用获得，与固定翼航空器为相对的关系。 现代旋翼无人机主要包括单旋翼带尾桨无人直升机、共轴无人直升机以及进年来发展的多轴无人飞行器。,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的优缺点 4.旋翼的布局和工作参数选择 （1）旋翼的旋转方向 （2）从气动特性来的差异 5.尾桨的形式与布局 （1）尾桨的安装位置与旋转方向 （2）推式尾桨与拉式尾桨,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.旋翼的反作用力矩，由尾桨拉 力相对于直升机重心所构成的偏 转力矩来平衡。,3.单旋翼带尾桨直升机优缺点： 优点：构造简单，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%的动力，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由于尾桨桨叶与作业人员、树木、建筑物、电杆或输电线相碰引起的,4.旋翼的布局和工作参数选择 （1）旋翼的旋转方向 主旋翼当然也可以顺时针旋转，顺时针还是逆时针，两者之间没有优劣之分。有意思的是，美、英、德、意、日直升机的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、日的直升机工业都是从美国引进许可证开始的，和美国采用相同的习惯可以理解，中、印、波兰是从前苏联和法国引进许可证开始的，和法、俄的习惯相同也可以理解，但美国和俄罗斯为什么从一开始选定不同的方向，法国为什么不和选美国一样的方向，而和俄罗丝一致。,我国直升机中“黑鹰”和”直-8“是俯视逆时针旋转机翼，其他机型都是俯视顺时针旋翼。 （2）从气动特性来说，两者并没有很明显的差别。但是对有人机来说，如果采用并列式双驾驶员座舱，并指定左座为机长位置，那么是采用俯视顺时针旋翼好一些，主要是在悬停和起降中，飞行员的视线与飞行员小臂的移动方向一致，操作动作比较自然的缘故。,5.尾桨形式与布局 （1）尾桨的安装位置与旋转方向 尾桨的作用是平衡旋翼产生的反扭矩，单旋翼直升机的尾桨都是安装在尾梁后部。 尾桨的安装位置低，可以减小传动系统的复杂性，有助于减轻结构重量，但是可能处在旋翼尾流中，容易发生不利的气动干扰，反之，尾桨的安装位置高，则可以避免或减少气动干扰，提高尾桨效率，对提高前飞的稳定性也是有利的。,（2）推式尾桨和拉式尾桨 在尾桨拉力方向不变的情况下，可以把尾桨安装在垂尾左侧，也可以安装在垂尾右侧 a.尾桨拉力方向指向直升机对称面，则为推式尾桨 b.如果尾桨拉力是从对称面向外指的，则为拉式尾桨,二.共轴无人直升机,1.认识 2.共轴双旋翼直升机的总体结构特点 （1）结构区别 （2）结构特点 3.共轴双旋翼直升机的主要气动特性 （1）特点 （2）与单旋翼带尾桨直升机相比，共轴式直升机的主要气动特点 4.共轴双旋翼的平飞气动性与单旋翼的不同,二.共轴无人直升机1.认识：共轴双旋翼直升机具有绕统一理论轴线一正一反旋转的上下两幅旋翼，由于转向相反，两副旋翼产生的扭矩在航向不变的飞行状态下相互平衡，通过所谓的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的飞行中，即是升力面，又是纵横和航向的操纵面。,2.共轴双旋翼直升机的总体结构特点 （1）.结构区别：共轴式直升机与单旋翼带尾桨式直升机的主要区别是采用上下共轴反转的两组旋翼用来平衡旋翼扭矩，因而不需要尾桨。 （2）.结构特点： 共轴式直升机一般采用双垂尾以增加直升机的航向操纵和稳定性。 由于没有尾桨，共轴式直升机消除了单旋翼直升机存在的尾桨故障隐患与在飞行中因尾梁的震动和变形引起的尾桨传动机构的故障隐患，从而提高了直升机的生存率,3.轴双旋翼直升机的主要气动特性 （1）特点：共轴式直升机具有合理的功率消耗、优良的操纵性、较小的总体尺寸 （2）与单旋翼带尾桨直升机相比共轴式直升机的主要气动特点： a.共轴式直升机具有较高的悬停效率； b.没有用于平衡反扭矩的尾桨功率耗损； c.空气动力对称； d.具有较大的俯仰、横滚控制力矩； 在相同的起飞重量、发动机功率和旋翼直径下，共轴式直升机有着更高的悬停升限和爬升率,4.共轴双旋翼的平飞气动性与单旋翼的不同 在相同拉力和旋翼直径下，刚性共轴双旋翼的诱导阻力比单旋翼低20%30%。由于操纵系统部分和上下旋翼桨毂这些非流型形状部件的数量和体积大于单旋翼直升机并暴露在气流中，因而共轴式直升机的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，随着速度增加需要功率逐渐增大至大于单旋翼直升机，这一特性决定了共轴式直升机有较大的实用升限、较大的爬升速度、更长的续航时间。而单旋翼直升机则有较大的平飞速度、较大的巡航速度和飞行范围。,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,（1）定义：多轴无人飞行器又称多旋翼飞行器。其中最常见的四旋翼为例，有四个旋翼来举升和推进飞行。 （2）结构：它的四个旋翼大小相同，分布外置对称；通过调整不同旋翼之间的相对转速来调节拉力和扭矩，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）是一种多旋翼飞行器。,（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，可以平衡其对机身的 反扭矩，当同时增加四个电机的输出功率，旋翼转速增加使得总的拉力增大，当总拉力足以克服整机的重量时，四旋翼飞行器便离地垂直上升；反之，同时减小四个电机的输出功率，四旋翼飞行器则垂直下降，直至平衡落地，实现了沿z轴的垂直运动。当外界扰动量为零时，在旋翼产生的升力等于飞行器的自重时，飞行器便保持悬停状态。保证四个旋翼转速同步增加或减小是垂直运动的关键。,（二）俯仰运动 图（b）中，电机1的转速上升，电机3的转速下降，电机2、电机4的转 速保持不变。为了不因为旋翼转速的改变引起四旋翼飞行器整体扭矩及总拉力改变，旋翼1与旋翼3转速改变量的大小应相等。由于旋翼1的升力上升，旋翼3的升力下降，产生的不平衡力矩使机身绕y轴旋转（方向如图所示），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，实现飞行器的俯仰运动,（三）滚转运动 与图（b）的原理相同，在图（c）中，改变电机2和电机4 的转速，保持电机1和电机3的转速不变，则可使机身绕x轴旋转（正向和反向），实现飞行器的滚转运动。,（四）偏航运动 四旋翼飞行器偏航运动可以借助旋翼产生的反扭矩来实现 旋翼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，可使四个旋翼中的两个正转，两个反转，且对角线上的各个旋翼转动方向相同。反扭矩的大小与旋翼转速有关，当四个电机转速相同时，四个旋翼产生的反扭矩相互平衡，四旋翼飞行器不发生转动；当四个电机转速不完全相同时，不平衡的反扭矩会引起四旋翼飞行器转动。在图（d）中，当电机1和电机3的转速上升，电机2和电机4的转速下降时，旋翼1和旋翼3对机身的反扭矩大于旋翼2和旋翼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，实现飞行器的偏航运动，转向与电机1、电机3的转向相反。因为电机的总升力不变，飞机不会发会垂直运动,4.发展 在早期的飞行器设计中，四轴飞行器被用来解决旋翼机的扭矩问题。主副旋翼的设计也可以解决，但副旋翼不能提供升力，效率低，因此，四轴飞行器是最早的一批比空气重的垂直起降飞行器。但早期的型号性能很差，难于操控和大型化。,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的各种恶劣环境,六.旋翼组成与结构,一旋翼 1.旋翼的旋功能 2.旋翼的结构形式 二.尾桨 1.尾桨的功能 三.传动系统的功能 1.传动系统 2.操纵系统的功能 3.自动倾斜器的构造,一.旋翼 1.旋翼的旋功能：本质上讲旋翼是一个能量转换部件，它把发动机通过旋翼轴传来的旋转功能转换成旋翼拉力。旋翼的基本功能产生旋拉力翼。 2.旋翼的结构形式 直升机的旋翼由旋翼轴、桨毂、和2-8片桨叶组成。 旋翼的结构形式主要指旋翼桨叶和桨毂连接的方式，分别有四种代表性的旋翼结构形式,二.尾桨 1.尾桨的功能：在机械驱动的单旋翼直升机上，尾桨是用来平衡的反扭矩；同时通过改变尾桨的推力（或拉力），实现对直升机的航向控制。另外，旋转的尾桨相当于一个安定面，能对直升机的航向起稳定作用。 虽然尾桨的功能与旋翼不同，但是它们都因旋转而产生空气动力。 三.传动系统的功能 1.直升机传动系统的主要作用是将发动机的动力传递给主旋翼和尾桨。来自发动机动力输出上的动力一般先经过减速器减速，之后由二级输出轴动力输出。对于主旋翼来说，通常情况下动力是通过锥齿轮啮合传递的，而对于尾桨来说，一般机构里会有一根长长的尾传动轴，在尾部依旧通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，是直升机最重要的系统之一。,2.操纵系统的功能 操作系统是直升机的重要部件之一，驾驶员必须通过操纵系统来控制直升机的飞行，保持或改变直升机的平衡状态。直升机的纵向移动和俯仰运动、横向移动和滚转运动是分不开的。 直升机的空间六个自由度，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.自动倾斜器的构造,直升机旋翼的挥舞控制机构称为自动倾斜器，旋翼的总距和周期变距操纵都是靠它来完成的。自动倾斜器，有多种不同的结构形式，但控制机理都是一样的。 它们在构造上都应满足三方面要求： 一是能随旋翼一起同步旋转， 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,七.直升机的运动,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），三个轴的移动和绕着三个轴的转动,