固定翼无人机技术 课程教案16-第十六章 固定翼无人机飞行前必要的检查 11-18

固定翼无人机技术

教师年级授课时间

教学内容第十六章固定翼无人机飞行前必要的检查授课类型现场讲授

学情分析

教材分析

1、掌握稳定性的检查

2、掌握机体对称性检验

知识与技能

3、掌握无人机响应特性检查

4、掌握配平情况检查

1、讲授法

、讨论法

教学目标2

3、直观演示法

过程与方法4、读书指导法

5、任务驱动法

6、现场教学法

7、自主学习法

1、稳定性的检查（重心位置与稳定性关系，重心位置测量方法，

支撑法测量重心位置的原理）

2、机体对称性检验（对称性影响，包含的内容，检查的主要方法）

教学重点

3、无人机响应特性检杳（各通道响应特性影响，舵面响应速度和

教学重点极性检查，动力装置怠速油门，响应速速，滑跑稳定性和机动能力检查）

难点4、配平情况检查（配平影响，纵向，横向，方向配平调整）

1、稳定性的检查（重心位置与稳定性关系，重心位置测量方法，支

撑法测量重心位置的原理）

教学难点

2、无人机响应特性检查（各通道响应特性影响，舵面响应速度和极

性检查，动力装置怠速油门，响应速速，滑跑稳定性和机动能力检查）

重心位・和瑾定性间的关系

稳定性检查重心位置测■方法

支律法测♦重心位置的原理

机体对称性对飞行性能和飞行品质的影响

机体对称性检验机体对称性包含的内容

机体对称性检查的主要方法

各通道响应特性对飞行他能和飞行品质的影响

平尾偏角

知识框架

16固定翼无人机飞行前必要的检查副理偏角

图舵面晌应速博和极性检者

无人机响应特性检查方向舵偏角

前轮偏角

动力装置怠速油门、响府速度

滑盥稳定性和机动能力检查

无人机配平对飞行性能和品质的影响

纵向配平调整

配平情况检查

横向配平鞫整

方向配平调整

主备从备（教师姓名）

［课堂引入］

引入：

这一部分首先让大家对固定翼无人机飞行前必要的检查有个整体了

解，稳定性，对称性，响应特性，配平情况检查校脸等等。

［教学内容］

固定翼无人机飞行前必要的喷查

思考；

1.简述无人机重心位置测量方法。

2.简述无人机机体对称性检杳的内容。

3.简述无人机通道响应检查的内容。

教学过程4.简述无人机的配平和需要校正的传感器。

16.1稳定性检查

16.1.1重心位置和稳定性间的关系

无人机的飞行需要满足稳定性条件，无人机的稳定性分为静稳定性

和动稳定性。对于机动能力要求不高的无人机来说，•般都具有静稳定

性。无人机的静稳定性是指在飞行过程中受到外界扰动，无人机飞行状

态发生改变后，具有的自动回复原来平衡状态的能力。

无人机的静稳定性是由重心和气动焦点的相对位置所决定的，即，

当重心位于气动焦点前面时，无人机具有静稳定性，反之，则不具有静

稳定性。具有静稳定性无人机重心和气动焦点的相对位置如图16-1所示。

16.1.2重心位置测量方法

关于无人机重心位置的试验测量方法，大致有三种：吊线法、支撑

法和简单托举法。

吊线法是应用悬挂的物体的吊线必经过物体重心的原理，采用两点

或者多点悬挂，将其吊线延长线的交点就是无人机的重心（如图16-2所

示）。该方法是测量重心位置最精确的方法，也是无人机研发过程测量重

心实际位置的试验方法。但是，该方法需要专业的吊装设备，在无人机

实际使用过程中并不常用。

支撑法是利用力矩平衡原理，间接测量重心的方法（如图16-3所示）。

具体测量方法为：在已知无人机主轮轮距、前/后轮到主轮轴线连线中垂

线距离的条件下，分别测量无人机平放在地面上三个轮子的重量，然后

应用力矩平衡原理，计算得到无人机重心位置。该方法具体的原理下节

会详细说明。该方法是具有适用性强，对大中小型无人机都适用；操作

简单，便于野外机场实施：精度较高等优点，成为野外机场作业确定无

人机重心位置最常用的方法。

吊线法和支撑法测量无人机重心位置都需要相对专业的设备和较长

的测试过程，对经常使用的无人机来说就显得有些复杂了。对于尺寸小、

重量轻、技术成熟度比较高的小型无人机来说，在飞行场地常采用简单

托举法确定无人机重心位置是否合适。简单托举法的测量过程为单人或

者两人将手指放在无人机机翼前缘四分之一到三分之一弦长处，然后轻

轻托举无人机；若无人机轻微低头，则无人机重心位置合适；若无人机

抬头，则无人机重心位置靠后；若无人机低头严重，且将手指移到机翼

前缘处时，无人机保持平衡甚至低头，则无人机重心位置过于靠前。

简单托举法是确定无人机重心位置最方便的方法，也是小型无人机

测量重心位置最常用的方法。但是，该方法并不能给出具体的重心位置,

受影响的因素也比较多，精度不高，只能作为最简单的判定依据“

16.1.3支撑法测量重心位置的原理

支撑法基本原理是力矩平衡，即在地面上稳定放置的物体，其重心

处的力矩是平衡的，也就是说重心处的力矩之和为零。对于无人机来说,

一般机体具有几何对称性和重量对称性。正是这种对称性，无人机的重

心位于机体纵轴轴线上。

而且，在地面上放置时，无论采用前三点式起落架，还是后三点式

起落架，能够在重心处产生力矩的只有三个轮子所受到的地面支撑力。

因此，可以把无人机在地面上的受力简化为三个轮子为顶点的等腰三角

形。因此，只要知道该等腰三角形的尺寸和顶点处的受力情况，就能确

定该等腰三角形的重心位置（如图16-4所示）。

对于该模型，重心处的力矩平衡方程为：

W1*X0=2*W2*（X-%0）（16-1）

从该方程可得重心的位置为：

机两边产生的升力则不一•样，从而导致滚转、偏航等问题，对飞行操纵

和安全带来隐患。

重量对称性同样如此。当无人机产生的升力一样时，重量较重的一

边将具有向下倾斜的趋势，同样会导致滚转、偏航等问题，对K行操纵

和安全带来隐患。

16.2.2机体对称性包含的内容

无人机是具有对称性的，主要包括几何尺寸的对称性和重量的对称

性。几何对称性主要包括机翼的形状、大小、安装角度以及表面质量等。

对于一架做工良好的无人机来说，其机体结构强度是满足使用需求

的。但是，随着使用时间的增长，机体、机翼难免会出现不当的碰撞、

摩擦、变形等情况，这些因素都可能改变机身的几何参数。特别需要注

意的是，机翼表面由于风化、摩擦等因素出现的脱皮等现象应引起高度

注意。这此微小的表面缺陷可能会引起飞行过程中气流的不对称分离，

造成严重的飞行事故。另外，长期使用后，机翼也可能出现扭曲、变形

等影响几何特性的改变。对于模块设计的无人机来说，由于使用时需要

组装。随着组装次数的增多，两边机翼的安装位置也可能出现变化。另

外，飞行过程中，在气动载荷作用下，机翼总会发生一定程度的变形。

在气动载荷作用下，会极大的放大机翼各种缺陷引起的不对称性。

这些因素都要引起高度重视。虽然这些变形都不会很大，但是却能

彻底改变无人机的飞行特性，带来不必要的安全隐患。

无人机重量不对称性引起的因素很多，有制造工艺造成的、有任务

装载造成的，也有使用过程造成的。在制造环节，每一个零件的重量不

可能完全相同，这就可能带来重量上的不一样。对于采用复合材料制造

工艺制造的无人机来说，粘合剂用量不同可能是引起重量不同的主要原

因。另外，表面处理、喷漆等因素也可能引起重量的不相同。不过，对

广制造环节引起的重量误差，一般会有相对严格的控制，满足相关的产

品质量要求。

重量不对称最大的影响因素来源于任务装载。无人机的飞行总是要

完成特定任务的，这就不可避免的需要携带任务设冬以及燃料、油料等。

这些任务装载除了机身之外，最主要的装载位置是在机翼。如果载荷装

载不对称，就可能引起机体重量的不对称。另外，对于采用轻木结构的

简易无人机来说，其特点具有一定的吸水性，长期使用也会引起重量的

不对称。

就重量不对称来说，单一的因素（除任务装载外［一般不足以对飞行造

成太大的影响。但是，，旦这些因素会加到•起，依然会引起不小的影

响。

16.2.3机体对称性检查的主要方法

机体对称性检查就是对无人机的几何对称性和重量对称性进行检

查。检查的依据就是测量无人机左右尺寸是否一样，即测量无人机左右

机翼的尺寸、测量机翼展长、安装角度等。

对于无人机来说，这些不对称都很小，直接测量在使用环节很难实

现。因此，这里提供一些在野外使用条件下简单检查无人机对称性的方

法。i款固定雪无人机，其雪展一般较长。较长的翼展会对这些不对称

因素具有放大作用。因此，一般通过对机翼参数进行测量，进而检查其

对称性。

机翼展长：固定翼K行器左右翼尖之间的距离，是衡量机翼气动外

形的主要几何参数之一。测量的时候直接用卷尺或者皮尺测量即可。

机翼的安装角度（安装角）：机翼弦线与机翼中心之间的夹角。安装

角又分为上反角和下反角。测量无人机的安装角度，可以用水平仪进行

测量。在测量时，可以分别测量机翼翼根和翼尖处的水平角度。根据左

右机翼翼根、翼尖处水平角度的对比可以得到机体的对称信息。同时，

同侧机翼翼根、翼尖水平角度的对比也可以反映机翼的加工精度和刚度。

如果只是简单的对比机体是否对称，也可以通过测量左右翼尖距地面距

离是否一样进行检验。

在这些测最中，要考虑地面是否水平，以及地面倾斜带来的影响。

测量时，最好在水平地面上进行测量。

除过几何对称性还有重量对称性，重量对称性的检测可分为机翼安

装前和机翼安装后。机翼安装前测量左右机翼的质量，机翼安装后可测

量左右机轮的质量。

16.3无人机响应特性检查

16.3.1各通道响应特性对飞行性能和飞行品质的影响

无人机的飞行控制主要依靠气动舵面，舵面的响应特性很大程度上

决定了无人机的飞行品质。无人机主要的气动舵面与有人驾驶飞机一样，

如图16-9所示。对于应用阶段的无人机来说，通道响应特性主要是指舵

面的延迟和响应极性。

延迟特性即舵面响应跟踪操纵指令的速度.也就是说，舵面响应跟

随操纵指令越快，延迟也就越小；反之亦然。舵面响应延迟会带来很严

重的飞行安全隐患，特别是在变化较快的突风等因素快速改变无人机飞

行状态的情况下，舵面响应延迟会加剧无人机的震荡，甚至发生失稳、

坠机。对于高速飞行的无人机来说，舵面延迟会引发跨音速震荡问题。

因此，理想情况下，无人机的操纵系统应当是指令传输过程是瞬时完成

的，舵机速度具有比较可观角速度的。

响应极性是指在特定指令条件下，各控制舵面的偏转方向。舵面响

应极性又分为两种完全不同的情况：1）增稳模式和自动模式下的响应极

性；2）各种飞行模式下对飞手操纵的响应极性。

无人机飞行中飞行姿态的改变主要依靠舵面偏转的调整。因此，飞

行姿态的改变方向和大小主要由舵面的偏转方向和大小决定。也就是说,

舵面的响应极性正确与否，在很大程度上决定了无人机的飞行安全和能

否按照理想轨迹运动。

然而，就无人机的响应极性来说，增稳模式/自动模式下的自动调整

与飞手的操纵响应是完全相反的。就作用而言，增稳模式/自动模式下的

舵面自动调整目的是消除飞行在在外界干扰影响下飞行状态的改变，使

其回到原来的平衡位置。而飞手的操纵响应舵面偏转的目的是使得无人

机按照操作意愿改变飞行状态。因此，这两种情境下，陀面偏转的目的

一个是消除无人机飞行状态的改变，一个是有意识的主动改变飞行状态。

16.3.2舵面响应速度和极性检查

舵面响应速度是由系统的特性决定的，在使用阶段并不能进行调整。

然而，对舵面响应速度进行检查却可以让相关人员熟悉无人机具体的延

迟状态，进而对飞行过程中产生的影响做好必要的预判和准备。

舵面响应速度的检查相对简单，一般只需要在手动模式下，飞手站

立在无人机尾部，由飞手摇动操纵杆，观察的舵面随操纵杆运动而响应

的速度，进而形成对对舵面响应速度和延迟情况。

对于舵面响应极性检查也分为操纵模式和增稳模式。我们以前三点

式起落架无人机为例进行说明。在操纵模式下，操纵杆、舵面极性的定

义以及舵面随操纵杆的正确响应如表16-1所示。

表16-1操纵阡、舵面极性的定义以及舵面随操纵杆的正确响应

舵面徐i角正负定义操纵位移正负定义舵面随操纵的响应

平尾前缘纵向操纵前移为正纵向操纵前移平尾前缘上偏

平尾偏有1上偏为正位移后移为负纵向操纵后移平尾前缘下偏

下偏为负

右副翼后缘横向操纵左移为正纵向操纵左移右副翼/“彖下偏

副翼偏力1下偏为正位移右移为负纵向操纵右移右副翼）揩上偏

上偏为负

右脚蹬右脚蹬前移方向£它左偏

方向舵后缘前移为正方向舵摇杆左移

方向舵偏用右偏为正方向操纵后移为负

左偏为负位移方向舵摇杆右脚蹬后移方向£必右偏

左移为正方向舵摇杆右移

右移为负

右脚蹬右脚蹬前移前轮偏角右偏

前轮偏角前移为正方向舵摇杆左移

前轮偏力1左偏为正方向操纵后移为负

右偏为负位移方向舵摇杆右脚蹬后移前轮偏角左偏

左移为正方向舵摇杆右移

右移为负

增稳模式下舵面极性的响应和操纵模式有很大的不同，我们同样以

前三点式起落架无人机布局为例进行说明。在检查时，首先将无人机的

模式调为增稳模式，然后通过外力改变无人机的姿态，观察舵面的响应

极性。增稳模式下无人机姿态、舵面极性定义和正确响应如表16-2所示。

表16-2增稳模式下无人机姿态、舵面极性定义和正确响应

舵面仰i角正负定义姿态改变正负定义舵面随姿态改变的响J立

平尾前缘抬头为正无人机抬头平尾前缘下偏

平尾偏有1上偏为正俯仰角低头为负无人机低头平尾前缘上偏

下偏为负

右副翼后缘左滚转为正无人机左滚转右副翼J:缘上偏

副翼偏A1下偏为正滚转角右滚转为正无人机右滚转右副翼1苧缘下偏

上偏为负

方向舵后缘

方向舵偏:制右偏为正左偏航为正左偏航方向/它右偏

左偏为负偏航角右偏航为正右偏航方向夕右左偏

前轮偏角左偏航为正左偏航前轮偏角左偏

前轮偏i击左偏为正偏航角右偏航为正右偏航前轮偏角右偏

右偏为负

在实际检查时，应按照对应的条目，逐一操作并检查，确保不同工

作模式下舵面响应极性的正确。

16.3.3动力装置怠速油门、响应速度

动力系统良好的响应性能是无人机飞行的必要保障。目前，无人机

的动力来源主要为电机和活塞式发动机。发动机产生推力的大小和油门

开度以及K行状态有关，某活塞式发动机的静推力、动推力以及匕行速

度对推力的影响如图16-10所示。一般而言，电机论响应速度要优于活塞

式发动机，而且随着油门杆拉到最低时可以完全停下来。但是，由于活

塞式发动机的启动相对困难，为了保证飞行安全，要保证在油门杆拉到

最低时，发动机依然可以平稳运转。

活塞式发动机在启动之后，油门杆拉到最低时具有的运转速度成为

怠速。怠速要保证能够维持发动机以当前状态保持一段时间运转而不至

于熄火。但是，发动机的转速如果太大，产生的推力会使得无人机的停

放不稳定。囚此，该转速越小越好。

16.3.4滑跑稳定性和机动能力检查

无人机的起飞和着陆是最危险的两个阶段。因此，保证这两个阶段

的飞行安全至关重要。无人机的起飞需要一定的速度，平稳的滑跑过程

是无人机获得速度的必要条件。因此，应对无人机的滑跑稳定性进行测

试。

无人机在地面滑跑性能主要包括滑跑稳定性和调节的机动性能。无

人机在地面滑跑时可以通过方向舵和前轮偏转角度调整航向。但是，由

于这些操纵可.能引起无人机的侧翻和翼尖触地等危险情况。因此，在滑

跑过程中无人机应当具有一定的稳定性能。

无人机稳定性能的检查主要通过实际的滑跑来实现。一般而言，我

们希望无人机可以在平整的跑道上，不经调整的情况，以平稳、直线的

方式加速到无人机抬前轮速度。如果在滑跑过程中无人机出现转弯、向

一侧偏移等情况，则应调节前轮的中立角度，直到无人机可以跑直为止。

调节的机动性能主要是指无人机在滑跑过程中可以灵活的、平稳的

调整航向，实现360度转弯的能力。该能力是由无人机的性能决定的，

飞手应当对该能力有充分的了解，使得在起飞滑跑过程中能够安全、稳

定的实现纠偏。

16.4配平情况检查

16.4.1无人机配平对飞行性能和品质的影响

所谓无人机的配平是指利用舵面的预制中立位置实现静态配平以及

利用机载传感器信号、自驾仪或者飞手的操纵实现动态配平。

对于一架设计良好的无人机来说，一股具有良好的静稳定性和机体

对称性。在该情况下，无人机的静态配平是要保证在启动、无任何操纵

状态下，使得各舵面位于中立位置即可。但是，自动驾驶仪的动态增稳

配平是依靠传感器测量的飞行状态反馈，以及自驾仪的调节指令，控制

舵面偏转实现配平。因此，该功能实现的基础是机或传感器的准确测量。

机载传感器的正常使用比较复杂，而且不同厂家、不同型号的传感器使

用方式差别很大。对于这些传感器，有些在出厂矫正后就可以不再经过

矫正，有些则要求每次使用前都要进行矫正。而且，机载传感瑞还受到

磁场、电场、风速、风向等因素的影响，面临着诸多的影响因素。飞手

的操纵配平则属于个人技巧，需要个人技术的提升。

从以上配平过程的描述可知，无论那种方式，无人机配平的实现都

依靠舵面的偏转。如果由于配平的需要使得舵面偏转过大的话，一方面

会增加飞行中的气动阻力，另一方面会减弱操纵无人机改变飞行状态时

的舵面偏转角度。另外，频繁的配平操作会使得舵机的寿命减小，增加

飞手的操纵困难，这些因素都是对飞行不利的。

因此，对于无人机的飞行来说，理想的状态是无人机的舵面中立状

态就是配平或者接近配平状态。

1642纵向配平调整

对于纵向配平来说，主要调节的是升降舵的中立位置。在起飞之前,

应检查升降舵是否位于中立位置。在飞行过程中，观察无人机是否具有

明显的低头或者抬头的趋势。如果有，可以通过遥控器调节舵面的角度,

使得无人机基本达到配平状态。

纵向动态配平主要依靠的是机载加速度计、陀