无人机测绘技术-徐军-课件1-3：第1章 绪论-第3章 无人飞行基本原理

无人机测绘技术自然资源与测绘学院徐军TelQ:93201471《无人机测绘技术》一、课程介绍课程目标：了解并掌握无人机测绘的基本原理、无人机测绘任务规划、无人机测绘任务实施、无人机测绘影像数据处理，为测绘工程专业的数据快速获取与成图、工程规划辅助设计、项目实施监理等服务。课程内容：无人机测绘基本概念及工作原理、航线设计、任务飞行、正射影像数据处理、倾斜摄影测量、贴近摄影测量、机载激光雷达测量三维建模、360°全景影像数据处理等。操作实习：航线设计、无人机操控及影像数据获取、DOM、DEM、DLG、3D建模、360°全景影像处理。二、教学计划最后成绩=30%×平时成绩+70%×考试成绩平时成绩=课堂表现+上机、实习+平时考核《无人机测绘技术》第1章绪论第2章无人机测绘系统第3章无人机飞行基本原理第4章无人机航空摄影安全作业及基本要求第5章无人机航空摄影测量第6章无人机倾斜摄影测量第7章无人机贴近摄影测量第8章无人机机载激光雷达测量第9章无人机测绘技术的应用

1.1

无人机1.2

无人机测绘1.3

无人机相关法律法规第1章无人机测绘系统第1章绪论1.1无人机1.1.1认识无人机1.1.2无人机的分类1.1.3无人机的特点1.1.4无人机的功能与作用1.1.5无人机发展现状与发展趋势1.1.1认识无人机无人机：UAV(

UnmannedAerialVehicle），无人驾驶航空器。特点：由无线电或程序控制，可自主飞行且可回收，也被称作空中机器人。无人机的发射方式可归纳为手抛发射、零长发射、弹射发射、起落架滑跑起飞、母机空中发射、容器式发射装置发射和垂直起飞等类型。无人机的回收方式可归纳为伞降回收、空中回收、起落架轮式着陆、拦阻网回收、气垫着陆和垂直着陆等类型。翼龙无人机大疆T16农业植保无人机亿航无人机编队1.1.1认识无人机无人机内部结构1.1.1认识无人机无人机系统：UAS或RPAS（RemotelyPilotedAircraftSystem）遥控驾驶航空器系统由无人机、相关的遥控站、所需的指令与控制数据链路以及批准的型号设计规定的任何其他部件组成。

1.无人机系统,是指()组成的系统BA一架无人机、所需的指令与控制数据链路以及批准的型号设计规定的任何其他部件B一架无人机、相关的遥控站、所需的指令与控制数据链路以及批准的型号设计规定的任何其他部件C一架无人机、自驾仪、所需的指令与控制数据链路以及批准的型号设计规定的任何其他部件2.()是指在系统运行时间内负责整个无人机系统运行和安全的驾驶员。A无人机系统地面站操纵员B无人机系统机长C无人机系统驾驶员B1.按功能分军用：信息支援、信息对抗、火力打击1.1.2无人机的分类1.按功能分民用：检测巡视、遥感测绘、通信中继1.1.2无人机的分类2.按尺度分——空机质量和最大起飞重量微型：空机质量<0.25kg轻型：空机质量≤4kg，最大起飞质量≤7kg小型：空机质量≤15kg，或最大起飞质量≤25kg中型：25kg＜最大起飞质量≤150kg大型：最大起飞质量＞150kg1.1.2无人机的分类3.按活动半径1.1.2无人机的分类超近程无人机：15km以内近程无人机：15~50km之间短程无人机：50~200km之间中程无人机：200~800km之间远程无人机：大于800km0~15km15~50km50~200km200~800km大于800km4.按速度分马赫数：流场中某点的速度v同该点的当地声速c之比低速：马赫数＜0.3亚音速：0.3≤马赫数＜0.7跨音速：0.7≤马赫数＜1.2超音速：1.2≤马赫数＜5.0高超音速：马赫数≥5.01.1.2无人机的分类5.按实用升限分1.1.2无人机的分类超高空无人机：大于18000m高空无人机：7000~18000m之间中空无人机：1000~7000m之间低空无人机：100~1000m之间超低空无人机：0~100m之间6.按续航时间分——24h正常航时：续航时间<24h长航时：续航时间≥24h1.1.2无人机的分类7.按平台类型分固定翼无人机、旋翼无人机、无人飞艇、伞翼无人机、扑翼无人机1.1无人机1.1.3无人机的特点1.优点：

可最大程度保障人的安全；

生产成本低

机动性能好

操作便捷2.缺点：

飞行速度慢

抗风抗气流能力差

飞行高度受限制

应变能力差

1.1.4无人机的功能与作用电力巡检工作农业监测工作环保监测工作影视拍摄工作1.1.4无人机的功能与作用街景全景拍摄灾后救援无人机快递1.1.5无人机发展现状与发展趋势无人机的发展

陀螺仪1917年发明的第一台陀螺仪1.1.5无人机发展现状与发展趋势

1917年，斯佩里空中鱼雷号无人机的发展早期的无人机1.1.5无人机发展现状与发展趋势无人机的发展早期的无人机1917年：凯特灵(Kettering)空中鱼雷号1.1.5无人机发展现状与发展趋势1935年:DH.82B蜂后号(DH.82BQueenBee)无人机的发展早期的无人机1.1.5无人机发展现状与发展趋无人机的发展早期的无人机1966年12月6日中国第一架无人靶机长空一号(4年研制出来）1.1.5无人机发展现状与发展趋势无人机的发展军方对无人机的重视有人机与无人机协同作战无人机系统及作战使用1.1.5无人机发展现状与发展趋势无人机的发展军方对无人机的重视中国利剑隐身无人机中国翼龙无人机

无人机的发展微机电、计算机、通信的发展GPS接收模块IMU（惯性测量装置）数字相机成相模块计算机无线通信

无人机的发展民用无人机的发展与进化1989年：雅马哈敲开农业植保的大门

90年代初美国工程师M.Dammar开发了电动四旋翼RoswellFlyer无人机的发展民用无人机的发展与进化

巡航天然气管道项目无人机DT-26X无人机的发展民用无人机的发展与进化

无人机的发展民用无人机的发展与进化大疆悟系列无人机

无人机的发展民用无人机的发展与进化ArduPilotAPM1 APM2APM2.5/2.6Pixhawk2009年

2010年

2011年

2012年

2013年3DRobotics的开源飞控2009年3DR成立，同年5月发布了第一款ardupilot板子，后续几年陆续推出功能十分强大的开源自驾仪

无人机的发展民用无人机的发展与进化

精灵1精灵2悟系列御如影手持云台精灵3精灵4御Air

X系列相机

无人机的发展民用无人机的发展与进化早期极飞的农业无人机P系列农业无人机GNSS是全球导航卫星系统包括美国的GPS、俄罗斯Glonass（格洛纳斯）、欧洲Galileo(伽利略）、中国的北斗。RTK,载波相位差分技术，是实时处理两个测量站载波相位观测量的差分方法，将基站采集的载波相位发送给用户接收机进行求差解算坐标1.1.5无人机发展现状与发展趋势无人机的发展民用无人机的发展与进化亿航白鹭1000架无人机花式编队零度智控&高巨创新无人机编队（2018年春晚）2019年数博会1.1.5无人机发展现状与发展趋势无人机的发展民用无人机的发展与进化2019年数博会意念控制无人机1.1.5无人机发展现状与发展趋势第1章绪论1.2无人机测绘1.2.1无人机测绘的定义1.2.2无人机测绘的特点1.2.3无人机测绘的作业流程1.2.4无人机测绘的应用无人机测绘：是以无人驾驶飞机为空中平台，以机载测绘遥感设备，如高分辨率CCD数码相机、轻型光学相机、红外扫描仪、激光扫描仪、磁测仪等为载体获取地面空间信息，用计算机对图像信息进行处理，并按照一定精度要求制作成DEM、DOM、DLG和数字三维模型等测绘产品。1.2.1无人机测绘的定义1.高清晰、大比例尺、小面积、高现势性1.2.2无人机测绘的特点2.操作方便、易于转场1.2.2无人机测绘的特点3.小型轻便、低噪节能、高效机动、影像清晰、轻型化、智能化1.2.2无人机测绘的特点

二、无人机测绘的特点

1.机动性、灵活性和安全性2.低空作业，获取高分辨率影像3.精度高，测图精度可达1：10004.成本相对较低，操作简单5.具有周期短、效率高等特点1.2.2无人机测绘的特点1.2.3无人机测绘的作业流程1.区域确定测区矩形四角坐标2.现场勘察拟定起降场地选择无人机及相机提交空域申请3.航线规划飞行方向航高飞行方向飞行架次重叠度特殊天气因素4.控制的布设和测量基础控制测量像片控制测量5.执行飞行设备地面展开飞行前设备检查启动动力设备飞机起飞达到作业空域开展作业返回降落6.数据预处理与空中三角测量获取合格影像导入相机参数和POS资料影像预处理空中三角测量7.成果制作根据空三加密成果生成粗DEM数字微分纠正正射影像镶嵌与匀色DOM裁剪与检查一、基础测绘

大比例尺数字化测图1.2.4无人机测绘的应用二、应急测绘保障泥石流灾情监测1.2.4无人机测绘的应用三、工程变化监测武汉火神山医院建设施工监测1.2.4无人机测绘的应用四、文化遗产保护“围屋”建筑文化遗产保护1.2.4无人机测绘的应用五、数字城市建设

数字城市三维模型1.2.4无人机测绘的应用第1章绪论1.3无人机相关法律法规1.3.1空中交通管理1.3.2实名登记管理1.3.3驾驶人员的资质管理1.3.4无人机驾驶证书《民用无人驾驶航空器系统空中交通管理办法》管理办法的适用范围飞行活动需满足的条件评估管理无线电管理空域申请流程禁飞区与限飞区1.3.1空中交通管理禁飞区查询：/cn/flysafe/geo-map1.适用范围《民用无人驾驶航空器实名制登记管理规定》2.登记要求自2017年6月1日起，民用无人机的拥有者必须按照本管理规定的要求进行实名登记。2017年8月31日后，民用无人机拥有者，如果未按照本管理规定实施实名登记和粘贴登记标志的，其行为将被视为违反法规的非法行为，其无人机的使用将受影响，监管及主管部门将按照相关规定进行处罚。1.3.2实名登记管理3.相关定义民用无人机——没有机载驾驶员操纵、自备飞行控制系统，并从事非军事、警察和海关飞行任务的航空器，不包括航空模型、无人驾驶自由气球和系留气球。民用无人机拥有者——指民用无人机的所有权人，包括个人、依据中华人民共和国法律设立的企业法人事业法人机关法人和其他组织。民用无人机最大起飞重量）——指根据无人机的设计或运行限制，无人机能够起飞时所容许的最大重量。民用无人机空机重量——无人机制造厂给出的无人机基本重量。除商载外，该无人机做好执行飞行任务时的全部重量，包含标配电池重量和最大燃油重量。4.民用无人机实名登记要求登录网站进行深入了解1.3.2实名登记管理1.AOPA证书AOPA，全称“中国航空器拥有者及驾驶员协会（AOPA-China）”，成立于2004年8月17日，是国际航空器拥有者及驾驶员协会（IAOPA）的中国分支机构，也是AOPA在中国（包括台湾、香港、澳门）的唯一合法代表。中国AOPA无人机驾驶员合格证由国务院批准、民政部注册、中国民用航空局主管的代表通用航空行业的全国性协会颁发。是从事无人机行业人员必备的敲门砖，具有极高的法律效力！在2018年以前它还只是一个协会的合格证，2018年9月政策改变，无人机的监督管理权由AOPA协会转交回民航局进行统一管理，在考取AOPA合格证的同时，国家也会同步颁发民航局认证的无人机执照。民航局无人机执照可申报空域、申请航线、从事无人机相关的商业活动。无人机证书AOPA培训时间较长，知识量也比较多，对于没有基础的需要培训一个月左右，和考驾照差不多了。考试科目有理论、综合问答、飞行、地面站。考试难度大也就意味和价格贵，目前价格是一万左右。1.3.4无人机驾驶证书2.ASFC证书ASFC——中国航空运动协会的简称，隶属于国家体育总局，主要负责管理全国航空体育运动项目。其承认范围仅限于无人机体育竞赛，不得运用于商业活动。ASFC证书等级分为8个等级，初级等级一般都是青少年用于无人机启蒙，高级等级都是一些航模玩家，高级的太难所以考的人也非常少（主要是因为又难还没什么含金量）。这个证学习大概十天半个月，价格在三千左右，考试也比较容易。无人机证书3.

UTC证书UTC是大疆自己开设的培训机构，针对特定无人机岗位单独做出针对性的无人机技能培训，比如无人机航拍、无人机农业植保，主要教授你如何使用大疆的无人机作业。考试难度？简单，及其简单，甚至只要给钱就能拿证，一个证两三千左右。出题、考试、监考、考官都是大疆自己人，你懂的。无人机证书总结一下这三个证吧，AOPA相当于是驾驶证适用商业用途，UTC相当于滴滴准驾证，适用于行业应用（基于有驾照的基础上），而ASFC相当是赛车执照，适用于竞技比赛。/test/zuoti?pid=298-思考题1.简述无人机测绘的特点和分类。2.简述无人机测绘技术的应用进展。

无人机测绘技术自然资源与测绘学院徐军TelQ:932014712.1

无人机飞行环境2.2

空气动力学基本原理2.3

翼型2.4

飞行的升力2.5 飞行的阻力与失速2.6 无人机的稳定性2.7 动力系统2.8 发射与回收系统第2章无人机测绘系统第2章无人机测绘系统2.1无人机驾驶飞行平台2.1.1固定翼无人机2.1.2多旋翼无人机2.1.3无人直升机2.1.4无人飞艇第2章无人机测绘系统固定翼无人机旋翼机飞艇2.1.1固定翼无人机固定翼无人机通过动力系统和机翼滑行实现起降和飞行，遥控飞行和程控飞行均容易实现，抗风能力也比较强，是类型最多、应用最广泛的无人驾驶飞行器。发展趋势：微型和长航时优点：结构简单、加工维修方便、安全性好、机动性强缺点：起降要求场地空旷、视野好，在起降场地受限时无法发挥作用2.1.1固定翼无人机2.1.1固定翼无人机1.起飞方式弹射起飞滑跑起飞2.1.1固定翼无人机2.着陆方式撞网回收伞降滑降2.1.1固定翼无人机2.1.2多旋翼无人机多选翼无人机具有良好的飞行稳定性，对起飞场地要求不高，适用于起降空间狭小、任务环境复杂的长何，具备人工遥控、定点悬停、航线飞行等多种飞行模式，在城市大型活动应急保障、灾害应急救援中具有明显的技术优势。主要不足：续航时间较短多旋翼倾转定翼无人机自转多旋翼无人机2.1.2多旋翼无人机2.1.3无人直升机无人直升机具备垂直起降、空中悬停和低速机动能力，能够在地形复杂的环境下进行起降和低空飞行，具有多旋翼和固定翼无人机不具备的优势，独特的飞行特点决定了它不可替代的优势。起飞重量大，可以搭载激光雷达、红外传感器等大型传感设备。2.1.4无人飞艇无人飞艇：通过艇囊中填充的氮气或氢气所产生的浮力，以及发动机提供的动力实现飞行。局限性：优势：1.可飞得低，飞得慢2.可靠性和安全性好3.可绕建筑物盘旋4.机动性好，成本低1.体积大，抗风弱2.应用未普及3.稳定性较差第2章无人机测绘系统2.2任务载荷2.2.1光学传感器2.2.2红外传感器2.2.3倾斜摄影相机2.2.4机载激光雷达2.2.5机载稳定平台2.2.1光学传感器1.光学传感器的发展历程CCD相机---线阵CCD相机---面阵CCD相机2.非量测相机3.量测型相机三线阵CCD---大面阵CCD线阵CCD相机CCD相机1.按功能分热成像系统辐射计搜索和跟踪系统红外测距和通信系统2.2.2红外传感器2.按探测机理分光子型探测器热探测器2.2.2红外传感器1.倾斜摄影技术的特点反映地物周边真实情况实现单张影像量测建筑物侧面纹理可采集数据量小，易于网络发布2.2.3倾斜摄影相机两镜头倾斜摄影相机五镜头倾斜摄影相机三五镜头倾斜摄影相机2.倾斜摄影技术的突出优势结合Lidar技术提高三维影像可以直接定位，量测距离、面积提供真实、实时、可量测、大范围的三维浏览2.2.3倾斜摄影相机1.激光雷达的发展历程20世纪六七十年代——激光测高计21世纪以来——激光器、APD探测器、LiDAR2.2.4机载激光雷达激光测高计固体激光器LiDARAPD探测器2.机载激光雷达的特点单位数据量小，处理效率高主动照明，不受白昼和黑夜的限制通过激光波动选择，可对水底地形立体测绘测距分辨率高2.2.4机载激光雷达3.机载激光雷达的应用电力设施巡检2.2.4机载激光雷达森林资源调查3.机载激光雷达的应用地形测绘2.2.4机载激光雷达用途：稳定任务载荷，修正偏流角。单轴稳定平台——只修正偏流角三轴稳定平台——稳定任务载荷和修正偏流角2.2.5机载稳定平台第2章无人机测绘系统2.3飞行控制系统2.3.1飞控系统的原理2.3.2飞快系统的组成组成：传感器、机载计算机、伺服动作设备功能：无人机姿态稳定和控制、无人机任务设备管理、应急控制飞行控制系统：俗称自动驾驶仪，是无人机整个飞行过程的核心系统。主控单元GPS和指南针2.3.1飞行控制系统IMU（惯性测量单元）ap-201自动驾驶仪YS09固定翼自动驾驶仪AIR自动驾驶仪2.3.1飞行控制系统飞控对象：俯仰角，滚转角，航向角，飞行高度，飞机中心点升降舵——调整俯仰角，控制飞行高度副翼——调整滚转角，控制大角度航向调整尾翼——控制航行小角度改变2.3.1飞控系统的原理飞机偏离预设传感器(探测)控制器（运算）舵机（调整舵面）飞机正常飞行姿态改变电信号电信号姿态改变五个控制回路：俯仰角控制回路，高度控制回路，滚转角控制回路，航行控制回路，稳定控制回路飞行控制基本原理：无人机飞行控制系统机载部分地面部分任务载荷飞行控制器舵机GNSS接收机风速传感器高度传感器红外姿态传感器（信息-->电信号）（信息采集）升降舵机副翼舵机尾翼舵机（执行电信号指令）地面操作与显示终端伺服作动子系统飞行控制计算机系统任务载荷子系统2.3.2飞控系统的组成第2章无人机测绘系统2.4地面控制系统2.4.1无人机飞行状态管理2.4.2机载任务载荷工作状态管理地面控制设备PC机电台遥控器（地面站）2.4地面控制系统2.4地面控制系统（1）飞行任务管理与规划（2）机载设备故障判断预处理（3）导航解算（4）遥控遥测管理（5）飞行性能管理2.4.2无人机飞行状态管理（1）遥控控制——无人机最基本的控制方式 a.小型的不做风洞实验的无人机——确定控制参数 b.具有自主飞行能力的无人机的降级控制——超出设定能力或出现故障（2）自主控制——目前先进无人机采用的主要控制方式

目前的无人机自主控制水平普遍不高，因为缺乏对于不确定事件的感知、判断与处理能力。（3）人工干预自动控制介于遥控控制和自主控制之间。2.4.1机载任务载荷工作状态管理第2章无人机测绘系统2.5无人机数据链路2.5.1无人机数据链路基本组成2.5.2无人机数据链路设备是一个多模式的智能通信系统，能感知工作区域电磁环境特征，根据环境特征和通信要求，实时动态调整通信系统工作参数，达到可靠通信或节省通信资源目的。按传输方向分为上行链路和下行链路。遥控指令遥测数据和图像（上行）（下行）2.5.1无人机数据链路基本组成机载数据终端地面数据终端指挥控制站下行链路上行链路2.5.1无人机数据链路基本组成机载部分：机载数据终端（射频接收机与发射机、调制解调器、飞行控制器、传感器、执行机构）、天线地面部分：地面数据终端（射频接收机与发射机、调制解调器、图像显示设备、工程控制计算机）、一副或几副天线无线电测控电台（射频接收机与发射机）调制解调器全向天线2.5.2无人机数据链路设备第2章无人机测绘系统2.6定位定向与动力系统2.6.1定位定向系统2.6.2动力系统一般是高精度惯性测量单元（IMU）+差分GNSS系统（DGPS）的组合系统。

DGPS：1台GNSS基准接收机+1台用户接收机。特点：定位精度高，但高速运动时易产生周跳。IMU：陀螺、加速度计、相关辅助电路。特点：独立定位定姿，抗干扰、隐蔽性好，但误差会随时间累积。+2.6.1定位定向系统动力系统分为三个部分：电池、电机和调速器、螺旋桨目前，低速、中低空无人机的动力装置：活塞式发动机——续航时间几小时到几十小时，使用最广泛转子发动机——重量轻，尺寸小，可靠性高，振动小无刷直流电动机——低速高转矩，高频正反转不发热，稳定运转进度高，性价比高，

是无人机动力首选活塞式发动机(Rotax)转子发动机（AR）无刷直流电动机（永磁）2.6.2动力系统第2章无人机测绘系统2.7发射与回收系统2.7.1发射系统2.7.2回收系统主要构件包括三个部分：弹射器做动系统弹射器附属系统弹射器控制系统弹射架——增大起飞速度，缩短滑跑距离2.7.1发射系统2.7.1发射系统2.7.1发射系统其他发射方式：跑道滑跑起飞车载滑跑起飞2.7.1发射系统火箭助推母机投放2.7.1发射系统其他发射方式：手抛发射垂直起飞2.7.1发射系统其他发射方式：国内外大多数无人机采用降落伞系统实施回收。完成任务后，安全回到地面1.无人机降落伞回收系统的优点适应范围广，性价比高成本低，可重复使用体积小，重量轻无需自动导航着陆系统场地要求低2.7.2回收系统2.无人机回收系统的一般要求着陆速度要求——产生足够阻力过载要求最低开伞高度要求——尽快开伞摆动角要求体积小，重量轻使用次数和寿命要求——多次使用回收可靠性要求2.7.2回收系统其他回收方式：撞网回收滑跑降落垂直降落2.7.2回收系统思考题1.无人机测绘系统主要由哪些部分构成?2.无人机驾驶飞行平台分哪几类?3.无人机测绘系统的任务荷载一般有哪几类?4.简述无人机飞行控制的基本原理。5.无人机测绘系统的动力有哪几种?6.利用降落伞回收无人机有什么特点?

无人机测绘技术自然资源与测绘学院徐军TelQ:93201471固定翼无人机旋翼无人机遥控指令遥测数据和图像（上行）（下行）无人机数据链路机载数据终端地面数据终端指挥控制站下行链路上行链路3.1

无人机飞行环境3.2

空气动力学基本原理3.3

翼型3.4

飞行的升力3.5 飞行的阻力与失速3.6 无人机的稳定性第3章无人机飞行基本原理第3章无人机飞行基本原理3.1无人机飞行环境3.1.1大气层3.1.2国际标准气压3.1无人机飞行环境（1）对流层：低纬度17-18km，中纬度10-12km，高纬度8-9km（2）平流层：55km（3）中间层：85km（4）电离层（暖层）：800km（5）散逸层：＞800km航空器的飞行活动环境是大气层。3.1.1大气层大气的特性：高度增加，空气密度减小。随着高度增加，空气压力减小。高度增加，气温近似线性降低（11000米对流层内）。空气的湿度越大，空气的密度越小。3.1.1大气层航空器的飞行活动环境是大气层。标准大气：为进行航空器设计、试验和分析时所用的，具有统一标准物理参数的大气。是由权威机构颁布的一种“模式大气”。标准大气表：依据实测资料，用简化方程近似表示大气参数沿高度变化排列形成的表。国际标准大气：简称ISA，由国际性组织颁布规定一个不变的大气环境，作为计算和试验飞机的统一标准。国家标准大气：由国家机构颁布的标准大气。3.1.1大气层海平面高度为0，气温为288.15

K、15

C或59

F。海平面气压为1013.2mBar(毫巴)或1013.2hPa(百帕)或29.92inHg(英寸汞柱)。国际标准大气参数3.1.2国际标准大气第3章无人机飞行基本原理3.2空气动力学基本原理3.2.1相对性原理3.2.2连续性原理3.2.3伯努利定理空气动力：空气作用在物体表面上的力升力：飞机克服自重保持在空气中飞行的力阻力：阻碍飞机前进的力。升力重力阻力拉力3.2空气动力学基本原理相对性原理：运动具有相对性。风洞：能产生稳定的气流的实验设备。风洞试验：把模型放在风洞里进行吹风实验，用来研究飞机的空气动力学问题。3.2.1相对性原理3.2.1相对性原理风洞实验1风洞实验23.2.1相对性原理流线：流体微团流动时所经过的路径。流管：流程中取一条不为流线的封闭曲线，经过该曲线上每一点做流线，由这些流线集合构成的管状曲面。（很多流线形成的管状曲面）流线越稠密，流线间距离缩小，流管变细3.2.1相对性原理流线和流线谱流线谱是所有流线的集合。3.2.1相对性原理流体模型化理想流体，不考虑流体粘性的影响。不可压流体，不考虑流体密度的变化，Ma<0.4。绝热流体，不考虑流体温度的变化，Ma<0.4。流体力学中表征流体可压缩程度的一个重要的无量纲参数，记为Ma，即马赫数3.2.1相对性原理连续性原理：单位时间内通过通道上任何截面的流体质量都相等。结论：空气流过一流管时，流速大小与截面积成反比。则根据质量守恒定律可得：即3.2.2连续性原理山谷里的风通常比平原大河水在河道窄的地方流得快，河道宽的地方流得慢日常的生活中的连续性定理高楼大厦之间的对流通常比空旷地带大3.2.2连续性原理3.2.3伯努利定理

同一流管的任意截面上，流体的静压与动压之和保持不变。能量守恒定律是伯努力定理的基础。

上式中第一项称为动压，第二项称为静压，第三项称为总压。3.2.3伯努利定理

—动压，单位体积空气所具有的动能。这是一种附加的压力，是空气在流动中受阻，流速降低时产生的压力。—静压，单位体积空气所具有的压力能。在静止的空气中，静压等于当时当地的大气压。—总压（全压），它是动压和静压之和。总压可以理解为，气流速度减小到零之点的静压。3.2.3伯努利定理同一流管：截面积大，流速小，压力大。截面积小，流速大，压力小。3.2.3伯努利定理伯努利定理适用条件气流是连续、稳定的，即流动是定常的。流动的空气与外界没有能量交换，即空气是绝热的。空气没有粘性，即空气为理想流体。空气密度是不变，即空气为不可压流。在同一条流线或同一条流管上。3.2.3伯努利定理第3章无人机飞行基本原理3.3翼型3.3.1翼型概述3.3.2翼型的组成3.3.3翼型的表示与分类翼型：机翼横截面的轮廓。3.3.1翼型概述翼型：机翼横截面的轮廓。前缘后缘翼弦最大弦厚一般为翼弦长的6%-8%最大弧高一般为翼弦的4%-8%3.3.2翼型的组成尾翼包括水平尾翼和垂直尾翼。水平尾翼=固定的水平安定面+可动的升降舵；垂直尾翼=固定的垂直安定面+可动的方向舵。3.3.2翼型的组成1.翼型的表示有些公司用翼型的编号来表示翼型的性质参数。NACA公司采用“四位数”翼型和“六位数”翼型。如：NACA2

4

12

NACA00

10中弧线最大弧高是翼弦长的2%最大弧高是在前缘算起40%的位置最大厚度是翼弦长的12%代表对称翼型最大厚度是翼弦长的10%3.3.3翼型的表示和分类1.翼型的分类3.3.3翼型的表示和分类椭圆形梯形后掠翼三角翼矩形机翼的平面形状3.3.3翼型的表示和分类翼型参数翼弦（直线）中弧线（直线或弧线）相对厚度（厚弦比)：反映了翼型的厚薄程度。最大厚度位置（比值）相对弯度：反映了上下翼面外凸程度差别的大小最大厚度最大中弧高前缘后缘前缘半径弦长翼弦中弧线上表面下表面3.3.3翼型的表示和分类机翼平面形状参数翼展展弦比梢根比后掠角翼根弦长翼尖弦长1/4弦线翼展后掠角翼弦典型飞机的展弦比ModelM(马赫数)AR(展弦比)后掠角F-152.53.0B737-3000.769.1725B747-4000.837.3937.5Concorde2.051.853.3.3翼型的表示和分类上反角下反角机翼沿横轴方向与机身关系3.3.3翼型的表示和分类平凸翼菱形翼3.3.3翼型的表示和分类机翼（B747在着陆进近中）3.3.3翼型的表示和分类尾翼V形尾翼T形尾翼常见布局尾翼3.3.3翼型的表示和分类单翼机双翼机多翼机3.3.3翼型的表示和分类下单翼上单翼中单翼3.3.3翼型的表示和分类第3章无人机飞行基本原理3.4飞行的升力3.4.1升力的产生3.4.2升力的计算理论依据：气流连续性原理和伯努利定理3.4.1升力的产生P1v1P2v2升力的产生原理3.4.1升力的产生压力中心——机翼升力的着力点。最低压力点——是机翼上表面负压最大的点。驻点——是正压最大的点，位于机翼前缘附近，该处气流流速为零。驻点最低压力点升力有关的几个概念（1）：3.4.1升力的产生根据风洞试验，流经机翼上缘质点比流经机翼下缘的质点先到达后缘。3.4.1升力的产生升力的计算公式：—飞机的升力系数—飞机的飞行动压—机翼的面积。飞机的升力与升力系数、飞行动压和机翼面积成正比。升力系数综合的表达了机翼形状、迎角等对飞机升力的影响。

物理意义:3.4.2升力的计算3.4.2升力的计算3.4.2升力的计算升力有关的几个概念：迎角：相对气流与翼弦的夹角，用α表示，也叫迎风角、攻角（Attachangle）。临界迎角：升力系数达到最大值时的迎角。失速：指迎角超过临界迎角时，飞机会因升力突然减少而下降的情况。3.4.2升力的计算3.4.2升力的计算第3章无人机飞行基本原理3.5飞行的阻力与失速3.5.1无人机飞行外界环境3.5.2阻力的产生3.5.3升阻比3.5.4失速1.空气

空气具有黏性。3.5.1无人机飞行外界环境2.边界层（附面层）边界层（附面层）：空气流过物体表面时，贴近物体表面的空气质点黏附在物体表面上，其运动速度为零，随着与物体表面距离的增加，空气质点的速度也逐渐增大。速度不受干扰的主流附面层边界物体表面3.5.1无人机飞行外界环境2.边界层（附面层）层流边界层：边界层内流动一层一层有规律的气流层紊流边界层：边界层内流动杂乱无章的气流层。3.5.1无人机飞行外界环境当流速很小时，流体分层流动，互不混合，称为层流，也称为稳流或片流；逐渐增加流速，流体的流线开始出现波浪状的摆动，摆动的频率及振幅随流速的增加而增加，此种流况称为过渡流；当流速增加到很大时，流线不再清楚可辨，在流场中有许多小漩涡，层流被破坏，相邻流层间不但有滑动，还有混合，从而形成紊流，又称为湍流、乱流或扰流。2.边界层（附面层）3.5.1无人机飞行外界环境3.边界层影响因素（1）气流的相对速度（2）气流流过物体表面长度（3）空气的黏性和密度（4）气流本身的的紊乱程度（5）物体表面的光滑程度和形状气流的流速越大，流过物体表面的距离越长，空气的密度越大，层流的边界层就越容易变成紊流边界层。3.5.1无人机飞行外界环境4.雷诺数——雷诺数——空气密度，近似值1.225kg/m3——空气同物体的相对速度——空气流过物体表面的距离——空气的黏性系数，μ=1.81×10-5Pa·S临界雷诺数：层流边界层变成紊流边界层的雷诺数。一般模型飞机机翼翼型的临界雷诺数大约是50000

3.5.1无人机飞行外界环境

阻力是与飞机运动轨迹平行，与飞行速度方向相反的力。阻力阻碍飞机的飞行，但没有阻力飞机又无法稳定飞行。3.5.2阻力的产生

对于低速飞机，根据阻力的形成原因，可将阻力分为：摩擦阻力(SkinFrictionDrag)压差阻力(FormDrag)干扰阻力(InterferenceDrag)诱导阻力(InducedDrag)废阻力(ParasiteDrag)升力粘性3.5.2阻力的产生1.摩擦阻力

由于紧贴飞机表面的空气受到阻碍作用而流速降低到零，根据作用力与反作用力定律，飞机必然受到空气的反作用力，与飞行方向相反，称为摩擦阻力。影响因素：表面积表面粗糙程度边界层状态3.5.2阻力的产生紊流附面层的摩擦阻力比层流附面层的大。飞机的表面积越大，摩擦阻力越大。飞机表面越粗糙，摩擦阻力越大。3.5.2阻力的产生2.压差阻力3.5.2阻力的产生2.压差阻力气流流过机翼后，在机翼的后缘部分产生附面层分离形成涡流区，压强降低；而在机翼前缘部分，气流受阻压强增大，这样机翼前后缘就产生了压力差，从而使机翼产生压差阻力。3.5.2阻力的产生2.压差阻力影响因素：形状空气黏度边界层状态在通常情况下，机翼的阻力主要是压差阻力和摩擦阻力。流线型物体：主要是摩擦阻力非流线型物体：主要是压差阻力举例：高铁车头设计成流线型的目的是为了减少压差阻力3.5.2阻力的产生3.诱导阻力

由于翼尖涡的诱导，导致气流下洗，在平行于相对气流方向出现阻碍飞机前进的力，这就是诱导阻力。3.5.2阻力的产生诱导阻力的相关概念：（1）翼尖涡

正常飞行时，下翼面的压强比上翼面高，在上下翼面压强差的作用下，下翼面的气流就会绕过翼尖流向上翼面。这一形成的漩涡，叫翼尖涡。3.5.2阻力的产生（2）下洗与下洗流：

下洗：机翼产生升力时引发流经机翼的气流向下运动，这个向下的速度分量称为~。

下洗流：下洗速度的存在，改变了翼型的气流方向，使流过翼型的气流向下倾斜，这个向下倾斜的气流称为下洗流，下洗流与相对气流之间的夹角称为下洗角ε。相对气流下洗流下洗角3.5.2阻力的产生（3）空气总动力

升力和阻力的合力称为总空气动力。3.5.2阻力的产生有限展长机翼与无限展长机翼相比，由于前者存在翼尖涡和下洗速度场，导致前者的总空气动力较后者更加后斜，即前者总空气动力沿飞行速度方向（即远前方相对气流方向）的分量较后者更大。这一增加的阻力即为诱导阻力。LL’D诱导阻力的产生：下洗速度下洗角总空气动力3.5.2阻力的产生机翼平面形状：

椭圆形机翼的诱导阻力最小。展弦比越大，诱导阻力越小升力越大，诱导阻力越大平直飞行中，诱导阻力与飞行速度平方成反比翼梢小翼可以减小诱导阻力影响诱导阻力的因素：3.5.2阻力的产生减小诱导阻力的方法一：改变机翼形状椭圆形机翼和梯形机翼的比矩形机翼的诱导阻力小。3.5.2阻力的产生减小诱导阻力的方法二：增大展弦比机翼展弦比倒数诱导阻力系数减少的百分比升力系数不变低展弦比使翼尖涡变强，诱导阻力增加。高展弦比使翼尖涡减弱，诱导阻力变小。翼弦(b)翼展（l）翼展：机翼两翼端之间的距离。展弦比：翼展与弦长的比值。3.5.2阻力的产生高展弦比飞机3.5.2阻力的产生减小诱导阻力的方法三：翼梢小翼

翼梢小翼改变了机翼沿展向分布的翼载荷。3.5.2阻力的产生翼梢小翼3.5.2阻力的产生4.干扰阻力

飞机的各个部件，如机翼、机身、尾翼、起落架、发动机、不同部件衔接处都产生附加阻力，整架飞机阻力与单独部件阻力总和之间的差值，称为干扰阻力。一般情况下，整架飞机的阻力要比各个部件阻力的总和大。3.5.2阻力的产生（1）涡流干扰

指产生升力的物体对它后面部件的影响，一般表现为不利干扰。（2）尾流干扰

尾流干扰与压差阻力密切相关，总是一种不利干扰。（3）压力干扰

任何两个互相连接的部件的结合处，不同部件的压力分布会互相影响。

干扰的类型：3.5.2阻力的产生飞机各部件之间的平滑过渡和整流蒙皮，可以有效地减小干扰阻力的大小。干扰阻力在飞机总阻力中所占比例较小。3.5.2阻力的产生

升力与阻力的比值，或升力系数与阻力系数的比，叫升阻比。可以用升阻比来评价一架飞机或一个机翼的好坏。升阻比公式:或机翼的弧线在一定范围内时，弯度越大，升阻比越大。3.5.3升阻比机翼超过临界迎角时，迎角再加大，阻力增加，升力反而减小，从而产生失速。美军F18战机失速坠毁3.5.4失速1.失速的原因（1）机翼迎角超过了允许的极限值，就会出现气流分离。（2）迎角进一步增大，边界层内空气质点流过机翼上表面最高点不远就开