《无人机系统概论》课件 模块二 飞行器平台系统（2.1无人机机体类型）

无人机系统概论模块二

飞行器平台系统

本模块知识脉络2.1.1固定翼无人机机体2.1无人机机体类型

固定翼无人机机体是指通过固定的机翼产生升力、依靠动力装置产生前进的推力或拉力，维持飞行的无人机机体类型。1.构成

固定翼无人机的机身类型可以根据其结构特点进行分类，主要包括硬壳式、构架式和半硬壳式

3种。

硬壳式机身的结构简单，气动外形符合流线型特点，且内部可利用空间较大（见下图）。然而，由于硬壳式机身仅由蒙皮和少量横向隔框构成，没有纵向加强件，所以其承载能力相对较弱，因此在实际应用中较少见。（1）机身

构架式机身是由桁条、缘条、斜支柱、隔框等组成的一个立体桁架结构，外部覆盖的蒙皮仅用于整形和承受局部气动载荷，不参与整体受力（见下图）。

这意味着弯矩、剪力、扭矩全靠内部桁架承受，而蒙皮无法形成闭合盒式结构来增强扭转刚度。所以，桁架结构在受扭时容易发生几何变形，导致其抗扭性能差。此外，构架式机身需用张线或斜支柱抵抗扭矩，导致内部空间被分割，可利用有效空间较小。

半硬壳式机身包括桁梁式机身和桁条式机身两种形式。

半硬壳式机身通过纵向构件（如大梁）、横向构件（如桁条和隔框）与蒙皮共同承担机身的弯矩、剪力和扭矩。这种设计将载荷分散到多个构件上，而非完全依赖蒙皮承受所有应力。

此外，半硬壳式机身的蒙皮取代密集骨架成为主要承力件，内部不需要像构架式机身设计斜支柱，空间得以释放。这样，半硬壳式机身在保持一定强度的同时，能提供较大的内部空间，适用于需要较大载荷的无人机。桁梁式机身桁条式机身（2）机翼

机翼的主要功用是产生升力，以支持无人机在空中飞行，同时也起到一定的稳定和操控作用。在机翼上一般安装有副翼、襟翼和扰流板，操纵副翼可使飞机滚转，放下襟翼可使升力增大，扰流板打开可增加户助。

机翼的翼型、面积、展弦比等设计要素对飞行性能有重要影响。（3）尾翼

尾翼的作用是操纵飞机俯仰和偏转，保证飞机能平稳飞行。尾翼包括水平尾翼和垂直尾翼，分别用于控制飞机的俯仰和偏航。

水平尾翼包括固定的水平安定面和可动的升降舵，垂直尾翼包括固定的垂直安定面和可动的方向舵。（4）起落架

起落架的作用是在起飞、着陆滑跑、地面滑行和停放时支撑飞机。起落架通常由减震支柱和机轮组成，部分飞机还配备制动装置和收放机构。

此外，还有专供水上飞机起降带浮筒装置的起落架、雪地起飞用滑橇式起落架等特殊结构的起落架。（5）动力装置

动力装置是飞机飞行的动力来源，用于确保飞机能够克服空气阻力并保持飞行。现代固定翼无人机的动力装置有内燃机、电动机、混合动力等不同类型。以内燃机为动力源的无人机以电动机为动力源的无人机混合动力无人机

固定翼无人机在空中飞行时所做的运动是围绕重心在三维空间进行的。将重心作为飞机的旋转轴中心，那么它的3个运动轴就是横轴x、纵轴y、竖轴z。

无人机沿重心移动的自由度有3个，分别是沿x轴、y轴、z轴的平移；机体绕重心转动的自由度也有3个，分别是绕x轴的俯仰运动、绕y轴的滚转运动和绕z轴的偏航运动。2.操纵原理

固定翼无人机的姿态操纵原理主要依赖于其机翼和尾翼上的可动控制面，通过调整这些控制面的偏转角度，产生相应的气动力矩，从而改变飞机的飞行姿态。具体来说，固定翼无人机的姿态控制主要包括滚转、俯仰和偏航三个自由度，分别由副翼、升降舵和方向舵来控制。（1）滚转控制

滚转运动是飞机在水平方向上绕纵轴旋转，使飞机能够进行转弯。滚转控制主要通过副翼的差动偏转来实现。当操作员向右压杆时，右侧副翼上偏，左侧副翼下偏。上偏的副翼会减小该侧机翼的升力，而下偏的副翼则增大该侧机翼的升力。这种升力差会产生一个滚转力矩，使飞机向右滚转。滚转过程中，由于没有侧滑，因此没有横向稳定力矩，滚转角速度的变化主要取决于横向操纵力矩和阻尼力矩。（2）俯仰控制

俯仰运动是飞机绕横轴旋转，使飞机能够上升或下降。俯仰控制主要通过升降舵的偏转来实现。当操作员拉杆时，升降舵上偏，产生一个向下的力矩，使飞机抬头；当飞行员推杆时，升降舵下偏，产生一个向上的力矩，使飞机低头。这种力矩的变化会影响飞机的攻角和升力，从而改变飞机的俯仰姿态。（3）偏航控制

偏航运动是飞机绕竖轴旋转，使飞机能够改变航向。偏航控制主要通过方向舵的偏转来实现。当操作员踩舵时，方向舵偏转，产生一个侧向力矩，使飞机向一侧偏转。这种偏航力矩会影响飞机的侧滑角和航向，从而改变飞机的偏航姿态。续航时间长通常搭载燃油发动机或高能量电池，续航时间可达数小时，使用燃气发动机时飞行时间甚至可超过16h，适合执行环境监测、农业巡检、测绘、军事侦察等长时间飞行任务。飞行速度快与多旋翼无人机相比飞行速度更快，能够快速覆盖大面积区域，适用于灾害救援、军事侦察等需要快速响应的场景。飞行效率高机翼结构使其飞行过程中具有更高的燃油效率，能量消耗较低，在相同电量或燃油条件下比多旋翼无人机飞行更长的距离和时间。载荷能力强机身结构设计使其往往可以携带较大的有效载荷，包括传感器、影像设备、通信设备、武器弹药等，满足多种任务需求。飞行高度高通常能够在较高的高度飞行，受地面障碍物的影响较小，提高了飞行安全性。抗风能力强设计使其在风速较高的环境中仍能保持稳定飞行，适合在复杂气象条件下执行任务。3.优缺点（1）主要优点操作复杂飞行速度较快且飞行路径固定，需要较高的操控技巧，对操作员的要求较高。起降要求高需通过滑行或长距离加速才能获得足够升力起飞，降落时同样需要滑行减速，导致在山区、城市密集区复杂地形或应急场景中难以快速部署。无法悬停升力的获取依赖于飞行速度，因此无法在空中悬停，在需要长时间定点观察或拍摄的场景中受到限制，例如在航拍、考古调查等任务中，难以获取连续的图像或数据。航线灵活性较差通常只能按照预设的固定航线飞行，灵活性较差，限制了在需要灵活调整飞行路径的任务中的应用，例如在执行巡逻任务时，若用户需临时新增紧急目标，难以及时响应。低速飞行风险较大在低速飞行时，若空速低于失速速度，将因升力不足而失去控制；低速飞行状态下，操控响应更依赖精确的油门和姿态调整，操作失误容易导致失控。（2）主要缺点2.1.2单旋翼无人机机体

单旋翼无人机机体的结构原理与有人驾驶的直升机相似，通常由机身、主旋翼、尾翼（或尾舵）、起落架、动力装置等部件组成。单旋翼无人机机体依靠旋翼的旋转产生升力，同时通过动力装置提供前进的推力或拉力，以维持飞行状态。1.构成

按照承力形式不同，机身的构造形式可分为桁架式和承力蒙皮式两大类。

桁架式机身主要是由钢管焊接而成的空间桁架，各杆件以轴向力的形式传递载荷，并在外侧固定有隔框、桁条和蒙皮，从而实现机身整形、减阻。桁架式机身的特点是质量轻，便于承受集中载荷，但是抗弯和抗扭刚度差，内部空间得不到充分利用。桁架式机身又可分成普拉特式（或叫N型）和瓦轮式（称为W型）两种。（1）机身普拉特式机身瓦轮式机身

承力蒙皮式机身主要由纵向构件、横向构件和承力蒙皮组成。

其中，纵向构件（纵梁）用来维持结构外形，支撑蒙皮，提高蒙皮承载能力，承受和传递弯矩和轴向载荷。横向构件（隔框）分为普通隔框与加强隔框两种。普通隔框主要用于维持结构外形，提高纵向构件的抗稳能力，并承受蒙皮传来的气动载荷；加强隔框除上述作用外，主要用来承受和传递较大的横向集中载荷。蒙皮直接构成机身的外形，它除了承受气动载荷外，还承受和传递剪力、扭矩、弯矩等结构载荷。

主旋翼是单旋翼无人机的核心部件之一，通常由桨毂和数片桨叶构成。桨毂安装在旋翼轴上，而桨叶则连接在桨毂上。

主旋翼旋转的平面既是升力面也是操纵面，主旋翼的主要作用有3个：一是产生升力以平衡无人机的重力，产生向前的水平分力以克服空气阻力，使无人机前进；二是产生侧向或向后的水平分力，使得无人机从悬停状态进入侧飞或向后飞的状态；三是通过产生分力及力矩来对无人机进行控制或机动飞行，类似于飞机上各种操纵面所起的作用。（2）主旋翼

单旋翼无人机的主旋翼旋转以产生升力时，由于旋翼对空气施加了旋转方向的力，根据牛顿第三定律，空气必然会对旋翼产生一个大小相等、方向相反的反扭矩。这个反扭矩会传递到机身，从而试图使无人机机体朝着与旋翼相反的方向旋转，即所谓的自旋现象。

为了抵消主旋翼产生的反扭矩，单旋翼无人机通常需要配备一个尾桨。尾桨通常安装在尾梁或垂尾上，由尾桨旋转产生水平方向的推力，该推力相对于无人机机体重心形成的反扭矩可阻止无人机机体自旋，从而实现平衡。（3）尾桨

起落架是单旋翼无人机上用于地面停放时支撑质量和着陆时吸收撞击能量的部件，可以分为轮式、滑橇式、浮筒式等类型。

其中轮式起落架与固定翼无人机的起落架类似，主要包括机轮和减震器等部件。滑橇式起落架结构简单，质量轻但无法收放，飞行阻力大，不便于地面滑行，对起降地点要求较高。浮筒式起落架主要用于水上起降或应急迫降。下图为安装有滑橇式和浮筒式起落架的单旋翼无人机。（4）起落架

中大型单旋翼无人机的动力装置以涡轴发动机和航空活塞发动机居多，前者功率密度高、响应快，适合大载荷和舰载高机动任务；后者油耗低、成本低，适合中低空长航时巡检。当前，研究领域正探索氢燃料电池或涡轮发电的混合电推进，但相关技术尚未成熟。（5）动力装置涡轴发动机活塞发动机

单旋翼无人机飞行时，旋翼不断旋转，空气流过桨叶上表面时，流管变细，流速加快，压强变小；空气流过桨叶下表面时，流管变粗，流速变慢，压强变大。这样一来桨叶的上、下表面就形成了压力差，桨叶上产生一个向上的拉力，各桨叶拉力之和就是旋翼的拉力。2.操纵原理

单旋翼无人机飞行时，旋翼的桨叶会形成一个带有一定锥度的、底面朝上的大锥体，将其称为旋翼锥体。如图（a）所示，旋翼的拉力T垂直于旋翼锥体的底面，当向上的拉力T大于无人机自重G时，无人机就上升；当向上的拉力T小于无人机自重G时，无人机就下降；刚好相等，无人机就悬停。

通过控制旋翼锥体向前、后、左、右各方向的倾斜，就可以改变旋翼拉力的方向和分力的大小，从而实现无人机向不同方向的飞行动作，如图（b）所示。

01高效率与长续航能力单旋翼无人机结构设计类似于传统直升机，具有用于升力的单个大旋翼以及控制方向和稳定性的尾旋翼，因此在能源使用方面优于多旋翼无人机，飞行时间往往较长，适合执行需要长时间监测或测绘的任务。

02高载荷能力单旋翼无人机能够承载较重的有效载荷，非常适合搭载激光雷达扫描仪、大型摄影设备或其他专业设备。

03垂直起降与悬停能力单旋翼无人机具备垂直起降和悬停飞行的能力，这使得它们能够在狭小的空间内操作，例如城市环境中的建筑检查或电力线巡检。

04高速飞行能力相比于多旋翼无人机，单旋翼无人机的飞行速度更快，适合执行需要快速覆盖大面积区域的任务，如空中测绘或管道检查。3.优缺点（1）主要优点3.优缺点（2）主要缺点操作复杂且成本高操作难度较高，需专门培训且熟练的操作员操作；结构复杂，维护成本高，零部件磨损严重，维修和更换成本较高。振动大旋翼运行过程中会产生较大振动，可能影响搭载的精密设备性能，如光学相机或传感器等。旋翼危险性开放式旋翼在运行时可能对周围人员或物体造成伤害，特别是在户外作业时，存在一定安全隐患。2.1.3多旋翼无人机机体

多旋翼无人机的机体结构比较简单，不需要复杂的梁、框、桁条等部件，其机体可划分为机架和动力系统两大部分。其中机架又包括机身、机臂和起落架。多旋翼无人机的动力系统多采用电机驱动的方式，包括电机、电调、电池和螺旋桨等部件。1.构成（1）机身

机架是多旋翼无人机的主体结构，通常由轻质且高强度的材料制成，如碳纤维或铝合金。在机架中，机身不仅承载其他部件，还为电机、电池、飞控系统等提供安装基础。机臂是连接机身和旋翼的结构，通常为“十”字形或X形布局。

机架结构根据可连接机臂数量可分为四轴、六轴、八轴。不同机臂数量的无人机各有优劣，可根据应用场合灵活选择。

四轴无人机的优势是航时长，结构简单；

六轴和八轴无人机要比四轴无人机航时短，但其飞行稳定性相比四轴无人机有所提高。

六轴和八轴无人机的另外一个优点是：在飞行过程中，若其中一个机臂出现问题造成电机停转，另外的机臂依然可以控制无人机保持平稳。

图为六轴植保无人机。（2）起落架

起落架（又称脚架、支撑脚）用于在地面停放无人机，并在飞行过程中提供稳定性。大部分多旋翼无人机的起落架采用不可以收放的固定结构，对于飞行速度较高的多旋翼无人机可采用可折叠的起落架（见下图），或者设计为阻力更小的细杆。（3）动力系统

动力系统是多旋翼无人机的动力来源，主要部件包括电池、电机、电调和螺旋桨。下图所示是电池、电机和电调的连接示意。

多旋翼无人机通过调节多个电机转速来改变螺旋桨转速，实现升力的变化，进而达到飞行姿态控制的目的，本处以四旋翼无人机为例进行说明。

在下图中，箭头在旋翼的运动平面上方表示对应电机转速升高；反之，箭头在旋翼的运动平面下方表示对应电机转速降低。

四旋翼无人机中对角线上的两个电机旋转方向一致，而相邻电机旋转方向相反，因此当无人机平衡飞行时，陀螺效应和空气动力扭矩效应均被抵消。2.操纵原理（1）垂直运动

同时增大无人机4个旋翼的转速，使得总升力大于无人机整体所受重力后无人机将沿着z轴垂直上升；

反之，减小4个旋翼的转速使总升力小于无人机整体所受重力后，无人机将垂直降落。在无外界干扰的情况下，若总升力等于无人机整体所受重力时无人机将保持悬停。（2）垂直运动

多旋翼无人机对角线上的电机2和4保持转速不变，另一对角线上的电机1转速升高，电机3转速降低，改变量大小相同。这样旋翼1的升力增大，而旋翼3的升力减小，产生的不平衡力矩将使得机身绕y轴旋转。

同理，如果电机1转速降低，电机3转速升高，机身则将绕y轴向另一个方向旋转，实现无人机的俯仰运动。（3）滚转运动

滚转运动的原理与俯仰运动相似。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，则可使得机身绕x轴旋转，实现无人机的滚转运动。（5）前后运动

要实现无人机在水平面内前后运动，必须在水平面内对无人机施加一定的力。升高电机3的转速，使其对应的螺旋桨拉力增大；相应降低电机1的转速，使其对应的螺旋桨拉力减小，同时保持其他两个电机转速不变，此时反扭矩仍然会保持平衡。

按图（b）的理论，无人机首先发生一定程度的倾斜（俯仰），从而使旋翼拉力产生水平分量，因此