无人技术应用 3

《智能无人机技术与应用》——无人机机械结构初探

A无人机结构及运动原理旋翼式无人机中的机械结构BCDE章节内容机械结构概述一些值得思考的问题F旋翼式无人机外部结构拓展课程预告无人机结构及运动原理1.无人机基本结构无人机结构及运动原理1.1机体坐标轴和基本运动状态

（1）纵轴（ox）从机头穿透机身的中心，从机尾穿出来的轴线，方向指向前。无人机沿着纵轴的水平运动称为前后运动，围绕纵轴的运动称为滚转运动。（2）横轴（oz）从一边的机翼末端，穿过机翼、机身，再从另一边机翼延伸到末端穿出来的轴线。无人机沿着横轴的水平运动称为左右运动，围绕横轴的运动称为俯仰运动。（3）立轴（oy）由上往下通过无人机重心，并与纵轴（ox）和横轴（oz）相互垂直的轴线。无人机沿着立轴的水平运动称为升降运动，围绕立轴的运动称为偏航运动。无人机结构及运动原理1.2飞行原理固定翼无人机的飞行原理基于空气动力学原理，通过空气的流动来产生升力和推力。当无人机在空中飞行时，翼面上的气流会由机翼上表面和下表面同时流动，而上表面流动速度较快，下表面流动速度较慢。这种速度差异会在机翼上方产生一个较低气压区域，同时在机翼下方产生一个较高气压区域。这种气压差会使得机翼受到向上的力，即升力。固定翼无人机的翼面设计非常重要。一般来说，机翼的形状以及角度会影响气流的流动，从而影响升力的产生。

无人机结构及运动原理1.2飞行原理伯努利定律是空气动力最重要的理论基础，简单地说，流体的速度越大，静压力越小；速度越小，静压力越大。升力公式？

以四旋翼无人机为例，详细讲解如下：如图所示，电机1和电机3逆时针旋转的同时，电机2和电机4顺时针旋转，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。与电动直升机相比，四旋翼飞行器有下列优势：各个旋翼对机身所施加的反扭矩与旋翼的旋转方向相反，因此当电机1和电机3逆时针旋转的同时，电机2和电机4顺时针旋转，可以平衡旋翼对机身的反扭矩。四旋翼无人机在空间共有六个自由度（分别沿3个坐标轴作平移和旋转动作），这六个自由度的控制都可以通过调节不同电机的转速来实现，但只有四个输入力，所以它又是一种欠驱动系统。无人机结构及运动原理1.3飞行控制

图中，当同时增加四个电机的输出功率，螺旋桨转速增加使得总的升力增大，当总升力足以克服整机的重量时，四旋翼无人机便离地垂直上升；反之，同时减小四个电机的输出功率，四旋翼无人机则垂直下降，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，在螺旋桨产生的升力等于四旋翼无人机的自重时，四旋翼无人机便保持悬停状态。保证四个螺旋桨转速同步增加或减小是垂直运动的关键。1.垂直运动，即升降控制无人机结构及运动原理

图中，电机1的转速上升，电机3的转速下降，电机2和电机4的转速保持不变。为了不因为螺旋桨转速的改变引起四旋翼无人机整体扭矩及总拉力改变，螺旋桨1与螺旋桨3转速变量的大小应相等。由于螺旋桨1的升力上升，螺旋桨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）；四旋翼无人机首先发生一定程度的倾斜，从而使螺旋桨升力产生水平分量，因此可以实现四旋翼无人机的后飞运动。抬头，向后飞。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，低头，向前飞，实现四旋翼无人机的俯仰运动及前后运动。2.俯仰运动、前后运动图1-12俯仰运动无人机结构及运动原理改变电机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），实现四旋翼无人机的滚转运动。同时，四旋翼无人机首先发生一定程度的倾斜，从而使螺旋桨升力产生水平分量，因此可以实现四旋翼无人机的侧向飞运动。例如，电机4的转速上升，电机2的转速下降，电机1和电机3的转速保持不变，无人机左滚，向左运动。3.滚转运动、侧向运动（左右运动）无人机结构及运动原理

四旋翼无人机偏航运动可以借助螺旋桨产生的反扭矩来实现。螺旋桨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，可使四个螺旋桨中的两个正转，两个反转，且对角线上的各个螺旋桨转动方向相同。反扭矩的大小与螺旋桨转速有关，当四个电机转速相同时，四个螺旋桨产生的反扭矩相互平衡，四旋翼无人机不发生转动；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无人机转动。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，螺旋桨1和螺旋桨3对机身的反扭矩大于螺旋桨2和螺旋桨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，实现四旋翼无人机的向右偏航运动，转向与电机1、电机3的转向相反。4.偏航运动机械结构概述指利用机械原理设计的、具有特定功能和形状的结构组件。机械结构定义机械结构是机械工程学科的基础，涉及力学、材料科学等多门学科。机械工程基础2.1机械结构的定义机械结构概述静结构主要承受静态载荷，如桥梁、建筑等。动结构主要承受动态载荷，如车辆、飞机等。机构由多个构件组成的复杂机械系统，如机器人、传动装置等。2.2机械结构的类型机械结构概述1234支撑和固定设备保护设备免受损坏提高设备稳定性和可靠性传递运动和力量2.3机械结构的作用机械结构概述1342.4无人机中机械结构的作用保护作用机械结构对无人机内部设备具有一定的保护作用，能够减少外部冲击对设备的影响。机械结构是无人机的骨架，承载着无人机的全部负载，包括机载设备、动力装置等。飞行控制无人机的机械结构通过与飞控系统的协同作用，实现对无人机的姿态、航向等飞行状态的控制。承载作用机械结构概述134固定翼无人机具有固定的机翼，飞行时通过机翼产生升力，具有飞行速度快、续航时间长等特点。固定翼结构旋翼无人机通过旋翼的旋转产生升力，具有垂直起降、悬停等能力，适用于复杂环境下的作业。多旋翼无人机是旋翼无人机的一种，通过多个旋翼的协同作用实现飞行控制，是目前应用最广泛的无人机类型之一。旋翼结构扑翼无人机模仿鸟类飞行，通过扑动翅膀产生升力，具有隐蔽性好、灵活性高等特点。扑翼结构01020403多旋翼结构2.5常见无人机机械结构类型旋翼式无人机中的机械结构旋翼式无人机的结构特点电机提供能源支持，需具备高能量密度、长寿命和快速充电等特点。电池动力传输系统将电机的动力传输到旋翼上，包括减速器、传动轴等部件。为无人机提供动力，其性能和功率需与无人机的重量和飞行性能相匹配。旋翼式无人机无传统意义上的传动机构，不存在机械损耗旋翼式无人机中的机械结构螺旋桨正反转的主要原因是平衡推力和减少振动噪声。‌当两个螺旋桨在同一方向旋转时，会产生一个侧向力，导致船只偏离目标方向，并增加振动和噪声。通过使两个螺旋桨以相反方向旋转，可以相互抵消侧向力，从而提高推进效率和稳定性。‌‌双螺旋桨正反转的应用场景包括大型客轮、货船、邮轮和军舰等。‌这些应用需要高效的推进力和稳定的航行，双螺旋桨的正反转模式不仅能提高运动效率和安全性能，还能减少对周围环境的干扰。1.螺旋桨正反转结构旋翼式无人机中的机械结构1.螺旋桨正反转结构旋翼式无人机中的机械结构以直升飞机为例，飞机要想正常飞行，螺旋桨所提供的升力要大于飞行升空的阻力。那么螺旋桨的高速旋转就提供了升力。如果要想改变飞行姿态，就需要改变桨叶的角度。但是高速旋转中的桨叶角度改变是十分困难的。首先，以单页船桨角度改变来分析，2.桨翼角度调节结构螺旋桨也可以通过改变叶片的攻角来调整飞机的飞行姿态、提供横向推力、实现向后或向前飞行等。综上所述，直升飞机螺旋桨的旋转产生的升力和调整叶片攻角的原理，使得直升飞机能够在低空飞行、悬停、起降等各种复杂飞行任务中发挥作用。旋翼式无人机中的机械结构2.桨翼角度调节结构旋翼式无人机中的机械结构旋翼式无人机的桨叶部分通常为不保护外露状态。由于桨翼与电机之间没有其他外加传动结构，因此，桨翼与电机可以成为独立运动构件。可以同过连杆机构的设置，将该独立构建设计为可以收拢展开的结构形式。3.无人机叶片回收结构旋翼式无人机外部机械结构拓展特殊设备维护农业植保复杂工作环境不同工作介质1.功能和应用领域的拓展促使无人机外部结构多样化发展旋翼式无人机外部机械结构拓展特定运动模式功能型外加结构防撞多介质适应2、功能和应用领域的拓展促使无人机需要具备新的运动能力旋翼式无人机外部机械结构拓展3、一些特别的结构—防撞无人机防撞结构是为了保障无人机在飞行过程中避免与障碍物发生碰撞而设计的一系列结构和技术。外部结构通常采用特殊的连接方式对无人机本体进行保护。碰撞发生时，外部保护框架可产生一定程度的弹性变形，起到缓冲作用，并有效避免无人机核心部件直接受到冲击作用。从而提高安全性。旋翼式无人机外部机械结构拓展3、一些特别的结构—机械手无人机应用于农业植保作业中时最常见的外部拓展结构就是格式各样的机械手。旋翼式无人机外部机械结构拓展3、一些特别的结构—复合运动无人机应用场景的不断拓展，促使无人机结构也相应发生拓展。无人机的运动空间已经从一般的低空延展到水陆空综合场景。由于运动场景不同，驱动及末端执行装置的结构也需要发生相应的改变。复合运动跳跃一些值得思考的问题轨道交通的路线都是规划设置好的，无人机飞往目的地的路线要怎样设定和规划呢？飞到哪里去？如何判断位置？如何保证位置？无人机到底是怎么完成飞行任务的？无人机出行需要地图吗？在这样天气里无人机还能完成悬停任务吗？一些值得思考的问题采用更轻、更强、更耐用的材料，提升无人机性能和寿命。新型材料应用高效能源系统自主飞行控制研发更高效的能源系统，提高无人机的续航能力。通过人工智能和机器学习技术，提升无人机的自主飞行和决策能力。未来的无人机会是什么样子的？一些值得思考的问题未来的无人机会是什么样子的？微型化设计微型传感器和导航系统微型能源系统通过优化设计和材料，实现更小的无人机体积和重量。