无人机结构与系统教学 课件 项目2 分析无人机飞行原理

项目2·分析无人机飞行原理任务2.1分析空气动力学的基础看不见的手——空气动力学基础原理课程导入纸片实验解读伯努利原理小球悬停展现气压变化现象类比实验剖析机翼升力成因伯努利原理如何解释生活与飞行现象？01两张纸中间吹气为什么会相互靠近？流体流速大的地方压强小。两纸之间的气流快、压强低，外侧大气压把纸「压」拢。02乒乓球放在吹风机风口上方为什么会悬停？吹风机气流中心压强低、四周高，球一旦偏离就被外侧高压推回，形成稳定的悬浮平衡。03这和飞机飞行的原理一样吗？机翼上表面弯曲、下表面较平，使上表面气流快、压强低，下表面压强大，合力向上即为升力——本质都是「流速差→压强差→力」。课程目录本任务知识模块看不见的手——空气动力学基础原理空气动力学的基本概念01空气动力学的基本规律02作用在无人机上的空气动力03飞行的运动规律04无人机的机体坐标轴与基本运动状态0501空气动力学的基本概念讲解空气动力学基础概念，包含空气本质、大气特性与相对运动相关知识空气的组成与物理特性第一部分·空气动力学的基本概念一、空气的组成空气是无色无味的混合气体氮气≈78%：性质稳定氧气≈21%：维持呼吸、支持燃烧稀有气体≈0.934%：用于特种工业二氧化碳≈0.04%：光合作用原料水蒸气、杂质等：受环境影响，影响天气空气的组成与物理特性第一部分·空气动力学的基本概念二、空气关键物理特性密度ρ：单位体积空气质量，直接影响飞行器升力、阻力、发动机推力

规律：高度越高，密度越小；同气压下温度越高，密度越小大气压力P：单位面积垂直受力，随高度升高而降低黏性：流体内部的内摩擦力，是摩擦阻力的来源理想气体状态方程：定性理解压力、温度、密度三者互相影响关系三、雷诺数Re物理意义：衡量流体惯性力与黏性力的相对大小，判断流体流动状态（层流/湍流）空气的组成与物理特性第一部分·空气动力学的基本概念流动状态划分Re＜2000：层流，黏性力占主导，流层平稳清晰2000＜Re＜4000：过渡流，层流湍流交替Re＞4000：湍流，惯性力占主导，产生漩涡，阻力增大课堂提示：雷诺数是飞行器设计、风洞试验的重要参考依据四、相对运动基础飞行器空气动力只取决于相对气流，和地面是否有风无关。1.空速：飞行器相对于空气的运动速度，决定飞行器气动状态（升力、阻力）。2.地速：飞行器相对于地面的运动速度，决定实际飞行耗时。3.二者关系：地速=空速+风速无风：地速=空速顺风：地速＞空速逆风：地速＜空速实例：往返航班飞行时长不一样，就是风向造成地速变化。空气的组成与物理特性第一部分·空气动力学的基本概念02空气动力学的基本规律介绍空气动力学基本规律，涉及连续性方程、伯努利原理以及地面效应连续性方程第二部分·空气动力学的基本规律连续性方程（质量守恒在流体中的应用）核心概念：定常流动时，同一时间流入截面的流体质量=流出截面的流体质量。低速空气近似不可压缩：规律：管道截面越小，气流流速越大。课堂提示：该方程常结合伯努利原理，共同解释机翼升力来源。伯努利原理与升力成因第二部分·空气动力学的基本规律机翼升力产生气流流过机翼，上表面流道窄，气流流速快→压力低机翼下表面流道宽，气流流速慢→压力高机翼上下形成压力差，压力差即为升力伯努利原理图伯努利原理

核心结论：定常流动下，流速大，静压小；流速小，静压大。

物理本质：理想流体流动时，动能与压强势能相互转换，总机械能守恒。地面效应第二部分·空气动力学的基本规律地面效应现象飞行器贴近地面/水面飞行时，受地面干扰气流，产生的气动变化。升力增大诱导阻力减小升阻比提升，飞行效率更高产生原因地面抑制翼尖涡流，减弱下洗流，机翼上下压力差增大。实际影响与案例飞行器起降：着陆阶段会出现“飘浮”现象，需调整油门姿态，保证着陆安全。F1赛车：利用地面效应产生下压力，提升高速行驶抓地稳定性。F1赛车弯道驰骋飞行器着陆03作用在无人机上的空气动力分析无人机承受的空气动力，阐述升力成因、影响因素、增升装置和阻力升力的产生两种解释：伯努利原理（压力差）+牛顿第三定律（气流反作用力）升力作用：克服无人机自身重力，实现升空飞行迎角：机翼翼弦与相对来流的夹角一定范围内：迎角增大→升力增大临界迎角：升力达到最大值对应的迎角失速：迎角超过临界迎角，机翼上表面气流大面积分离，升力急剧下降，易造成飞行器失控升力公式：要点：升力与速度平方成正比；海拔、温度会通过空气密度影响升力。升力及升力公式第三部分·作用在无人机上的空气动力增升装置第三部分·作用在无人机上的空气动力作用：提升升力系数，改善低速起降性能后缘襟翼起降阶段向下展开，增大机翼弯度、扩大有效机翼面积，低速下获得更大升力。巡航状态收起，降低阻力。2.前缘缝翼机翼前缘打开缝隙，引入高速气流，延缓机翼上表面气流分离，提高临界迎角，推迟失速。无人机的阻力第三部分·作用在无人机上的空气动力阻力：空气阻碍飞行器向前运动的力，需要发动机推力进行平衡。阻力分为4类：摩擦阻力：由空气黏性产生，受飞行器表面积、表面粗糙度影响。光滑机身可以减小摩擦阻力。压差阻力：物体前后压力差形成的阻力；迎风面积越大，压差阻力越大；采用流线型外形可降低压差阻力。干扰阻力：机身、机翼等不同部件连接处气流互相干扰产生的阻力，部件整流可减小干扰阻力。诱导阻力：机翼翼尖涡流带来的伴随阻力，是产生升力时不可避免的阻力。04飞行的运动规律讲解飞行运动规律，涵盖力学定律、飞行要素以及风洞实验相关内容速度、加速度与增升装置第四部分·飞行的运动规律速度与加速度速度：决定升力基础阈值，起飞要达到离地速度，着陆要减速低于离地速度。加速度：代表速度变化快慢，由推力、阻力、重力的合力决定。和增升装置的关联起飞：增升装置降低所需离地速度，缩短滑跑距离；虽会增大阻力，但可以更早离地，减小地面摩擦，提升加速效率。着陆：低速状态维持足够升力，配合制动控制减速加速度，控制滑跑距离，保障机身稳定。特殊机型：固定翼垂直起降无人机过渡阶段，增升装置缓解速度突变带来的升力波动。牛顿三大运动定律在无人机上的应用牛顿第一定律（惯性定律）合力为零，物体保持静止或匀速直线运动。静止：重力与地面支持力平衡。巡航平飞：升力平衡重力，推力平衡阻力，匀速直线飞行。着陆滑行停止：合力归零，无人机保持静止。牛顿第二定律（力与加速度）合外力产生加速度，合力越大加速度越大；质量越大加速度越小。起飞：推力大于阻力，获得向前加速度；升力大于重力，获得向上加速度，飞机离地。爬升、加速、减速、着陆制动，均由合力改变运动状态。力总是成对出现。螺旋桨对空气做功，空气反作用产生推力；尾翼、副翼拨动气流，气流反作用力实现姿态偏转；飞机接地，起落架与地面相互作用缓冲冲击。牛顿第三定律（作用力与反作用力）第四部分·飞行的运动规律无人机从静止、加速飞行到姿态变化、落地制动，每一个飞行动作，都可以用牛顿三大运动定律解释。无人机飞行三大要素系统第四部分·飞行的运动规律三者协同：机翼管升力、动力管推力、操纵管姿态，共同完成稳定飞行。机翼系统——提供升力核心作用：产生升力，平衡重力。升力受机翼面积、空气密度、相对速度影响；襟翼等增升装置，提升低速起降阶段升力系数。动力系统——提供推力核心作用：输出推力，平衡空气阻力与地面摩擦力。推力＝阻力→匀速飞行；推力＞阻力→加速；推力＜阻力→减速。动力输出决定速度调节范围，直接影响飞行续航。通过副翼、升降舵、尾翼、旋翼转速改变力和力矩。副翼实现滚转；升降舵完成爬升/俯冲。系统响应快慢，直接决定飞行稳定性与操控精度。操纵系统——控制姿态风洞实验第四部分·飞行的运动规律模拟真实气流环境，在可控条件下测试无人机模型，把空气动力学理论转化为实际设计参数。在三大系统中的应用1.机翼系统测试不同翼型、迎角、襟翼展开角度，获取升力数据，确定增升装置最佳工作状态。2.动力系统测量摩擦阻力、压差阻力，确定所需最小推力；优化螺旋桨叶片，提升动力效率与续航。3.操纵系统模拟副翼、尾翼偏转，观测压力分布，测试滚转、俯仰力矩，确定舵面合理偏转范围，规避气流分离，保障操纵安全。05无人机的机体坐标轴与基本运动状态介绍不同无人机机体坐标轴，说明固定翼与旋翼无人机的基本运动状态第五部分·无人机的机体坐标轴与基本运动状态以无人机重心为原点，坐标轴与机体固连，随机身姿态同步转动。纵轴OX（X轴，滚转轴）：指向机头正前方。绕X轴转动：滚转（机身左右倾斜）横轴OY（Y轴，俯仰轴）：指向机身右侧。绕Y轴转动：俯仰（机头上下抬头/低头）立轴OZ（Z轴，偏航轴）：垂直机身平面向上。绕Z轴转动：偏航（机身水平转向）记忆小技巧：右手比划，掌心对机头，四指指向机身右侧，拇指向上即为Z轴正方向。运动区分沿坐标轴：平移运动（前后、左右、升降）绕坐标轴：旋转运动（滚转、俯仰、偏航）机体坐标轴定义固定翼无人机基本运动依靠舵面偏转改变气动力，实现三轴姿态运动滚转（绕OX轴）：副翼差动偏转，两侧机翼升力差，机身左右倾斜。俯仰（绕OY轴）：升降舵偏转，改变尾部气动力，实现抬头、低头。偏航（绕OZ轴）：方向舵偏转，改变尾翼侧向力，实现机身水平转向。小结：固定翼依靠三大舵面（副翼、升降舵、方向舵）完成三轴姿态控制。无人机的机体坐标轴第五部分·无人机的机体坐标轴与基本运动状态四旋翼无人机基本运动通过调节4个电机转速，改变旋翼升力与反扭矩，实现全部运动。1.垂直运动（沿Z轴）：4个旋翼转速同步变化总升力＞重力→上升；总升力＜重力→下降；总升力=重力→悬停。2.俯仰/前后运动（绕Y轴）：前后两组旋翼形成转速差前侧转速降低、后侧升高→机头下俯，机身向前飞行。3.滚转/侧向运动（绕X轴）：左右两组旋翼形成转速差右侧转速降低、左侧升高→机身右滚，向右侧飞。4.偏航运动（绕Z轴）：利用旋翼反扭矩，对角旋翼转速差一对对角旋翼加速，另一对对角旋翼减速，打破反扭矩平衡，实现机身水平旋转。第五部分·无人机的机体坐标轴与基本运动状态课堂总结任务2.1分析空气动力学的基础——核心要点回顾空气动力学基础知识总结空气动力学的基本概念讲解空气动力学基础概念，包含空气本质、大气特性与相对运动相关知识01空气动力学的基本规律介绍空气动力学基本规律，涉及连续性方程、伯努利原理以及地面效应02作用在无人机上的空气动力分析无人机承受的空气动力，阐述升力成因、影响因素、增升装置和阻力03飞行的运动规律讲解飞行运动规律，涵盖力学定律、飞行要素以及风洞实验相关内容04无人机的机体坐标轴与基本运动状态介绍不同无人机机体坐标轴，说明固定翼与旋翼无人机的基本运动状态05结合空气动力学基础知识，请思考：固定翼无人机依靠什么产生升力？尾翼又在飞行中起到什么作用？探索永无止境读懂无人机结构与系统，也是读懂人类钻研航空科技、拓展低空应用的创新历程项目2·分析无人机飞行原理任务2.2分析固定翼无人机的飞行原理升力从何而来——固定翼飞行原理课程导入推力促成固定翼无人机起飞，机翼上下压差生成升力，舵面操控飞行器姿态。分析无人机飞行原理01固定翼无人机是怎么飞起来的？发动机推力使飞机加速滑跑，机翼获得足够相对气流，当升力大于重力时离地。02机翼上下表面哪个地方空气流动更快？机翼翼型使上表面气流路径更长、流速更快、压强更低；下表面流速慢、压强高，上下压差即为升力（上表面气流更快）。03升降舵向上偏转时飞机会怎样？升降舵上偏→水平尾翼产生向下升力→机头上仰（爬升）；副翼差动使机翼滚转；方向舵控制偏航；着陆时襟翼增升、拉平飘降。课程目录本任务知识模块升力从何而来——固定翼飞行原理固定翼无人机升力的产生固定翼靠机翼压力差产生升力，迎角超临界值会失速。01固定翼无人机的增升装置增升装置用于低速起降，分缝翼、襟翼，通过多种方式提升升力。02固定翼无人机的飞行控制方式舵面与油门控制姿态轨迹，尾翼保障固定翼无人机飞行稳定。0301固定翼无人机升力的产生固定翼靠机翼压力差产生升力，迎角超临界值会失速升力产生原理第一部分·固定翼无人机升力的产生伯努利原理流体流速越大，压强越小；流速越小，压强越大。“上凸下平”翼型气流分析机翼上表面：气流路径长→流速快→压强低机翼下表面：气流路径短→流速慢→压强高机翼上下表面形成压力差，由此产生升力迎角对升力的影响迎角：机翼翼弦和来流气流的夹角一定范围内：迎角增大，升力增大临界迎角：升力达到最大值对应的迎角失速：超过临界迎角，气流分离，升力急剧下降，飞行失控02固定翼无人机的增升装置增升装置用于低速起降，分缝翼、襟翼，通过多种方式提升升力增升装置概述第二部分·固定翼无人机的增升装置三种增升途径增大翼型弯度，加大机翼上下压力差延缓机翼上表面气流分离，提高临界迎角增大机翼有效面积作用提升最大升力系数，解决低速起降升力不足，缩短滑跑距离。三类主要增升装置前缘缝翼后缘襟翼前缘襟翼前缘缝翼与前缘襟翼前缘缝翼结构：机翼前缘可活动小翼面原理：打开形成缝隙，下翼面高压气流通过缝隙流向上翼面，延缓气流分离作用：提高临界迎角，增大最大升力系数，推迟失速分类：固定式：结构简单，高速阻力大，少用；自动式：随迎角自动开闭，应用广泛前缘缝翼气流分离示意图前缘襟翼位置：机翼前缘原理：放下后增大翼型弯度，延缓气流分离作用：提高最大升力系数与临界迎角第二部分·固定翼无人机的增升装置后缘襟翼1.简单襟翼下放增大翼型弯度；升力系数提升65%‑75%，结构简单。2.分裂襟翼（开裂襟翼）后缘下板向下旋转，形成低压区；升力系数提升75%‑85%。3.

开缝襟翼偏转同时形成缝隙，高压气流吹过上表面延缓分离；升力系数提升85%‑95%。4.后退襟翼向下偏转同时向后滑动，同时增大弯度与机翼面积；增升效果最强，升力系数提升110%‑140%。安装在机翼后缘，主要用于起飞、着陆阶段，增升同时阻力也会增大。第二部分·固定翼无人机的增升装置03固定翼无人机的飞行控制方式舵面与油门控制姿态轨迹，尾翼保障固定翼无人机飞行稳定固定翼无人机姿态运动控制第三部分·固定翼无人机的飞行控制方式核心：操纵面偏转+油门推力调节，改变无人机受力，调整姿态与飞行轨迹俯仰运动：升降舵偏转拉杆：升降舵上偏→机头上仰推杆：升降舵下偏→机头下俯滚转运动：副翼差动偏转向左压杆：左副翼上偏、右副翼下偏→机身向左滚转向右压杆：右副翼上偏、左副翼下偏→机身向右滚转偏航运动：方向舵偏转左拨舵：方向舵左偏→机头向左偏转右拨舵：方向舵右偏→机头向右偏转升降运动（爬升/下降）：升降舵配合油门控制增大油门+拉杆抬头，实现爬升减小油门+推杆低头，实现下降尾翼的稳定作用第三部分·固定翼无人机的飞行控制方式尾翼分为水平尾翼、垂直尾翼，是无人机的飞行“平衡器”。水平尾翼功能：提供俯仰稳定性原理：产生反向力矩，抵消机头抬头/低头的趋势，抑制机头上下摆动，平衡俯仰力矩。垂直尾翼功能：提供航向（偏航）稳定性原理：抵御侧风干扰，产生恢复力矩，自动修正机头航向偏移，避免机头随意偏转。飞行控制知识小结第三部分·固定翼无人机的飞行控制方式固定翼飞行本质气动力平衡+操纵面主动调节协同工作机翼产生升力，动力系统推力克服飞行阻力；水平、垂直尾翼提供基础飞行稳定性；副翼、升降舵、方向舵偏转实现姿态调整；油门改变推力，配合舵面完成爬升、下降等轨迹控制；飞控系统进一步提升飞行的自动化与稳定性。课堂总结任务2.2

分析固定翼无人机的飞行原理多旋翼无人机平台知识点总结1固定翼无人机升力的产生固定翼靠机翼压力差产生升力，迎角超临界值会失速。2固定翼无人机的增升装置增升装置用于低速起降，分缝翼、襟翼，通过多种方式提升升力。3固定翼无人机的飞行控制方式舵面与油门控制姿态轨迹，尾翼保障固定翼无人机飞行稳定。固定翼通过舵面完成飞行控制，那无人直升机依靠什么机构改变飞行方向？探索永无止境读懂无人机结构与系统，也是读懂人类钻研航空科技、拓展低空应用的创新历程项目2·分析无人机飞行原理任务2.3分析无人直升机的飞行原理旋翼的空气魔法——直升机飞行原理课程导入受力平衡实现悬停尾桨抵消反扭矩尾桨控制转向动作直升机悬停与转向原理01无人直升机为什么能在空中纹丝不动地悬停？主旋翼总拉力精确等于重力且力矩配平，机身保持零速稳定悬停。02主旋翼旋转时，机身为什么不会跟着一起转？主旋翼旋转会给机身反向动量，若没有尾桨机身会反向旋转；尾桨产生侧向力抵消反扭矩。03它是如何实现左右转向的？改变尾桨推力大小打破反扭矩平衡，机身绕立轴偏转，由脚蹬/舵量控制左右转向。课程目录本任务知识模块旋翼的空气魔法——直升机飞行原理旋翼升力01无人直升机悬停02旋翼反扭距03桨毂倾斜器改变移动方向04无人直升机的飞行控制方式0501旋翼升力旋翼总升力由压力差与动量升力组成，克服重力实现悬停上升旋翼升力第一部分·旋翼升力升力两大来源伯努利效应（压力差升力）上表面：气流路径长、流速快→低压区下表面：气流路径短、流速慢→高压区上下压力差产生向上升力牛顿第三定律（动量升力）旋翼旋转向下推送空气空气给旋翼向上的反作用力桨叶外形桨叶截面为上凸下平非对称翼型，气动原理与固定翼机翼相似。总升力总升力=压力差升力+动量升力合力克服机体重力，实现悬停、垂直上升。02无人直升机悬停直升机悬停需升力与重力平衡，飞控调节总距转速抵御外界干扰悬停力学平衡条件第二部分·无人直升机悬停悬停核心：垂直方向受力平衡悬停条件：旋翼总升力=机身重力升力＞重力→机体上升升力＜重力→机体下降升力＝重力→保持悬停动态平衡调控悬停不是静止锁死，飞控实时调整旋翼总距（桨叶攻角）维持高度机体下沉→增大总距→升力提升→恢复高度机体上升→减小总距→升力降低→恢复高度水平方向受风力等扰动，飞控同样实时补偿。悬停状态升力构成悬停总升力两部分来源压力差升力（伯努利效应）旋翼高速旋转，桨叶上下表面流速不同形成压力差产生升力。动量升力（牛顿第三定律）旋翼向下推送空气，空气对桨叶产生向上反作用力。公式：悬停时转速一般200‑400转/分钟，动量升力为主要贡献。第二部分·无人直升机悬停影响悬停平衡的因素1.旋翼总距（攻角）——主导调节增大攻角，升力增大；减小攻角，升力减小。挂载重物时，需要增大总距补偿重力。2.旋翼转速——辅助调节转速升高升力增大；转速不宜过高，避免桨尖产生跨声速阻力。3.气流环境干扰，飞控实时补偿下洗气流：旋翼向下吹出的气流，改变局部气动环境地面效应：靠近地面，地面阻挡下洗气流，升力增加侧风、湍流会造成升力波动，依靠飞控周期变距进行补偿第二部分·无人直升机悬停03旋翼反扭距尾桨抵消主旋翼反扭矩，防止机身自转，同时实现无人机航向操控旋翼反扭矩与尾桨作用第三部分·旋翼反扭距1.反扭矩的产生主旋翼高速旋转，依据牛顿第三定律、动量守恒；在产生向上升力的同时，会产生反作用扭矩，使机身朝旋翼旋转的反方向自转。若无平衡装置，机身会不受控旋转，无法正常飞行。2.尾桨的平衡作用机尾侧面安装尾桨，产生侧向推力；尾桨推力形成的力矩抵消主旋翼反扭矩，阻止机身自旋。旋翼反扭矩与尾桨作用3.尾桨实现航向控制增大尾桨推力→机身向左偏转减小尾桨推力→机身向右偏转尾桨推力与反扭矩完全平衡→航向保持稳定4.尾桨设计要点尾桨安装位置要避开主旋翼旋转区域，避免发生碰撞。机身尾部需要加长，形成细长尾梁，提供安全安装距离。第三部分·旋翼反扭距04桨毂倾斜器改变移动方向倾斜器实现周期变距，桨盘倾斜产生水平分力，控制直升机水平飞行桨毂倾斜器结构与周期变距原理第四部分·桨毂倾斜器改变移动方向一、装置组成旋转环：跟随旋翼一起转动，与桨叶相连不旋转环：连接操纵杆，不随旋翼转动连杆机构：连接不旋转环、旋转环与桨叶变距摇臂二、周期变距原理操纵杆带动不旋转环倾斜，旋转环随之倾斜；桨叶旋转一周，迎角发生周期性改变，不同位置升力大小不同，使旋翼桨盘整体倾斜。总升力不再竖直向上，分解出水平分力，驱动直升机水平运动。桨毂倾斜器结构与周期变距原理水平飞行控制逻辑前飞：倾斜器向前→桨盘前倾→水平分力向前后飞：倾斜器向后→桨盘后倾→水平分力向后左侧飞：倾斜器向左→桨盘左倾→水平分力向左右侧飞：倾斜器向右→桨盘右倾→水平分力向右第四部分·桨毂倾斜器改变移动方向05无人直升机的飞行控制方式总距杆控升降，方向杆控航向，周期变距杆控制直升机水平方向飞行操纵杆手动控制逻辑第五部分·无人直升机的飞行控制方式1.总距杆：控制垂直升降上提总距杆：桨距与发动机功率增加→升力增大→上升下放总距杆：桨距与发动机功率减小→升力减小→下降2.方向杆：控制偏航‑机头转向操纵方向杆改变尾桨桨距，调节尾桨推力大小左偏航：增大尾桨推力右偏航：减小尾桨推力操纵杆手动控制逻辑第五部分·无人直升机的飞行控制方式3.周期变距杆：控制俯仰、滚转，实现水平移动前推杆：桨盘前倾→低头，前飞后拉杆：桨盘后倾→抬头，后飞左压杆：桨盘左倾→左倾，左侧飞右压杆：桨盘右倾→右倾，右侧飞无人直升机俯仰和滚转运动示意图课堂总结任务

2.3分析无人直升机的飞行原理无人直升机的飞行原理知识总结旋翼升力旋翼总升力由压力差与动量升力组成，克服重力实现悬停上升。01无人直升机悬停直升机悬停需升力与重力平衡，飞控调节总距转速抵御外界干扰。02旋翼反扭距尾桨抵消主旋翼反扭矩，防止机身自转，同时实现无人机航向操控。03桨毂倾斜器改变移动方向倾斜器实现周期变距，桨盘倾斜产生水平分力，控制直升机水平飞行。04无人直升机的飞行控制方式总距杆控升降，方向杆控航向，周期变距杆控制直升机水平方向飞行。05无人直升机依靠桨毂倾斜器改变飞行方向，那多旋翼无人机如何实现俯仰、滚转运动？探索永无止境读懂无人机结构与系统，也是读懂人类钻研航空科技、拓展低空应用的创新历程项目2·分析无人机飞行原理任务2.4分析多旋翼无人机的飞行原理四个电机如何协同——多旋翼飞行原理解析课程导入桨速差实现位移，反桨抵消反扭矩。四旋翼无人机运动与反扭矩原理01四旋翼无人机前后左右移动时，四个螺旋桨的转速是怎么变化的？垂直起降、悬停时四个螺旋桨转速相同，相邻螺旋桨反向旋转，桨产生的反扭矩相互抵消，因此不需要尾桨，机身不会自旋。02四旋翼无人机没有尾桨，为什么机身不会自旋？前后移动：前后一组桨产生差速，机身俯仰倾斜，拉力分出水平分量，实现前后飞行。左右移动：左右一组桨产生差速，机身横滚倾斜，产生侧向力，实现左右飞行。课程目录本任务知识模块四个电机如何协同——多旋翼飞行原理解析多旋翼无人机的飞行原理多旋翼布局分类、升力反扭平衡，欠驱动系统依靠电机转速实现多维运动01四旋翼的运动方式调节电机转速，实现四旋翼垂直、俯仰滚转、偏航等多种飞行运动0201多旋翼无人机的飞行原理多旋翼布局分类、升力反扭平衡，欠驱动系统依靠电机转速实现多维运动布局分类与升力、反扭矩平衡第一部分·多旋翼无人机的飞行原理一、多旋翼分类按轴数：三轴、四轴、六轴、八轴按布局：I型、X型、V型、Y型实际应用多采用X型布局，前方视野开阔，操控灵活；初学者可选用

I型。二、升力产生桨叶上下表面流速不同形成压力差，产生升力；总升力大于重力，无人机升空。三、反扭矩平衡（以X型四旋翼为例）电机1、3逆时针旋转；电机2、4顺时针旋转相邻旋翼反向旋转，反扭矩互相抵消，无需尾桨平衡。一、欠驱动系统四旋翼：4路电机转速作为控制输入控制目标：空间6个自由度（3个位置平移+3个姿态旋转）输入数量少于被控自由度，属于欠驱动系统，依靠飞控算法实现运动控制。二、可实现的运动通过改变各电机转速，完成：垂直起降、俯仰、滚转、偏航、前后平动、左右平动。欠驱动系统与运动能力第一部分·多旋翼无人机的飞行原理四旋翼无人机的飞行原理02四旋翼的运动方式调节电机转速，实现四旋翼垂直、俯仰滚转、偏航等多种飞行运动垂直运动第二部分·四旋翼的运动方式四旋翼无人机垂直运动控制逻辑（4个电机同步调节转速）垂直上升同时增大4台电机功率，螺旋桨转速提高，总升力大于重力，无人机垂直离地上升。垂直下降同时减小4台电机功率，螺旋桨转速降低，总升力小于重力，无人机垂直下降、落地。悬停状态四旋翼总升力与自身重力大小相等，无人机保持空中静止悬停。俯仰运动与前后运动控制逻辑（仅改变电机1、3转速，电机2、4转速不变）抬头‑向后飞电机1转速上升，电机3转速下降，转速变化量大小相等。电机1升力增大、电机3升力减小，产生绕横轴OY的俯仰力矩，机身抬头；升力产生水平分量，实现向后飞行。低头‑向前飞电机1转速下降，电机3转速上升，转速变化量大小相等。产生反向俯仰力矩，机身低头；升力产生水平分量，实现向前飞行。四旋翼无人机俯仰、前后运动第二部分·四旋翼的运动方式滚转运动与侧向运动控制逻辑（仅改变电机2、4转速，电机1、3转速保持不变）向左滚转‑向左飞行电机4转速↑，电机2转速↓，转速变化量大小相等。产生绕纵轴OX的滚转力矩，机身向左倾斜；总升力形成水平分量，实现向左侧向飞行。向右滚转‑向右飞行电机4转速↓，电机2转速↑，转速变化量大小相等。产生反向滚转力矩，机身向右倾斜；总升力形成水平分量，实现向右侧向飞行。四旋翼无人机滚转、侧向运动第二部分·四旋翼的运动方式偏航运动控制逻辑（改变对角电机转速，整体总升力保持不变）四旋翼电机对角同向旋转，正常转速一致时，反扭矩相互平衡，航向稳定。向右偏航电机1、3转速上升，电机2、4转速下降，产生不平衡反扭矩，机身绕Z轴向右水平偏转。向左偏航电机1、3转速下降，电机2、4转速上升，产生反向不平衡反扭矩，机身绕Z轴向左水平偏转。四旋翼无人机偏航运动第二部分·四旋翼的运动方式课堂总结任务2.4分析多旋翼无人机的飞行原理多旋翼无人机的飞行原理知识总结多旋翼无人机依靠调节什么参数，实现升降、俯仰、滚转、偏航等飞行运动？1多旋翼无人机的飞行原理2四旋翼的运动方式介绍多旋翼布局类型、升力产生与反扭矩抵消原理；其为欠驱动系统，调节电机转速，完成升降、姿态、平动等各类飞行运动。四旋翼通过调整不同电机转速，分别实现垂直升降悬停、俯仰前后、滚转侧向以及偏航转向，依靠力矩变化完成各类飞行动作。探索永无止境读懂无人机结构与系统，也是读懂人类钻研航空科技、拓展低空应用的创新历程项目2·分析无人机飞行原理任务2.5分析无人机的发射与回收从地面到天空——无人机发射与回收技术课程导入多种方式助起飞，开伞减速来回收，拦阻装置做制动。固定翼无人机特殊起降方式01固定翼无人机起飞时没有跑道怎么办？可采用手抛发射、弹射架/橡皮筋弹射、火箭助推等无跑道起飞方式，依靠初速配合滑跑，使无人机达到起飞速度完成升空。02为什么有的无人机用伞降落？伞降回收适配无机轮或简易平台，通过开伞减速实现软着陆，能够保护机体，多用于山区、海岛等缺少平整场地的作业环境。03航母上的无人机怎么在短短几十米内停下来？航母环境依靠拦阻索钩住无人机尾钩，在数十米距离把动能转为热能完成制动；部分机型也可使用拦阻网、撞网方式实现回收。课程目录本任务知识模块从地面到天空——无人机发射与回收技术无人机的发射方式介绍无人机手抛、滑跑、弹射三种发射方式，说明原理、条件与适用机型01无人机的回收方式讲解无人机滑跑降落、起落架、伞降回收的流程、结构与工作原理02阻拦索装置阻拦索用于航母舰载机着舰，可快速减速，介绍电磁阻拦系统构成与优势0301无人机的发射方式介绍无人机手抛、滑跑、弹射三种发射方式，说明原理、条件与适用机型手抛发射第一部分·无人机的发射方式适用机型小型泡沫材质固定翼无人机，机身轻巧，起飞所需升力小。操作要领迎风向上，抛射角度30°~45°抛投人员与操纵员相互配合，油门推至最大完成