文档多旋翼无人机技术基础
文档多旋翼无人机技术基础PPT学习教案
会计学
1
多旋翼无人机结构动力学
目的
多旋翼无人机结构动力学的目的就是研究关于多旋翼无
人机结构动力系统振动固有特性，它在外激励作用下产生
动响应的基本理论和分析方法，以使多旋翼无人机结构具
有优良的动力学特性。根据多旋翼无人机结构动力系统输
入、输出与系统特性三者之间的关系，可归纳为三类问题。
与系统本身的物理性质（弹性和惯性）有关，故称为系统
的固有频率。
（2）刚度相同的两个单自由度系统，其固有频率随质量的增
大而减小；质量相同的两个系统，其固有频率随系统刚度
的增大而增大。
（3）系统的初始条件对系统固有频率没有影响，而振幅X与初
相位φ均由初始条件决定。振幅和初相位都决定于初始条件，
这是自由振动的共同特性。
M pj
I pj
) 2
式中lpj、Mpj、Ipj分别为挥舞铰外伸量、绕挥舞铰的质量静矩及惯矩。
R l pj
mxdx
M pj
0
R l pj
I pj
mx
2
dx
0
当挥舞铰外伸量lpj=0时（中心铰），如翘翘板式旋翼，ωβ0=1Ω。当挥舞铰
外伸量lpj>0时，由于构造上的限制，挥舞铰外伸量不可能太大，即使是
频率，表示频率f的2π倍，单位为弧度/秒(rad/s)；T=1/f为周
期
ω0=2πf=2π/T
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简谐振动复数表示方法
根据复数的矢量表示法，在复平面上的一个复数Z代表该复平面(Re，
Im)上的一个矢量，如图矢量0P所示。图中Re表示实轴，Im表示虚轴，
矢量的模就是复数Z的模A，其位置由复角θ确定。如果矢量0P绕0点以等
多旋翼无人机知识手册
版培训教材多旋翼无人机知识手册翎航智能科技工作室前言随着多旋翼无人机的应用日趋广泛，多旋翼无人机的入门门槛越来越低，“到手飞〞、个人航拍机等对操作人员的要求几乎是零，对毫无根本常识与经历的人来说也可以操作。
但这些都为人身与财产平安埋下了巨大的隐患，出于以上考虑，本教材阐述了多旋翼无人机的根本原理、总结了飞行过程中的考前须知、操作方法、以及如何躲避风险。
这是一本适合飞行初学者的教材，旨在普及航空知识、与飞行常识等根本理论，根据经历提出在飞行中应该注意的问题与如何躲避风险、应急处置等。
本教材的材料有些基于无人机方面的书籍，有些那么基于航模飞行的经历，很多都是十分难得的第一手资料，因此可以作为飞行初学者的根底教程，也可以作为以拓宽知识面、开拓思路为主要目的的广阔无人机爱好者的学习资料。
由于水平有限，时间仓促，书中疏漏之处在所难免，敬请读者朋友批评指正，以使我们在再版时修订。
作者目录前言 .............................................................................. - 2 -目录 .............................................................................. - 3 -第一章绪论..................................................................... - 4 -第二章系统组成及原理..................................................... - 6 -第三章飞行器................................................................ - 16 -第四章操作方法实例 ...................................................... - 23 -第五章其他细节............................................................. - 41 -第六章多旋翼无人机的作用及意义 ................................... - 49 -第七章及多旋翼无人机有关的航空法规及航空气象 ............. - 50 -总结.............................................................................. - 61 -参考文献........................................................................ - 62 -第一章绪论关于无人机系统的开展历史在任何一本讲无人机的书里都有介绍，在这里不再重复。
无人机操控技术课件第3章飞行原理与性能第5节多旋翼基础知识
5.2.3 动力系统—电池
电池容量：安时（Ah）或者毫安时（mAh）。如图 所示，例如，17000mAh表示以17000毫安放电，能够持 续1小时。严格的讲，电池容量应该以Wh表示，Ah乘以 电压就是Wh，例如，民航旅客行李中携带锂电池的额定 能量超过160Wh严禁携带。
5.2.3 动力系统—电池
5.2.3 动力系统—电调
电流规格：电调上标有“20A”字样，意思是指电 调所能承受的最大瞬间电流是20安培；一般多旋翼上我 们选取悬停电流4倍到5倍规格的电调使用，这样可以给 电流留够充足的余量。
供电能力：电调上有BEC 5V字样，意思是指电调 能从杜邦线向外输出5V的电压。
5.2.3 动力系统—电调
5.2.3 动力系统—电调
电子调速器ESC简称电调。其作用是根据飞控的控 制信号，将电池的直流输入转变成一定频率的交流输出， 用于控制电机转速。多轴飞行器使用的电调通常被划分 为有刷电调和无刷电调，多轴飞行器一般使用无刷电调。
电调上最粗的红线和黑线用来连接动力电池；较细 的白红黑3色排线，也叫杜邦线，用来连接飞控；另一 端3根单色线连接电机，如任意调换其中2根与电机的连 接顺序，电机反向运转。
5.2 多旋翼系统组成
多旋翼飞行器系统主要包括：机体结构、飞控 系统、动力系统、机载链路系统。
5.2.1 机体结构
机体结构是其他所有机载设备、模块的载体。 典型的机体结构包括：机架、支臂、脚架、云台。
5.2.1 机体结构
机架：装载各类设备、动力电池或燃料，同时 它是其他结构部件的安装基础。
支臂：机架结构的延伸，用以扩充轴距，安装 动力电机，有些多旋翼的脚架也安装在支臂上。
IMU惯性导航传感器是DOF（Degree Of Freedom，自由度）系统的核心，为多旋翼提供姿 态、速度和位置等参数,全称“惯性测量单元”。是 测量物体三轴姿态（或角速率）以及加速度的装置。
1.多旋翼无人机基础理论及系统应用
UAV basic theory and system application technology training主编：蒋卓文1. 无人机的概念2. UAV无人机介绍3. UAV无人机原理结构组成4. UAV无人机基础操作5. UAV无人机操作准备及检查我对什么是无人机的解释？直观地说，只要飞行器上没有驾驶员，有自动化系统那么这种飞行器都可以被归为无人飞行器，而无人机则为简称，其全称是无人飞行器系统。
一套完整的无人飞行器系统，除了飞行器本身（一般称为载具），还有地面控制站、数据链路、任务载荷，以上四点，构成了无人机系统的全部。
无人机与航模有什么区别？无人机与遥控航模最大的区别是它具有任务载荷，也就是无人机可以代替人类去完成一些工作的。
比如我们常见到的无人机任务载荷包括照相、物资运输、领地巡航和作战等方面。
而航模主要是用于娱乐或者教学，教学主要是用来研究飞行本身的，比起无人机来说缺少实用性。
p什么是无人机(UAV)无人机（Unmanned Aerial Vehicle）或者多旋翼飞行器。
p无人航空器是指不搭载操作人员的一种动力空中飞行器，采用空气动力为飞行器提供所需的升力，能够自动飞行或远程引导；既能一次性使用也能进行回收；能够携带致命性和非致命性有效负载（仪器设备）。
v各种无人机平台分类1、固定翼飞机 500-8000M 续航时间长2、飞艇 500-3000M3、直升机 10-2000M4、多旋翼 1-500M1、续航能力差2、载荷小3、抗恶劣环境能力差1、成本低2、安全系数高3、稳定，可操作性强4、可稳定悬停5、小空间飞行多旋翼无人机分类一、商用或者行业级无人机主要用于专业航拍、测绘、植保、巡查、安防、数据采集等等特殊行业或者商业用途的无人机，一般轴距600-5000MM左右。
二、消费娱乐级无人机主要用于业余航拍、娱乐用途等，由于操作简单基本由飞控系统辅助或者智能飞行，对于人的操作要求非常低。
多旋翼无人机技术基础课件2
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4．翼型的极曲线
把翼型升力特性和阻力特性结合起来，构成表示翼型升 力系数和阻力系数的关系曲线，称为极线。
从极线中还可以找出五个特征点：
①型阻系数最小值Cxmin点。 ②最有利状态点（Cy/Cx）max点。 ⑧最经济状态点（Cy3/2/Cx）max点。 ④升力系数最大点Cymax点。 ⑤零升阻力系数Cx0点。
翼型的主要类型（1）
翼型一般都有名称，是用设计者或者研究机构名字的缩写加上数字来 表示的。随着航空科学的发展，世界各主要航空发达的国家都设计出了大 量高性能的翼型，建立了各种翼型系列。美国有NACA系列，德国有DVL 系列，英国有RAE系列，俄罗斯有ЦΑΓИ系列等。这些翼型的资料包括几 何特性和气动特性，可供飞行器气动设计人员选取合适的翼型。
影响翼型空气动力的因素（3）
3．音障 音障是一种物理现象，当飞行器的速度接近音速时，将 会逐渐追上自己发出的声波。声波叠合累积的结果，会造成 震波的产生，进而对飞行器的加速产生障碍，而这种因为音 速造成提升速度的障碍称为音障。突破音障进入超音速后， 从飞行器最前端起会产生一股圆锥形的音锥，这股震波如爆 炸一般，故称为音爆或声爆。 强烈的音爆不仅会对地面建筑物产生损害，对于飞行 器本身伸出冲击面之外部分也会产生破坏。而音障不单单仅 有声波，还有来自空气的阻力，对于多旋翼无人机旋翼而言 ，当旋翼桨叶桨尖接近1马赫时，桨叶前方急速冲来的空气 不能够像平常一样通过旋翼扩散开，于是气体都堆积到了旋 翼和机体的周围，产生极大的压力，也会引发出一种看不见 的空气旋涡，俗称“死亡漩涡”，这也被叫做音障，如果旋翼 和机体不作特殊加固处理，那么将会被瞬间摇成碎片。
多旋翼无人机飞行安全保障措施
多旋翼无人机基础知识二
多旋翼无人机的组成1.光流定位系统光流（optic flow），从本质上说，就是我们在三维空间中视觉感应可以感觉到的运动模式，即光线的流动。
例如，当我们坐在车上的时候往窗外观看，可以看到外面的物体，树木，房屋不断的后退运动，这种运动模式是物体表面在一个视角下由视觉感应器（人眼或者摄像头等）感应到的物体与背景之间的相对位移。
光流系统不但可以提供物体相对的位移速度，还可以提供一定的角度信息。
而相对位移的速度信息可以通过积分获得相对位置信息2. 全球卫星导航系统GPS系统是美国从上世纪70年代开始研制并组建的卫星系统，可以利用导航卫星进行目标的测距和测速，具备在全球任何位置进行实时的三维导航定位的能力，是目前应用最广泛的精密导航定位系统北斗系统是中国为了实现区域及全球卫星导航定位系统的自主权与主导地位而建设的一套卫星定位系统，用于航空航天、交通运输、资源勘探、安防监管等导航定位服务。
北斗系统采用5颗静止同步轨道卫星和30颗非同步轨道卫星组成，是中国独立自主研制建设的新一代卫星导航系统。
GLONASS是俄罗斯在前苏联时期建立的卫星定位系统，但由于缺乏资金维护，目前系统的可用卫星从最初的24颗卫星减少到2015年的17颗可用在轨卫星，导致系统的可用性和定位精度逐步的下降。
欧盟的伽利略导航卫星系统是由欧洲自主、独立的民用全球卫星导航系统，不过目前为止该系统还只是计划方案，计划总共包含27颗工作卫星，3颗为候补卫星，此外还包含2个地面控制中心，但由于该计划由欧盟共同经营，同时与内部私企合营，各部分利益难以平衡，计划实施则一再推迟，目前还无法独立使用。
3.高度计由于全球定位系统GNSS的缺陷，它的高度信息极为不准确，通常偏差达几十米甚至更大，无人机系统的高度测量需要额外的设备来辅助测量。
常用的高度传感器主要包含超声波传感器和气压高度传感器，此外还有激光高度计和微波雷达高度计等。
气压高度计的原理是地球上测量的大气压力在一定方位内是与相对海拔高度呈现对应关系的。
多旋翼无人机基础知识
无人机，也称无人飞行器，英文Unmannedaerial vehicle(UAV)无人飞行器是一种配置了数据处理系统、传感器、自动控制系统和通讯系统等必要机载设备的飞行器。
无人机技术是一项设计多个技术领域的综合系统，它对通讯技术、传感器技术、人工智能技术、图像处理技术模式识别技术、现代控制理论都有较深的运用和较高的要求。
无人飞行器与它所配套的地面站测控系统、存储、托运、发射、回收、信息处理等维护保障部分一起形成了一套完整的系统，同城无人飞行器系统Unmannedaerial system(UAS)1.1无人机的种类固定翼无人飞行器采用电动或者燃料发动机产生向前拉力或推力，飞行器依靠固定翼的翼形上下边产生的大气动压强差产生的升力维持飞行器的控制。
无人飞艇采用充气囊结构作为飞行器的升力来源，充气囊一般充有比空气目的小的氢气或氦气。
旋翼无人飞行器，其配备有多个朝正上方安装的螺旋桨，由螺旋桨的动力系统产生向下的气流，并对飞行器产生升力。
扑翼无人飞行器是基于仿生学原理，配合活动机翼能否模拟飞鸟的翅膀上下扑动的动作而产生升力和向前的推力。
伞翼无人飞行器采用伞型机翼作为飞行器升力的主要来源。
1.2无人机的分类与管理在中国无人机驾驶航空器体系中，按照无人机的基本起飞重量指标可以分为四个等级1. 微型无人机，空机质量小于等于7千克2. 轻型无人机，空机质量大于7千克，但小于等于116千克，并且全马力飞行中，矫正空速度100公里/小时，升限小鱼3000米3. 小型无人机，空机质量小于等于5700千克，除微型及小型无人机以外的其他无人机4. 大型无人机，空机质量大于5700千克的无人机中国的空域目前归属于军队管理，民用航空领域则由民航总局向军队申请划分空域及航道。
民航总局针对私人飞行器的管理专设“中国航空器拥有者及驾驶员协会AircraftOwners and Pilots Association Of China - AOPA”，中国民航领域对飞行器主要管理分为三个层次等级进行管理。
无人机多旋翼技术基础知识考核试题及答案
无人机多旋翼技术基础知识考核一、选择题1、下列关于伯努利定理适用条件错误的是（）。
[单选题] *A、空气没有粘性，即空气为理想流体。
B、空气为可压缩流体√C、气流是连续、稳定的2、不属于自动控制系统组成的是（）。
[单选题] *A、控制器B、被控制对象C、螺旋桨√3.下列哪些是正确的（）。
[单选题] *A.牛顿第三运动定律表明，要获得给定加速度所施加的力的大小取决于无人机的质量。
B.牛顿第二运动定律表明作用力和反作用力是大小相等方向相反的。
C.如果一个物体处于平衡状态，那么它就有保持这种平衡状态的趋势。
√4、气体的伯努利定理是哪个定律在空气流动过程中的应用（）。
[单选题] *A.能量守衡定律√B.牛顿第一定律C.质量守衡定律5、流体在管道中稳定低速流动时，如果管道由粗变细，则流体的流速（）。
[单选题] *A.增大√B.减小C.保持不变。
6、伯努利方程的使用条件是（）。
[单选题] *A.只要是理想的不可压缩流体B.只要是理想的与外界无能量交换的流体C.必须是理想的、不可压缩、且与外界无能量变换的流体√7、当空气在管道中流动时，由伯努利定理可知（）。
[单选题] *A.凡是流速大的地方，压强就大B.凡是流速小的地方，压强就小C.凡是流速大的地方，压强就小√8、流体的伯努利定理（）。
[单选题] *A.适用于不可压缩的理想流体√B.适用于粘性的理想流体C.适用于不可压缩的粘性流体9、伯努利方程适用于（）。
[单选题] *A.低速气流√B.高速气流C.适用于各种速度的气流10、最前与最后两个旋翼轴的连线与机体前进方向一致的叫（）型。
[单选题] *A、I型√B、O型C、X型11、最前与最后两个旋翼轴的连线与机体前进方向不一致的叫（）型。
[单选题] *A、I型B、O型C、X型√12、下列属于共轴发动机优点的是（）。
[单选题] *A、效率高B、航时长C、不增大体积的情况下，提高无人机的动力√13、最早的开源自驾仪（）。
多旋翼无人机技术基础 第4章
多旋翼无人机动力装置
4.1.2 多旋翼无人机动力装置的组成 组成多旋翼无人机动力装置的主要部件或系统取决于所采用发动机的类 型。 1.直流电动机及其附件和系统 为多旋翼无人机提供动力的电动机类型主要有无刷直流电机和空心杯有 刷直流电机两种。
多旋翼无人机动力装置
1)无刷直流电机系统 多旋翼无人机采用无刷直流电机作为发动机，其动力装置由5部分构成。 (1)无刷直流电机:无刷直流电机属于外转子电机，没有电刷。 (2)电调:电调全称为电子调速器(ESC),主要作用是控制电机的转速。 (3)电池:电池用来给电机供电，多旋翼无人机常用的电池有聚合物锂电 池.燃料电他等
多旋翼无人机动力装置
4.2.3 有刷直流电机 1.有刷直流电机的基本结构 有刷直流电机是内 含电刷装置的、将电能转换成机械能(电动机)或将机械能转换成电能(发电 机)的旋转电机(如图4-4所示)。
2.有刷直流电机的工作原理有刷直流电机工作时,线團和换向器旋转，磁 钢和碳刷不转，线圈电流方向的交替变化是随电机转动的换相器和电刷来 完成的。
多旋翼无人机动力装置
(3)拖动特性:运行稳定性十分可靠，转速的波动很小，作为微电机,其转 速波动能够控制在2%以内。
(4)能量密度特性:空心杯电机的能量衛度大幅度提高，与同等功率的有 铁芯电动机相比，其重量、体积减轻了1/3~1/2.
多旋翼无人机动力装置
3. 空心杯电机在微型多旋翼无人机上的应用 由于空心杯电动机克服了有铁芯电动机不可逾越的技术障碍，而且其突 出的特点集中在电动机的主要性能方面，使其具备了广阔的应用领域。尤 其是随着工业技术的飞速发展，对电动机的伺服特性不断提出更高的期望 和要求，使空心杯电动机在很多应用场合拥有不可替代的地位。
多旋翼无人机动力装置
无人机驾驶员航空知识手册培训教材多旋翼
对于航模用的无刷直流电机,转速精度要求并不很高, 使用开环控制方式就可满足要求,
外转子电机内部构造
无刷电机拆解
四旋翼飞行器
AB通电
AC通电
四旋翼飞行器
四旋翼飞行器
四旋翼飞行器
霍耳效应器件, 霍耳效应测量器件可以根据转子不同位置时的 不同磁场方向分布情况输出位置信号, 一般在电机的不同位置上装三个霍尔传感器, 就可测出转子的位置,这就是所谓的有感无刷电机的驱动,
另外需要注意的是四根轴架的尺寸长度,保证4个螺旋桨不打架 就可以了,但要考虑到螺旋桨之间因为旋转产生的乱流互相影响, 建议还是不要太近,否则影响效率, 这也是为什么四轴用2叶螺旋桨 比用3叶螺旋桨多的原因之一 3叶的还有个缺点,平衡不好做 ,
四旋翼飞行器
德国MD4-1000四旋翼
四旋翼飞行器
德国MD4-1000四旋翼
与传统的直升机相比,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,
四旋翼飞行器
四旋翼飞行器在空间共有 6个自由度 分别沿 3个坐标轴 作平移和旋转动作 ,这 6 个自由度的控制都可以通过调节 不同电机的转速来实现,基本运动状态分别是： 垂直运动 俯仰运动 滚转运动 偏航运动 前后运动和侧向运动
四旋翼飞行器
单体电压：标称3.7,满充4.2v,放电保护电压：3v 容量：蓄电池的总能量=电压X容量 放电倍率：以多少倍容量电流放电
最大放电电流=容量X放电倍率 充电倍率：以多少倍容量电流充电 能量密度：总能量/总重量
四旋翼飞行器
四旋翼飞行器
四旋翼飞行器
四轴机架：
多旋翼无人机技术基础 第1章
概述
2.牛顿三大运动定律 (1)牛顿第一运动定律。 任何一个物体在பைடு நூலகம்受外力或受平衡力的作用时，总是保持静止状态或匀速直线运动状态，直到 有作用在它上面的外力迫使它改变这种状态为止。物体具有保持运动状念不变的性质称为惯性。 一切物体都具有惯性，惯性是物体的物理属性所以牛顿第一运动定律又称为惯性定律。
概述
1.1.2系统论的基本概念 系统论是研究系统的模式性能、行为和规律的一门科学。它为人们认识各种系统的组 成、结 构性能、行为和发展规律提供了一般方法论的指导。 1.系统的分类 所谓系统，是混乱无秩序的反 义词，通俗地说就是有 组织、有秩序地达到某种目的的一个组 合体。在自然界和人类社会中普遍存在着各种系统。
概述
4.空气属性 (1)连续性假设。大气连续性假设是在进行空气动力学研究时，将大量的、单个分子组成的大气 看成是连续的介质的过程。所谓连续介质就是组成介质的物质连成片，内 部没有任何空隙。在其 中任意取一个微团都可以看成是由无数分子组成的，微团表现出米的特性体现了众多分子的共同 特性。对大气采用连续性假设的理由是与所研究的对象(飞机)相比，空气分子的平均白由行程要 比飞机的尺寸小得多。空气流过飞机表面时，与飞机之间产生的相互作用不是单个分子所为，而 是无数分子共同作用的结果。
概述
(1)自然系统。 自然系统就是由自然物所组成的系统，它的特点是自然形成的。 (2)人造系统。 人造系统是由人工造出来的系统，主要有三种类型。 ①工程技术系统:由人们从加工白然物中获得的零、部件装配而成的系统。 ②管理系统:由一定的制度组织、程序、手续等所构成的系统。 ③科学体系:根据人们对白然现象和社会现象的科学认识所创立的系统。 (3)复合系统。复合系统是自然系统与人造系统相结合的系统。现实生活中的大多数系统都是复 合系统。
无人机操控技术课件第3章飞行原理与性能第5节多旋翼基础知识
5.2.3 动力系统—电调
建议最基础测试电机与电调兼容性的方案： 在地面拆除螺旋桨，姿态或增稳模式启动，启 动后油门推至50%，大角度晃动机身、快速大范围 变化油门量，使飞控输出动力。仔细聆听电机转动 声音，并测量电机温度，观察室否出现缺相。 在调试前，用遥控器设置电调时，需要接上电 机。
5.3 多旋翼气动布局—Y字型、H字型
Y型
优点：动力组较少，成本 低；外形炫酷，前方视线开阔。
缺点：尾旋翼需要使用一 个舵机来平衡扭矩，增加了机 械复杂性和控制难度。
H型
H型比较容易设计成折叠 结构，且拥有X型相当的特点。
5.3 多旋翼气动布局—4\6\8旋翼
单纯从气动效率出发，旋翼越大，效率越高，同样 起飞重量的4轴飞行器比8轴飞行器的效率高，故轴数越 多载重能力不一定越大。
一般锂聚合物电池上都有2组线。1组是输出线（粗， 红黑各1根）；1组是单节锂电引出线（细，与S数有关）， 用以监视平衡充电时的单体电压。
多轴飞行器飞行中，图像叠加OSD信息显示的电压 一般为电池的负载电压。
5.2.3 动力系统—电池
锂电池在使用时必须串联才能达到使用电压需要，因此 聚合物电池需要专用的充电器，尽量选用平衡充电器。 根据充电原理的不同分为串型式平衡充电器和并行式平衡充 电器。并行式平衡充电器使被充电的电池块内部每节串联电 池都配备一个单独的充电回路，互不干涉，毫无牵连。
5.2.2 飞控系统—飞控软件
飞控
基本情况
优点
缺点
KK飞控
开源，只使用 三个成本低廉
的单轴陀螺
价格便宜，硬件 结构简单