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无人机飞行原理

目录空气动力学基础固定翼无人机飞行原理多旋翼无人机飞行原理

1.空气动力学基础

大气的组成

气体状态方程气体状态参数包括压强P、温度T、和密度ρ三个，这三个参数决定了气体状态，组成气体状态方程：P=ρRT根据状态方程，可以分析得出以下结论：（1）当温度T不变时，压强P与密度ρ成正比；（2）当密度ρ不变时，压强P与温度T成正比；（3）当压强P不变时，密度ρ与温度T成反比。

国际标准大气大气被完全看成气体，服从气体的状态方程。以海平面的高度为零高度，在海平面上，温度为15℃，密度为1.225kg/m3，声速为341.294m/s，此条件下的大气压力为一个标准大气压，一个标准大气压的压强为101325Pa。

理想流体在与外界没有能量交换的情况下，各处流体的动压和静压之和保持不变，为一常数C，即：伯努利定理具体推导过程比较复杂，在此不做推导，只给出结论：在低速不可压缩的条件下，得到伯努利方程：式中，代表动压，表示总压，它是静压与动压之和。由上述可知流速大的地方静压小，流速小的地方静压大。伯努利方程

2.固定翼无人机飞行原理

机翼升力的产生

机翼升力的产生

正常平飞需要力和力矩的平衡：升力=重力推力=阻力无人机重心力矩=0固定翼无人机的飞行控制在无人机的实际飞行过程中，由于大气扰动等因素，要使无人机按照预定航路正常飞行，必须实时对无人机进行控制，下面介绍如何对无人机进行俯仰、滚转与偏航控制：固定翼无人机控制舵面示意图

固定翼无人机的飞行控制（1）俯仰控制通过升降舵（3、4）进行无人机俯仰的控制。升降舵后缘向下偏转时，平尾升力增量为正，产生使无人机低头的力矩，无人机低头；升降舵后缘向上偏转时，平尾升力增量为负，产生使无人机抬头的力矩，无人机抬头。

固定翼无人机的飞行控制（2）滚转控制通过副翼（1、2）进行无人机滚转的控制。左副翼后缘向下偏转，右副翼后缘向上偏转时，左机翼升力增量为正，右机翼升力增量为负，产生使无人机右滚的力矩，无人机右滚；左副翼后缘向上偏转，右副翼后缘向下偏转时，左机翼升力增量为负，右机翼升力增量为正，产生使无人机左滚的力矩，无人机左滚。

固定翼无人机的飞行控制（3）偏航控制通过方向舵（5）进行无人机的航向控制。方向舵后缘向左偏转，垂尾产生向右的气动力增量，无人机向左偏航；方向舵后缘向右偏转，垂尾产生向左的气动力增量，无人机向右偏航；

固定翼无人机的静稳定性纵向静稳定在无人机飞行过程中，当受到纵向扰动，导致无人机产生俯仰角变化，在扰动消失后无人机能恢复到纵向平衡状态时，我们称无人机是纵向静稳的。对于静稳定的无人机，当受到纵向扰动时，会产生升力的增量，而升力增量的作用点（即无人机全机的焦点）在无人机重心之后。假设无人机受到扰动，机头上仰，导致来流的迎角增大，增大的迎角会在无人机焦点处产生向上的附加升力，由于焦点位于重心之后，此向上的附加升力会产生下俯的稳定力矩，使得无人机趋向于恢复原来的状态。焦点位置在飞机重心之后才具有俯仰静稳定性！距离越远稳定性越强！

固定翼无人机的静稳定性横向静稳定在无人机飞行过程中，当受到横向扰动，导致无人机产生滚转角变化，在扰动消失后无人机能恢复到横向平衡状态时，我们称无人机是横向静稳定的。一般而言，机翼的上反角以及机翼后掠均会使无人有较好的横向安定性。

固定翼无人机的静稳定性航向静稳定在无人机飞行过程中，当受到航向扰动，导致无人机产生航向变化，在扰动消失后无人机能恢复到航向平衡状态时，我们称无人机是航向静稳定的。固定翼无人机主要通过垂直尾翼的作用来保证航向静稳定性。

3.多旋翼无人机飞行原理

多旋翼的控制多旋翼无人机的操纵是通过调节各电动机的转速来改变螺旋桨的转速，实现升力的变化以及转矩大小的变化，从而控制无人机飞行姿态变化，下面以X形布局的四旋翼为例介绍多旋翼无人机的操纵性。高等级控制异常时可向低等级控制降级低等级控制异常必然导致高等级控制异常

多旋翼电机力矩抵消X形四旋翼无人机通过控制电动机1至电动机4带动螺旋桨旋转，提供无人机升力F1、F2、F3、F4。由于电动机合螺旋桨的旋转运动会对机体本身产生反转矩T1、T2、T3、T4，若4个电机同时顺时针转动，将导致机体沿逆时针方向自旋。因此，在X形四旋翼无人机中，采用对角电动机同向转动，相邻电动机反向转动的方式安装，抵消反转矩。如下图所示，电动机1和3逆时针转动，电动机2和4则顺时针转动，4个电动机的反转矩彼此抵消。

垂直运动垂直运动是指无人机克服自身重力进行上升和下降的运动。当F