任務(wù)二了解無人機(jī)結(jié)構(gòu)和基本飛行原理

任務(wù)目標(biāo)知識(shí)目標(biāo)：1.了解固定翼無人機(jī)的結(jié)構(gòu)與飛行原理。2.了解多旋翼無人機(jī)的結(jié)構(gòu)與飛行原理。3.了解垂直起降固定翼無人機(jī)的結(jié)構(gòu)與飛行原理。技能目標(biāo)：1.掌握固定翼無人機(jī)的結(jié)構(gòu)組成及每種結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)。2.掌握多旋翼無人機(jī)的結(jié)構(gòu)組成及每種結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)。3.掌握垂直起降固定翼無人機(jī)的結(jié)構(gòu)組成及每種結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)。

素質(zhì)目標(biāo)：1.培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)學(xué)習(xí)的能力。2.提升學(xué)生創(chuàng)新和推理能力。3.提升學(xué)生邏輯思維能力。

任務(wù)描述固定翼無人機(jī)是20世紀(jì)科技重大成就，多旋翼無人機(jī)誕生于20世紀(jì)60年代，初期以控制理論研究為主，受硬件限制多停留于算法層面。賓夕法尼亞大學(xué)提出的Backsteeping算法在HMX4系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)高靈敏度姿態(tài)解算，并搭載圖像系統(tǒng)，早期對神經(jīng)、自適應(yīng)控制算法等研究深入。垂直起降固定翼無人機(jī)的應(yīng)用范圍廣泛。與傳統(tǒng)的固定翼無人機(jī)相比，垂直起降固定翼無人機(jī)不需要機(jī)場或跑道，可以在狹小的空間內(nèi)進(jìn)行起降，因此在城市、山區(qū)、海島等復(fù)雜地形中具有更高的實(shí)用價(jià)值。此外，垂直起降固定翼無人機(jī)還廣泛應(yīng)用于軍事、救援、環(huán)保、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域，為社會(huì)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)建設(shè)做出了巨大的貢獻(xiàn)。

任務(wù)要求1.利用學(xué)校無人機(jī)實(shí)訓(xùn)室資源和網(wǎng)絡(luò)資源等，收集多旋翼、固定翼和垂直起降固定翼無人機(jī)相關(guān)圖片、參數(shù)等，最終形成一個(gè)綜述報(bào)告，并進(jìn)行小組間的分享。2.利用實(shí)訓(xùn)設(shè)備去驗(yàn)證和討論多旋翼、固定翼和垂直起降固定翼無人機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理，找出三者之間的聯(lián)系和區(qū)別。這個(gè)學(xué)習(xí)任務(wù)可以讓你初步認(rèn)識(shí)多旋翼、固定翼和垂直起降固定翼這三種無人機(jī)的結(jié)構(gòu)與飛行原理，為今后的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。

知識(shí)鏈接固定翼無人機(jī)是一種通過機(jī)翼產(chǎn)生升力，通過螺旋槳產(chǎn)生推力的航空器。雖然市場上的固定翼無人機(jī)種類繁多，但大多數(shù)固定翼無人機(jī)的主體結(jié)構(gòu)是一樣的，主要由機(jī)身、機(jī)翼（含副翼）、尾翼（含水平尾翼、垂直尾翼、升降舵和方向舵）、起落架和發(fā)動(dòng)機(jī)組成，如圖2-2-1所示。一、固定翼無人機(jī)的結(jié)構(gòu)與飛行原理1.結(jié)構(gòu)組成（1）機(jī)身機(jī)身是承載任務(wù)設(shè)備、燃油/電池、通信裝置、起落架等裝置，以及連接機(jī)翼和尾翼的大型部件。機(jī)身的外形必須遵循無人機(jī)總體設(shè)計(jì)方案中確定的曲面外形，內(nèi)部空間需要進(jìn)行細(xì)致布局，以確保整個(gè)機(jī)身在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的前提下，盡可能提供更多的有效空間。這樣便于后續(xù)任務(wù)設(shè)備的安裝以及日后產(chǎn)品的改進(jìn)改型。①構(gòu)架式。在早期飛機(jī)發(fā)展過程中，飛行速度較低，氣動(dòng)力載荷比較小，加上受到當(dāng)時(shí)工藝水平和材料水平的限制。因此，推出了構(gòu)架式這種簡單的機(jī)身結(jié)構(gòu)，如圖2-2-2所示。②桁梁式。桁梁式機(jī)身最典型的特點(diǎn)就是采用了若干根貫穿前后機(jī)身的大梁受力結(jié)構(gòu)和金屬蒙皮。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合一些較細(xì)的，同樣貫穿前后機(jī)身的桁條，并結(jié)合一些框板和蒙皮形成了一種完整的機(jī)身結(jié)構(gòu)，如圖2-2-3所示。③桁條式。桁條式機(jī)身（見圖2-2-4）具有強(qiáng)大的桁條和蒙皮，受壓穩(wěn)定性好，能承受彎矩引起的軸向力。加厚蒙皮提升了抗扭剛度，適用于高速飛機(jī)。其結(jié)構(gòu)充分利用蒙皮和桁條，但無大梁，不宜大開艙口，需加強(qiáng)開口部位。桁條式機(jī)身受力均勻，需分散傳遞載荷，因此各段用多個(gè)接頭連接。④硬殼式。硬殼式機(jī)身是一種沒有縱向的桁條和桁梁結(jié)構(gòu)，單純性依靠多個(gè)框板和再度加厚的蒙皮，形成完整的機(jī)身結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)中，機(jī)身的縱向和橫向應(yīng)力以及彎矩主要由加厚的蒙皮承受，框板則承受較小的彎矩，以便更好地保證蒙皮氣動(dòng)外形，如圖2-2-5所示。（2）機(jī)翼機(jī)翼是飛機(jī)的重要部件之一，安裝在機(jī)身上。其最主要作用是產(chǎn)生升力，與尾翼一起形成良好的穩(wěn)定性與操縱性。另外，可以在機(jī)翼內(nèi)部裝載彈藥、設(shè)備和油箱，在機(jī)翼上可以安裝起落架、發(fā)動(dòng)機(jī)、懸掛導(dǎo)彈、副油箱以及其他外掛設(shè)備。機(jī)翼主要由翼梁、翼肋和桁條等組成，如圖2-2-6所示。①翼梁：由梁的腹板和線條組成，主要承受彎矩和剪力，它是機(jī)翼主要的縱向受力件。翼梁大多在根部與機(jī)身固接。②縱墻：縱墻和腹板一般都不能承受彎矩，但與蒙皮組成封閉盒以承受機(jī)翼的扭矩。縱墻還有封閉機(jī)翼內(nèi)部容積的作用。③桁條：與蒙皮和翼肋相連的元件。它參與機(jī)翼的總體受力，承受機(jī)翼彎矩引起的部分軸向力，是縱向骨架中的重要受力元件之一。此外，桁條和翼肋一起對蒙皮起一定的支撐作用。④翼肋：是橫向受力骨架。用來支撐蒙皮，維持機(jī)翼的剖面形狀。在有集中載荷的地方（如安裝發(fā)動(dòng)機(jī)、起范架等），普通翼肋得到加強(qiáng)而成為加強(qiáng)翼肋。普通翼肋構(gòu)造上的功用是維持機(jī)翼剖面所需的氣動(dòng)外形。⑤蒙皮：蒙皮作用是形成流線型機(jī)翼外表，要求光滑以減少阻力。應(yīng)增強(qiáng)橫向彎曲剛度減小凹凸變形。蒙皮承受氣動(dòng)載荷，并與翼梁/翼墻組合成盒式薄壁梁，承受機(jī)翼扭短。蒙皮較厚時(shí)，與長衍組成壁板承受彎矩引起的軸向力。蒙皮有組合式或整體式，厚蒙皮（幾毫米至十幾毫米）常做成整體壁板，成為承受彎矩的主要受力元件。尾翼是安裝在飛機(jī)尾部的一種裝置，可以增強(qiáng)飛行的穩(wěn)定性。大多數(shù)尾翼包括水平尾翼和垂直尾翼，也有少數(shù)采用V型尾翼。尾翼可以用來控制飛機(jī)的俯仰、偏航和傾斜，以改變其飛行姿態(tài)。尾翼是飛行控制系統(tǒng)的重要組成部分。（3）尾翼①水平尾翼。簡稱平尾，是飛機(jī)縱向平衡、穩(wěn)定和操縱的翼面，如圖2-2-7所示。平尾左右對稱地布置在飛機(jī)尾部，基本為水平位置。翼面前半部通常是固定的，稱為水平安定面。后半部鉸接在安定面的后面，可操縱上下偏轉(zhuǎn)，稱為升降舵。②垂直尾翼。垂尾保持飛機(jī)航向平衡、穩(wěn)定與操縱，原理與平尾相似，如圖2-2-8所示。垂尾僅布置在飛機(jī)軸線上部，前半固定稱垂直安定面，后半鉸接可操縱偏轉(zhuǎn)，稱方向舵。為調(diào)整飛機(jī)姿態(tài)，常在升降舵和方向舵上劃分補(bǔ)翼。③V型尾翼。V型尾翼如圖2-2-9所示，由兩個(gè)翼面組成，類似帶大上反角的平尾。它兼具垂尾和平尾功能，翼面分固定安定面和鉸接舵面，可全動(dòng)。V型尾面在俯視和側(cè)視方向有投影面積，實(shí)現(xiàn)縱向和航向穩(wěn)定。相同偏轉(zhuǎn)升降舵作用，不同偏轉(zhuǎn)則方向舵作用。起落架是飛機(jī)下部用于起飛、降落或地面滑行時(shí)支撐飛機(jī)并用于地面移動(dòng)的附件裝置。起落架是唯一一種支撐整架飛機(jī)的部件，因此它是飛機(jī)不可或缺的一部分。沒有它，飛機(jī)便不能在地面移動(dòng)。當(dāng)飛機(jī)起飛后，可以視飛行性能而收回起落架。常見的起落架由三個(gè)輪子組成，按照輪子分布方式可分為前三點(diǎn)式和后三點(diǎn)式兩種形式的起落架。（4）起落架①前三點(diǎn)式起落架。前三點(diǎn)式起落架是目前飛機(jī)上使用最廣泛的一種起落架。兩個(gè)主輪保持一定間距，左右對稱地布置在飛機(jī)重心稍后處，前輪布置在飛機(jī)頭部的下方，如圖2-2-10所示。飛機(jī)在地面滑行和停放時(shí)，機(jī)身與地板基本處于水平位置。重型飛機(jī)用增加機(jī)輪和支點(diǎn)數(shù)目的方法減低輪胎對跑道的壓力，以改善飛機(jī)在前線土跑道上的起降滑行能力。②后三點(diǎn)式起落架。后三點(diǎn)式起落架有一個(gè)尾輪和兩個(gè)主起落架，如圖2-2-11所示。尾輪在機(jī)身尾部離重心較遠(yuǎn)處，主起落架在飛機(jī)重心稍靠后處。這種形式的起落架結(jié)構(gòu)簡單，適合于低速飛機(jī)，在20世紀(jì)40年代以前得到廣泛應(yīng)用，現(xiàn)代飛機(jī)上，除一些裝有活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的輕型、超輕型低速飛機(jī)外，基本不會(huì)使用這種配置形式起落架。固定翼無人機(jī)在飛行時(shí)會(huì)受到四個(gè)基本的作用力：升力、重力、拉力（或推力）、阻力，如圖2-2-12所示。2.飛行原理（1）受力情況分析①升力。固定翼升力產(chǎn)生的原理主要基于伯努利定理，該定理指出，流體速度越快，壓強(qiáng)越小。反之，流體速度越慢，壓強(qiáng)越大。對于固定翼飛機(jī)，空氣流過機(jī)翼時(shí)，機(jī)翼上表面的流速比下表面快，導(dǎo)致上表面的壓強(qiáng)小于下表面，從而產(chǎn)生向上的升力。具體來說，當(dāng)飛機(jī)在跑道上加速時(shí)，空氣被機(jī)翼的形狀所引導(dǎo)，流過機(jī)翼上下兩側(cè)。由于機(jī)翼上表面的曲線比下表面更彎曲，空氣在上表面流動(dòng)的速度比下表面快。這導(dǎo)致機(jī)翼上表面的壓強(qiáng)較低，而下表面的壓強(qiáng)相對較高，上下表面之間的壓力差產(chǎn)生了向上的升力，如圖2-2-13所示。②重力。重力是由于地球引力產(chǎn)生的向下作用力。除了燃料在飛行過程中的不斷消耗，固定翼無人機(jī)的重力在飛行過程中基本不變。在固定翼無人機(jī)進(jìn)行水平飛行，即無人機(jī)的飛行高度不變的情況下，升力和重力維持著某種平衡。③拉力或推力。發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋槳后，螺旋槳產(chǎn)生前進(jìn)的拉力或推力，螺旋槳安裝在機(jī)身頭部為拉力，安裝在尾部為推力。一般情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)功率越大，所產(chǎn)生的前進(jìn)力就越大，固定翼無人機(jī)前進(jìn)的速度也就越快。④阻力。任何物體在前進(jìn)過程中，都會(huì)遇到空氣動(dòng)力學(xué)上的阻礙，這個(gè)阻礙就是無人機(jī)受到的阻力，即風(fēng)阻。當(dāng)無人機(jī)的速度增加時(shí)，阻力也會(huì)增加。固定翼無人機(jī)的速度每提升一倍，實(shí)際上將產(chǎn)生四倍的阻力，當(dāng)向后作用的阻力與螺旋槳產(chǎn)生的推進(jìn)力相等時(shí)，固定翼就會(huì)保持一定的速度飛行。固定翼無人機(jī)的阻力一般可分為摩擦阻力、壓差阻力、干擾阻力和誘導(dǎo)阻力。a.摩擦阻力是由于空氣的黏性而產(chǎn)生的一種阻力。當(dāng)氣流流過飛機(jī)表面時(shí)，由于空氣具有黏性，空氣微團(tuán)與飛機(jī)發(fā)生摩擦，產(chǎn)生摩擦阻力。摩擦阻力主要存在于靠近飛機(jī)的一層薄薄的邊界層內(nèi)。邊界層是指貼近飛機(jī)表面處，氣流速度由層外主流區(qū)氣流速度逐漸降低為零的那一層空氣流動(dòng)層。影響摩擦阻力的因素有空氣黏性、翼型表面積、翼型表面粗糙度以及邊界層的流動(dòng)狀態(tài)。一般情況下，空氣黏性越大，翼型表面積越大，表面越粗糙，則摩擦阻力越大。b.壓差阻力，相對氣流流過機(jī)翼時(shí)，機(jī)翼前緣的氣流受阻，流速減慢，壓力增大，而機(jī)翼后緣氣流分離，形成渦流區(qū)，壓力減小。這樣，機(jī)翼前后產(chǎn)生壓力差形成阻力，這個(gè)阻力稱為壓差阻力?？梢宰魅缦吕斫猓焊咚傩旭偟钠嚭竺鏁r(shí)常揚(yáng)起塵土，就是由于車后渦流區(qū)的空氣壓力小，吸起灰塵的緣故。壓差阻力的大小與迎風(fēng)面積、機(jī)翼形狀和迎角有關(guān)。迎風(fēng)面積越大，壓差阻力越大，迎角越大，壓差阻力也越大。但壓差阻力在無人機(jī)總阻力構(gòu)成中所占的比重是比較小的。c.干擾阻力。無人機(jī)的各個(gè)部件，如機(jī)翼、機(jī)身、尾翼等，單獨(dú)放在氣流中所產(chǎn)生的阻力的總和并不等于整體所產(chǎn)生的阻力，而是往往小于把它們組成一個(gè)整體時(shí)所產(chǎn)生的阻力。所謂“干擾阻力”就是飛機(jī)各部分之間由于氣流相互干擾而產(chǎn)生的一種額外阻力。從干擾阻力產(chǎn)生的原因來看，它顯然和無人機(jī)不同部件之間的相對位置有關(guān)。如果在設(shè)計(jì)飛機(jī)時(shí)，仔細(xì)考慮它們的相對位置，使得它們壓強(qiáng)的增加不大也不急劇，干擾阻力就可減小。對于機(jī)翼和機(jī)身之間的干擾阻力來說，中單翼干擾阻力最小，下單翼最大，上單翼居中。另外，還可以采取在不同部件的連接處加裝流線型的“整流片”或“整流罩”的辦法，使連接處圓滑過渡，盡可能減小流管的收縮與擴(kuò)張，繼而減少漩渦的產(chǎn)生，也可減少“干擾阻力”。d.誘導(dǎo)阻力。這是機(jī)翼所獨(dú)有的一種阻力。因?yàn)檫@種阻力是伴隨著機(jī)翼上升力的產(chǎn)生而產(chǎn)生的。升力的產(chǎn)生來源于機(jī)翼上、下表面的壓強(qiáng)差，即下表面的壓強(qiáng)大于上表面。翼尖附近的氣流在壓差的作用下會(huì)由下向上繞，這樣既減小了升力，又產(chǎn)生了阻力，這就是誘導(dǎo)阻力。因此，可以說它是為了產(chǎn)生升力而付出的一種代價(jià)。實(shí)踐表明，誘導(dǎo)阻力的大小與機(jī)翼的升力和展弦比有很大關(guān)系。升力越大，誘導(dǎo)阻力越大。展弦比越大，誘導(dǎo)阻力越小。以上四種阻力中，除了誘導(dǎo)阻力與升力有關(guān)，其余三種阻力都與升力無關(guān)，因此，統(tǒng)稱為廢阻力。如果要使無人機(jī)進(jìn)入起飛（爬升）、轉(zhuǎn)彎、下降（俯沖）、著陸等特殊飛行運(yùn)動(dòng)方式，就需要相應(yīng)調(diào)整無人機(jī)的姿態(tài)，下面進(jìn)行有關(guān)受力分析。①轉(zhuǎn)彎。a.水平轉(zhuǎn)彎（正常轉(zhuǎn)彎狀態(tài)）：如果飛行的飛機(jī)處于傾斜狀態(tài)，那么升力作用在傾斜的方向上，總升力可以分解為兩個(gè)分力，如圖2-2-14所示。其中，一個(gè)分力作用在垂直方向，稱為垂直分量，垂直升力分量可以與重力抵消；另一個(gè)分力作用在水平方向，稱為水平分量。（2）飛行運(yùn)動(dòng)方式和姿態(tài)b.側(cè)滑轉(zhuǎn)彎（非正常轉(zhuǎn)彎狀態(tài)）：如圖2-2-15所示，側(cè)滑轉(zhuǎn)彎分為內(nèi)側(cè)滑轉(zhuǎn)彎和外側(cè)滑轉(zhuǎn)彎。內(nèi)側(cè)滑轉(zhuǎn)彎時(shí)，飛機(jī)轉(zhuǎn)彎的快慢與傾斜角不對應(yīng)，飛機(jī)會(huì)偏航到轉(zhuǎn)彎航跡的內(nèi)側(cè)。飛機(jī)以一定的角速度轉(zhuǎn)彎而傾斜過多時(shí)，升力的水平分量大于離心力。升力的水平分量和離心力的平衡通過降低傾斜度、降低角速度或者二者的結(jié)合才能建立。外側(cè)滑轉(zhuǎn)彎是由于離心力比升力的水平分量還大，將飛機(jī)向轉(zhuǎn)彎軌跡的外側(cè)拉，表明對于該傾斜角轉(zhuǎn)彎太快了。糾正外側(cè)滑轉(zhuǎn)彎，需要降低角速度，增加傾斜角，或者二者結(jié)合。如果要維持一個(gè)給定的角速度，那么傾斜角必須隨空速變化。在高速飛機(jī)上，這一點(diǎn)特別重要。例如，在飛行速度為400mph（144°才能保持標(biāo)準(zhǔn)的角速度（3°/s）。②爬升。實(shí)際飛行中，處于穩(wěn)定的正常爬升狀態(tài)的機(jī)翼升力和相同空速時(shí)平直飛行的升力是一樣的。盡管爬升前后的飛行航跡變化了，但當(dāng)爬升穩(wěn)定后，對應(yīng)于上升航跡的機(jī)翼迎角又會(huì)恢復(fù)到與平飛相同的值。只是在轉(zhuǎn)換過程中，會(huì)有短暫的變化，如圖2-2-16所示為飛機(jī)三個(gè)爬升階段。③下降。這里的討論假定下降時(shí)的功率和平直飛行時(shí)的功率一樣。當(dāng)升降舵推桿，飛機(jī)頭向下傾斜時(shí)，迎角降低，結(jié)果是機(jī)翼升力降低。在航跡變成向下時(shí)，總升力和迎角的降低是短暫的。航跡向下的變化是由于迎角降低時(shí)升力暫時(shí)小于飛機(jī)的重量。升力和重力的不平衡導(dǎo)致飛機(jī)從平直航跡開始下降。當(dāng)航跡處于穩(wěn)定下降時(shí)，機(jī)翼的迎角再次獲得原來的大小，升力和重力會(huì)再次平衡。從下降開始到穩(wěn)定狀態(tài)，空速通常增加。這是因?yàn)橹亓Φ囊粋€(gè)分量沿航跡向前作用，類似于爬升中的向后作用?？傮w效果相當(dāng)于動(dòng)力增加，導(dǎo)致空速比平飛時(shí)增加。為使下降時(shí)的空速和平飛時(shí)相同，功率必定要降低。重力的分量沿航跡向前作用將隨俯角的增加而增加，相反，俯角減小時(shí)重力向前的分量也減小。因此，為保持空速和巡航時(shí)一樣，下降時(shí)要求降低的功率大小通過下降坡度來確定。飛行性能是評(píng)價(jià)無人機(jī)優(yōu)劣的主要指標(biāo)，主要包括：最大平飛速度、巡航速度、爬升率、升限、航程、飛行半徑等。圖2-2-17所示為國產(chǎn)民航客機(jī)C919的主要性能指標(biāo)。①最大平飛速度。最大平飛速度是飛機(jī)的重要性能之一。通常使用發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率或最大推力（包括加力推力）獲得。由于在不同高度上平飛最大速度不同，一般選擇其中最大值作為該型飛機(jī)的平飛最大速度。飛機(jī)最大平飛速度受發(fā)動(dòng)機(jī)推力和阻力影響，與飛行高度相關(guān)。長時(shí)間最大速度飛行耗油多，易損發(fā)動(dòng)機(jī)。通常飛機(jī)以省油巡航速度飛行。特殊飛機(jī)如殲擊機(jī)，最大平飛速度是關(guān)鍵指標(biāo)，單位為千米每小時(shí)。（3）固定翼無人機(jī)的主要飛行性能②巡航速度。巡航速度是指發(fā)動(dòng)機(jī)在單位距離消耗燃油最小的情況下的飛行速度。這時(shí)飛機(jī)的飛行最為經(jīng)濟(jì)，航程最遠(yuǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)也不大“吃力”。對于某些飛機(jī)（如運(yùn)輸機(jī)），巡航速度是一項(xiàng)重要的指標(biāo)，其單位也是千米每小時(shí)。③爬升率。爬升率指飛機(jī)定常爬升時(shí)單位時(shí)間增加的高度，以米/秒為單位?！白畲笈郎省笔悄掣叨认伦畲笥烷T、不同爬升角所能達(dá)到的爬升率的最大值。以最大爬升率飛行時(shí)對應(yīng)的飛行速度稱為“快升速度”，以此速度爬升，所需爬升時(shí)間最短。飛機(jī)爬升性能隨高度降低而增強(qiáng)，因發(fā)動(dòng)機(jī)推力隨高度增加減小。以F-16為例，海平面最大爬升率為305m/s，高度增加后逐漸降低，至17000m時(shí)降至12m/s。④升限。上升限度，亦稱“升限”，指飛機(jī)在規(guī)定條件下，靠本身的動(dòng)力上升所能達(dá)到的最高飛行高度。升限分為靜升限和動(dòng)升限。飛機(jī)的靜升限是指在標(biāo)準(zhǔn)大氣情況下，飛機(jī)以最大推力工作狀態(tài)維持平直飛行的最高高度。飛行的動(dòng)升限是通過躍升動(dòng)作達(dá)到的最高高度。上升限度是飛行性能指標(biāo)之一，直接關(guān)系到飛機(jī)的作戰(zhàn)能力，對于民用無人機(jī)而言，升限直接關(guān)系到無人機(jī)的作業(yè)范圍。⑤航程或續(xù)航時(shí)間。航程指無人機(jī)一次加油或滿電狀態(tài)下能飛躍的最大距離。以巡航速度飛行時(shí)可以獲得最大航程或最大續(xù)航時(shí)間。增加航程的方法包括：增加油箱體積或增大電池容量、提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率、減輕無人機(jī)重量等。⑥飛行半徑。無人機(jī)從某一機(jī)場起飛，執(zhí)行完任務(wù)再返回原機(jī)場所能達(dá)到的最遠(yuǎn)單程距離就是飛行半徑。理論上，飛行半徑應(yīng)該是航程的一半。但因無人機(jī)在飛行過程中需要執(zhí)行任務(wù)，消耗燃料，故一般規(guī)定，飛行半徑等于航程的25%~40%。（4）飛行控制固定翼無人機(jī)的控制方式主要涉及副翼、方向舵、升降舵和油門等控制舵面的操作，常規(guī)布局的固定翼無人機(jī)如圖2-2-18所示。具體來說：①副翼：飛行中可實(shí)現(xiàn)固定翼無人機(jī)繞縱軸運(yùn)動(dòng)，即滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。向左壓遙控器上的副翼搖桿，左副翼向上、右副翼向下，此時(shí)左邊機(jī)翼升力減小，右邊機(jī)翼升力增加，固定翼無人機(jī)向左傾斜，發(fā)生左滾轉(zhuǎn)。向右壓遙控器上的副翼搖桿，右副翼向上，左副翼向下，此時(shí)右邊的機(jī)翼升力減小，左邊機(jī)翼升力增加，固定翼無人機(jī)向右傾斜，發(fā)生右滾轉(zhuǎn)。②方向舵：飛行中可實(shí)現(xiàn)固定翼無人機(jī)繞立軸運(yùn)動(dòng)，即偏航運(yùn)動(dòng)。向左壓搖桿，方向舵向左偏航，垂直尾翼上的空氣動(dòng)力產(chǎn)生對固定翼無人機(jī)立軸的力矩，使機(jī)頭向左偏轉(zhuǎn)。向右壓搖桿，方向舵向右偏航，機(jī)頭向右偏轉(zhuǎn)。③升降舵：飛行中可實(shí)現(xiàn)固定翼無人機(jī)繞橫軸運(yùn)動(dòng)，即俯仰運(yùn)動(dòng)。向前壓搖桿，升降舵控制面向下偏轉(zhuǎn)，機(jī)尾上方的壓力會(huì)降低，機(jī)尾開始上升，機(jī)頭降低。向后壓搖桿，升降舵控制面向上偏轉(zhuǎn)，機(jī)尾上方的壓力會(huì)上升，機(jī)尾開始降低，機(jī)頭上升。④油門：起飛時(shí)，通過增加油門桿量，固定翼無人機(jī)加速到足夠的速度，以抬高機(jī)頭進(jìn)入爬升姿態(tài)。離開跑道一段距離后適當(dāng)減小油門，使固定翼無人機(jī)處于較低的速度，適當(dāng)拉低升降舵，固定翼無人機(jī)的高度則會(huì)慢慢降低，當(dāng)降低到安全高度時(shí)，油門桿拉到最低，拉升降舵，使機(jī)頭稍稍向上，升力也會(huì)增加一點(diǎn)，著陸時(shí)比較柔和。此外，固定翼無人機(jī)的飛行控制還涉及多種傳感器的使用，如地磁感應(yīng)、超聲波傳感器、光流量傳感器、控制電路、加速度計(jì)、氣壓傳感器、GPS模塊和陀螺儀等，這些傳感器與機(jī)載計(jì)算機(jī)和伺服作動(dòng)器配合，共同維持無人機(jī)的正常飛行姿態(tài)。固定翼無人機(jī)通常具備兩種不同的控制模式，一種是根據(jù)設(shè)定的目標(biāo)空速來調(diào)整飛機(jī)的俯仰角度，以影響空速和高度。另一種是設(shè)定飛機(jī)平飛時(shí)的迎角，根據(jù)飛行高度與目標(biāo)高度的差值，通過PID控制器輸出的爬升角來控制飛機(jī)的升降舵面，以達(dá)到快速調(diào)整高度的目的。

①飛機(jī)的縱向穩(wěn)定性。當(dāng)飛機(jī)受微小擾動(dòng)而偏離原來縱向平衡狀態(tài)（俯仰方向），并在擾動(dòng)消失后，飛機(jī)能自動(dòng)恢復(fù)到原來縱向平衡狀態(tài)的特性，稱為飛機(jī)的縱向穩(wěn)定性。在飛行過程中，作用于飛機(jī)的俯仰力矩主要是機(jī)翼力矩和水平尾翼力矩。當(dāng)飛機(jī)的迎角發(fā)生變化時(shí)，在機(jī)翼和尾翼上都會(huì)產(chǎn)生一定的附加升力，這個(gè)附加升力的合力作用點(diǎn)稱為飛機(jī)的焦點(diǎn)。飛機(jī)的縱向穩(wěn)定性主要取決于飛機(jī)重心的位置，只有當(dāng)飛機(jī)的重心位于焦點(diǎn)前面時(shí)，飛機(jī)才是縱向穩(wěn)定的。如果飛機(jī)的重心位于焦點(diǎn)之后，飛機(jī)則是縱向不穩(wěn)定的。重心前移可以增加飛機(jī)的縱向穩(wěn)定性。飛機(jī)重心位置與縱向穩(wěn)定性之間的關(guān)系如圖2-2-19所示。（5）飛行穩(wěn)定性

②飛機(jī)的航向穩(wěn)定性。飛機(jī)受到擾動(dòng)而偏離原來航向平衡狀態(tài)，而在擾動(dòng)消失后，飛機(jī)如能趨向于恢復(fù)原來的平衡狀態(tài)，就具有航向穩(wěn)定性。飛機(jī)主要靠垂直尾翼的作用來保證航向穩(wěn)定性。航向穩(wěn)定力矩是在側(cè)滑中產(chǎn)生的。飛機(jī)的側(cè)滑是一種既向前又向側(cè)方的運(yùn)動(dòng)，此時(shí)，飛機(jī)的對稱面和相對氣流方向不一致。飛機(jī)產(chǎn)生側(cè)滑時(shí)，空氣從飛機(jī)側(cè)方吹來，這時(shí)，相對氣流方向和飛機(jī)對稱面之間就有一個(gè)側(cè)滑角β。相對氣流從左前方吹來叫左側(cè)滑，相對氣流從右前方吹來叫右側(cè)滑，如圖2-2-20所示。③飛機(jī)的橫向穩(wěn)定性。飛機(jī)受擾動(dòng)以致橫向平衡狀態(tài)遭到破壞，而在振動(dòng)消失后，如飛機(jī)自身產(chǎn)生一個(gè)恢復(fù)力矩，使飛機(jī)趨向于恢復(fù)原來的平衡狀態(tài)，就具有橫向穩(wěn)定性，反之，就沒有橫向穩(wěn)定性。在飛行過程中，使飛機(jī)自動(dòng)恢復(fù)原來橫向平衡狀態(tài)的滾轉(zhuǎn)力矩，主要是由機(jī)翼上反角、機(jī)翼后掠角和垂直尾翼的作用產(chǎn)生的。在飛機(jī)平飛過程中，當(dāng)一陣風(fēng)吹在飛機(jī)的左翼上，使飛機(jī)的左翼抬起，右翼下沉，飛機(jī)受擾動(dòng)而產(chǎn)生向右的傾斜，沿著合力的方向沿右下方產(chǎn)生側(cè)滑。此時(shí)，空氣從右前方吹來，因上反角的作用，右翼有效迎角增大，升力也增大。左翼則相反，有效迎角和升力都減小。左右機(jī)翼升力之差形成滾轉(zhuǎn)力矩，從而減小或消除傾斜，進(jìn)而消除側(cè)滑，使飛機(jī)具有自動(dòng)恢復(fù)橫向平衡狀態(tài)的趨勢。也就是說，飛機(jī)具有橫向穩(wěn)定性。機(jī)翼上反角與橫向穩(wěn)定性如圖2-2-21所示。多旋翼無人機(jī)是近些年來才出現(xiàn)的一種無人機(jī)形式，由于在獨(dú)特飛控算法的增穩(wěn)控制介入下，克服了自身過于復(fù)雜的氣動(dòng)力和力矩操作原理，反而表現(xiàn)出一種“簡易”的操作特性。多旋翼無人機(jī)（見圖2-2-22）通常采用三個(gè)及以上的旋翼來控制無人機(jī)機(jī)體，這一點(diǎn)有點(diǎn)類似于旋翼直升機(jī)中的縱式雙旋翼或者橫式雙旋翼結(jié)構(gòu)。整個(gè)機(jī)體的重力全部由這些旋翼產(chǎn)生的拉力來克服，各個(gè)旋翼自身產(chǎn)生力矩由彼此之間相互平衡。因大部分多旋翼都有多個(gè)旋翼軸，所以人們也稱其為多軸。目前，多旋翼無人機(jī)所需要的各種部件包括機(jī)架、電動(dòng)機(jī)、螺旋槳、電調(diào)、飛控、GPS、數(shù)傳模塊、圖傳模塊、電池、分電板、插頭、云臺(tái)、遙控器、任務(wù)設(shè)備等。二、多旋翼無人機(jī)的結(jié)構(gòu)與飛行原理1.結(jié)構(gòu)組成如圖2-2-23所示，多旋翼無人機(jī)的機(jī)架通常包括機(jī)身（機(jī)臂、中心板）和起落架，為多旋翼無人機(jī)提供穩(wěn)定的飛行平臺(tái)和安全的起降條件，避免機(jī)身上的儀器設(shè)備受到外力而損壞。此外，機(jī)架還通常提供各種零部件的安裝接口。（1）機(jī)架常見的多旋翼無人機(jī)機(jī)架材質(zhì)有三種：①塑料：具有一定的剛度、強(qiáng)度和可彎曲度，易加工且價(jià)格便宜。②玻璃纖維：剛度和強(qiáng)度比較高，加工困難，價(jià)格較高，但密度小，可以減輕整體機(jī)架的重量。③碳纖維：剛度和強(qiáng)度高，加工困難，價(jià)格較高，但密度小，可以減輕整體機(jī)架的重量。出于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和重量考慮，一般采用碳纖維材質(zhì)。軸距是多旋翼無人機(jī)的重要尺寸參數(shù)，是指多旋翼無人機(jī)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)軸軸心的距離，即為對角線上的兩電機(jī)軸心的距離，如圖2-2-24所示。軸距的大小限定了螺旋槳的槳距尺寸上限。無人機(jī)分電板是實(shí)現(xiàn)無人機(jī)具備飛行能力的關(guān)鍵元素之一，對于保障飛行安全，穩(wěn)定供電以及飛行時(shí)間的充分利用都有著非常重要的作用，如圖2-2-25所示。（2）分電板無人機(jī)分電板相當(dāng)于一種電路管理器，它可以將電池的直流電能轉(zhuǎn)化為無人機(jī)需要的各種電壓，用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)、光電傳感器等。無人機(jī)中電機(jī)數(shù)量較多，需要多條電路供電，分電板可以將電源均衡分配，使得每個(gè)電路得到穩(wěn)定且相等的電壓和電流，確保電路間的互相隔離，穩(wěn)定供電且不會(huì)因電路故障或短路等問題影響到其他電機(jī)或設(shè)備的運(yùn)行。（3）插頭①無人機(jī)插頭種類。隨著無人機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，無人機(jī)電池也發(fā)生了很多變化。一款優(yōu)秀的無人機(jī)電池不僅需要有良好的續(xù)航能力，還需要與無人機(jī)配套的電池插頭。以下是常見的無人機(jī)電池插頭種類：a.T插：T插是一種比較常見的電池插頭，如圖2-2-26所示。使用廣泛的無人機(jī)品牌（如大疆）都采用T插。T插和球形插頭連接，插頭自身具有防反向設(shè)計(jì)，具有安全性。b.XT60插頭：XT60插頭是一種帶插銷的插頭，如圖2-2-27所示，可以防止插頭掉落。XT60插頭的焊接極為簡單，且連接可靠，廣泛使用于無人機(jī)四軸等多旋翼領(lǐng)域。c.XT90插頭：XT90插頭是XT60插頭的升級(jí)版，如圖2-2-28所示。在電流承受能力和使用壽命等方面都有了很大的提高。適用于較大型的無人機(jī)，可以承受更多的功率輸出。d.EC5插頭：EC5插頭可以承受較大電流和高壓，如圖2-2-29所示，適用于高功率大型無人機(jī)。EC5插頭也是插銷式插頭，安全性較高。②電池插頭應(yīng)用場景。電池插頭的種類多樣，不同的插頭適用于不同的無人機(jī)品牌和型號(hào)。以下是電池插頭的一些應(yīng)用場景和注意事項(xiàng)：T插：T插適用于大疆和多數(shù)小型的四軸無人機(jī)，建議購買T插連接器及擴(kuò)展線，以便連通各種電源。XT60插頭：XT60插頭適用于不同品牌的大功率四軸飛行器和高速飛行器。在安裝和焊接XT60插頭時(shí)，請注意極性不要倒置，以免機(jī)器抱死或者充電器無法充電。XT90插頭：如果需要高電流輸出，建議選擇XT90插頭，注意XT90插頭和XT60插頭不能相互配合。EC5插頭：EC5插頭適用于較大功率的多旋翼飛行器，安裝時(shí)注意輸出功率的大小，不要超過插頭規(guī)定的范圍。無人機(jī)云臺(tái)，如圖2-2-30所示，是指無人機(jī)用于安裝、固定攝像機(jī)等任務(wù)載荷的支撐設(shè)備。云臺(tái)的功能主要包括以下兩個(gè)方面：一是實(shí)現(xiàn)云臺(tái)的自穩(wěn)功能，也就是穩(wěn)像功能；二是控制云臺(tái)在空間方位的轉(zhuǎn)動(dòng)。（4）云臺(tái)云臺(tái)就是兩個(gè)交流電機(jī)組成的安裝平臺(tái)，可水平和垂直運(yùn)動(dòng)。但要注意區(qū)別于照相器材中的云臺(tái)概念。照相器材的云臺(tái)一般來說只是一個(gè)三腳架，只能通過手來調(diào)節(jié)方位；而無人機(jī)系統(tǒng)所說云臺(tái)是通過控制系統(tǒng)，在遠(yuǎn)程可控制其轉(zhuǎn)動(dòng)及移動(dòng)的方向。云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)速度是衡量其檔次高低重要指標(biāo)。云臺(tái)水平和垂直方向的移動(dòng)是由兩個(gè)不同的電機(jī)驅(qū)動(dòng)的，因此云臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度也分為水平轉(zhuǎn)速和垂直轉(zhuǎn)速。由于載重的原因，垂直電機(jī)在啟動(dòng)和運(yùn)行保持時(shí)的扭矩大于水平方向的扭矩，再加上實(shí)際監(jiān)控時(shí)，對水平轉(zhuǎn)速的要求要高于垂直轉(zhuǎn)速。因此，一般來說，云臺(tái)的垂直轉(zhuǎn)速要低于水平轉(zhuǎn)速。遙控器是操控手操控?zé)o人機(jī)必不可少的飛行工具，如圖2-2-31所示。雖然無人機(jī)的發(fā)展方向是脫離地面遙控器的操控，實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)飛行，但對于初學(xué)者而言，傳統(tǒng)遙控器仍是關(guān)鍵的設(shè)備。遙控器與無人機(jī)的通信需要發(fā)射器和接收機(jī)的協(xié)作來完成，接收機(jī)如圖2-2-32所示。遙控器中的發(fā)射器將控制信號(hào)轉(zhuǎn)化為無線電波發(fā)送給接收機(jī)，接收機(jī)接收無線電波并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，傳送到無人機(jī)的控制器中。（5）遙控器通道指的是遙控器可以控制的無人機(jī)動(dòng)作數(shù)量。例如，如果遙控器只能控制無人機(jī)上下飛行，那就是1個(gè)通道。實(shí)際控制無人機(jī)時(shí)，需要控制的動(dòng)作有：上下、左右、前后、旋轉(zhuǎn)，因此，至少需要4通道遙控器，如圖2-2-33所示。第一通道一般指副翼（aileron）。在多旋翼里，用來控制和改變機(jī)身橫滾方向的姿態(tài)變化。第二通道指升降（elevator）。在多旋翼里，升降通道是用來控制機(jī)身前進(jìn)與后退的。美國手，右邊搖桿向上推，機(jī)身向前飛行；向下拉，機(jī)身向后退。日本手則是左邊搖桿的上下擺動(dòng)控制飛機(jī)前進(jìn)與后退。第三通道指油門通道（throttle）。顧名思義，是用來控制發(fā)動(dòng)機(jī)或電機(jī)轉(zhuǎn)速的。美國手是左邊搖桿的上下擺動(dòng)來控制油門大小，搖桿向上推，電機(jī)轉(zhuǎn)速增加，多旋翼向上拉升。日本手是利用遙控器的右邊搖桿的上下擺動(dòng)來控制油門輸出。第四通道指方向舵（rudder）。在多旋翼里，用于改變機(jī)頭朝向。我們在控制飛機(jī)飛行的時(shí)候，更直觀的感受是機(jī)身在做自旋轉(zhuǎn)。所以，我們平時(shí)也大多叫方向舵為“旋轉(zhuǎn)”。美國手是左邊搖桿左右擺動(dòng)控制機(jī)頭朝向，這一點(diǎn)與日本手一樣。除了四個(gè)主控制通道，遙控器還有其他控制桿或旋鈕，用戶可以自行定義。這些輔助通道在原理上與主控制通道沒有什么不同，通常用作無人機(jī)的特殊功能開關(guān)，如控制云臺(tái)姿態(tài)，控制照相機(jī)快門，或控制其他功能開關(guān)等。輔助通道的讀數(shù)也會(huì)由遙控器發(fā)送給接收機(jī)，并由接收機(jī)將這些數(shù)值發(fā)送給無人機(jī)控制器，最終由無人機(jī)決定這些輔助通道如何控制某項(xiàng)功能。在傳統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上，還有許多遙控器都裝備了先進(jìn)的定位系統(tǒng)，使用GPS、地面測繪技術(shù)和無線通信技術(shù)等技術(shù)手段，幫助用戶清晰地了解無人機(jī)在空中的位置和運(yùn)行路徑。此外，遙控器也可以通過導(dǎo)航功能設(shè)定飛行路線和航點(diǎn)，以及實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)駕駛等功能，還有高清攝像頭和實(shí)時(shí)圖像傳輸功能、多種飛行模式、手勢控制等高級(jí)操作功能，使得用戶可以更靈活地掌握無人機(jī)的飛行和拍攝。無論多旋翼無人機(jī)是四軸、六軸、八軸還是三軸、五軸，亦或者是品牌無人機(jī)、D1Y無人機(jī)等某一種具體形式，在總體布局方面卻表現(xiàn)出一種比較高的相似度。多旋翼無人機(jī)一般采用軸對稱總體布局形式，中央位置集中布置飛控、GPS、電池、任務(wù)設(shè)備等，四周均布設(shè)有發(fā)動(dòng)機(jī)支架和螺旋槳。這種發(fā)動(dòng)機(jī)支架的布置方式種類很多，三旋翼無人機(jī)常見的有Y字形，四旋翼無人機(jī)一般以X、H、十字形為主，五旋翼、六旋翼、八旋翼等無人機(jī)一般都是環(huán)繞型均布。除此之外，一些更多旋翼的無人機(jī)布局形式基本上都是在六旋翼、八旋翼的基礎(chǔ)上演化而來，即在一個(gè)支架上如同樹枝分叉一樣衍生出多個(gè)單獨(dú)支架，從而滿足大量旋翼和發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝需求。由于旋翼數(shù)目為偶數(shù)，力矩平衡一般采用對外平衡策略，即一對支架上的兩個(gè)旋翼旋轉(zhuǎn)方向是一樣的，另一對支架兩個(gè)旋翼旋轉(zhuǎn)方向與之前的一對相反，每一對的力矩相互形成平衡關(guān)系。2.氣動(dòng)布局對于十字形四旋翼布局（見圖2-2-34），由于無人機(jī)無論是前飛、側(cè)飛、倒飛都有一個(gè)支架會(huì)干擾到任務(wù)設(shè)備的視角，并且也不利于機(jī)架折疊收放，因此慢慢地成了非主流形式。X型如圖2-2-35所示，H型如圖2-2-36所示（和X型類似）。兩種布局形式成為四旋翼無人機(jī)最經(jīng)典的總體布局方案，在很多品牌無人機(jī)產(chǎn)品中得到體現(xiàn)。X型布局是最為常見的四旋翼無人機(jī)機(jī)架布局類型，四個(gè)電機(jī)分別安裝在機(jī)架四個(gè)角落，形成一個(gè)X字型布局。X型布局的優(yōu)點(diǎn)在于機(jī)身結(jié)構(gòu)緊湊，轉(zhuǎn)彎便利，飛行穩(wěn)定，適用于比較高速的飛行場景。不過，由于機(jī)架上下空間有限，增加附加設(shè)備比較困難，所以該布局類型適用于以速度和靈活性為主要需求的場景。H型布局的四個(gè)電機(jī)分別安裝在橫向和縱向的兩個(gè)臂上，形成一個(gè)H字型布局。優(yōu)點(diǎn)在于機(jī)身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，機(jī)架結(jié)構(gòu)比較牢固，適用于能承受較大載重和需要高穩(wěn)定性的場景。不過由于機(jī)身比較長，轉(zhuǎn)彎半徑相對較大，速度和機(jī)動(dòng)性稍遜于X型布局。如圖2-2-37所示，當(dāng)同時(shí)增加四個(gè)電機(jī)的輸出功率，螺旋槳轉(zhuǎn)速增加使得總的升力增大，當(dāng)總升力足以克服整機(jī)的重量時(shí)，四旋翼無人機(jī)便離地垂直上升。反之，同時(shí)減小四個(gè)電機(jī)的輸出功率，四旋翼無人機(jī)則垂直下降，直至平衡落地，實(shí)現(xiàn)了沿z軸的垂直運(yùn)動(dòng)。當(dāng)外界擾動(dòng)量為零時(shí)，即螺旋槳產(chǎn)生的升力等于四旋翼無人機(jī)的自重時(shí)，四旋翼無人機(jī)便保持懸停狀態(tài)。保證四個(gè)螺旋槳轉(zhuǎn)速同步增加或減小是垂直運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵。3.飛行原理（1）垂直運(yùn)動(dòng)（升降控制）如圖2-2-38所示，電機(jī)1的轉(zhuǎn)速上升，電機(jī)3的轉(zhuǎn)速下降，電機(jī)2和電機(jī)4的轉(zhuǎn)速保持不變。為了不因?yàn)槁菪龢D(zhuǎn)速的改變引起四旋翼無人機(jī)整體扭矩與總拉力改變，螺旋槳1與螺旋槳3轉(zhuǎn)速變量的大小應(yīng)相等。由于螺旋槳1的升力上升，螺旋槳3的升力下降，產(chǎn)生的不平衡力矩使機(jī)身繞y軸旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)方向如圖2-2-39所示。四旋翼無人機(jī)首先發(fā)生一定程度的傾斜，從而使螺旋槳升力產(chǎn)生水平分量，可以實(shí)現(xiàn)四旋翼無人機(jī)抬頭，向后飛。同理，當(dāng)電機(jī)1的轉(zhuǎn)速下降，電機(jī)3的轉(zhuǎn)速上升，機(jī)身便繞y軸向另一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，無人機(jī)低頭，向前飛。如此，便實(shí)現(xiàn)了對四旋翼無人機(jī)的俯仰運(yùn)動(dòng)及前后運(yùn)動(dòng)控制。（2）俯仰運(yùn)動(dòng)（前后運(yùn)動(dòng)）與俯仰運(yùn)動(dòng)的原理相同，如圖2-2-40所示，改變電機(jī)2和電機(jī)4的轉(zhuǎn)速，保持電機(jī)1和電機(jī)3的轉(zhuǎn)速不變，則可使機(jī)身繞x軸旋轉(zhuǎn)（正向和反向），實(shí)現(xiàn)四旋翼無人機(jī)的滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，四旋翼無人機(jī)首先發(fā)生一定程度的傾斜，從而使螺旋槳升力產(chǎn)生水平分量，因此可以實(shí)現(xiàn)四旋翼無人機(jī)的側(cè)向飛運(yùn)動(dòng)。例如，電機(jī)4的轉(zhuǎn)速上升，電機(jī)2的轉(zhuǎn)速下降，電機(jī)1和電機(jī)3的轉(zhuǎn)速保持不變，無人機(jī)左滾，向左運(yùn)動(dòng)。（3）滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（左右運(yùn)動(dòng)）四旋翼無人機(jī)偏航運(yùn)動(dòng)可以借助螺旋槳產(chǎn)生的反扭矩來實(shí)現(xiàn)。螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，由于空氣阻力作用，會(huì)形成與轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的反扭矩，為了克服反扭矩影響，可使四個(gè)螺旋槳中的兩個(gè)正轉(zhuǎn)，兩個(gè)反轉(zhuǎn)，且對角線上的各個(gè)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同。反扭矩的大小與螺旋槳轉(zhuǎn)速有關(guān)，當(dāng)四個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速相同時(shí)，四個(gè)螺旋槳產(chǎn)生的反扭矩相互平衡，四旋翼無人機(jī)不發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)四個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速不完全相同時(shí)，不平衡的反扭矩會(huì)引起四旋翼無人機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。如圖2-2-41所示，當(dāng)電機(jī)1和電機(jī)3的轉(zhuǎn)速上升，電機(jī)2和電機(jī)4的轉(zhuǎn)速下降時(shí)，螺旋槳1和螺旋槳3對機(jī)身的反扭矩大于螺旋槳2和螺旋槳4對機(jī)身的反扭矩，機(jī)身便在富余反扭矩的作用下繞z軸轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)四旋翼無人機(jī)向右偏航運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)向與電機(jī)1、電機(jī)3的轉(zhuǎn)向相反。（4）偏航運(yùn)動(dòng)垂直起降固定翼無人機(jī)，顧名思義，就是不需要滑跑就可以完成起飛和降落的固定翼無人機(jī)。垂直起降固定翼無人機(jī)因其續(xù)航時(shí)間長、作業(yè)效率高、活動(dòng)半徑大等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于交通監(jiān)管、油田管道巡檢、測繪、森林巡檢等行業(yè)，應(yīng)用前景非常廣闊。根據(jù)布局形式，垂直起降固定翼無人機(jī)主要分為三類：尾座式、復(fù)合翼和傾轉(zhuǎn)旋翼。（1）尾座式尾座式無人機(jī)是一種以尾部翅膀?yàn)橹饕Y(jié)構(gòu)的無人機(jī)，如圖2-2-42所示。與傳統(tǒng)的固定翼無人機(jī)和旋翼無人機(jī)不同，它的穩(wěn)定性來自尾部翅膀的設(shè)計(jì)，而不是機(jī)身的支撐。尾座式無人機(jī)具有快速起飛、小巧輕便、操控靈活、可靠性高等特點(diǎn)。其結(jié)構(gòu)獨(dú)特，僅需要一小塊平地或者在手持的情況下進(jìn)行起降和懸停，適宜于進(jìn)行短距離飛行。三、垂直起降固定翼無人機(jī)的結(jié)構(gòu)與飛行原理1.定義和分類（2）復(fù)合翼復(fù)合翼無人機(jī)是在固定翼無人機(jī)的基礎(chǔ)上加裝一套多軸的旋翼系統(tǒng)與前拉馬達(dá)，形成復(fù)合翼的垂直起降無人機(jī)，如圖2-2-43所示。復(fù)合翼無人機(jī)的優(yōu)勢在于結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)便利、成本相對低、有效載荷大、爬升率高、續(xù)航時(shí)間長、高原性能好。隨著可靠性進(jìn)一步提升、成本進(jìn)一步降低，復(fù)合翼將成為垂直起降主流方式，是未來發(fā)展趨勢。（3）傾轉(zhuǎn)旋翼傾轉(zhuǎn)旋翼無人機(jī)是在固定翼上安裝一套可以旋轉(zhuǎn)的機(jī)翼，如圖2-2-44所示。根據(jù)旋轉(zhuǎn)的模式不同，飛機(jī)具有不同的飛行特性。當(dāng)傾轉(zhuǎn)機(jī)翼處于垂直狀態(tài)時(shí)，飛機(jī)可懸停、側(cè)飛、后飛、垂直起降等。當(dāng)傾轉(zhuǎn)機(jī)翼處于水平狀態(tài)時(shí)，飛機(jī)即相當(dāng)于固定翼飛機(jī)，能做高速遠(yuǎn)程飛行。2.復(fù)合翼無人機(jī)飛行模式與結(jié)構(gòu)組成復(fù)合翼無人機(jī)同時(shí)具備了多旋翼無人機(jī)和固定翼無人機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，使固定翼無人機(jī)擺脫了對于場地的要求，實(shí)現(xiàn)了垂直起降。除此之外，利用多旋翼的垂直升降能力，可以實(shí)現(xiàn)固定翼無人機(jī)的