多旋翼无人机技术基础-第1章.ppt

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1、第一章 概述,概述,主要内容 (1)与多旋翼无人机相关的基本概念。 (2)多旋翼无人机系统的基本概念。 (3)多旋翼无人机的构型、用途和类型。 (4)多旋翼无人机的发展历程和市场前景。 (5)民用多旋翼无人机的飞行管理。,概述,1.1与多旋翼无人机相关的基本概念 1.1.1 基本的物理概念和定律 1. 速度和加速度 (1)速度。平均速度是指运动物体通过的一段位移和所用时间的比值，即v=s/t,常用单位为米/秒，公式中D为速度,s为位移，t为时间。运动物体在某一时刻(或某一位 置)的速度，称为瞬时速度，平时人们所说的速度大多是指瞬时速度。速度是有方向的，所以是矢量。 (2)加速度。加速度即速度的

2、改变率，是指运动物体速度的变化量0v与发生这一变化我:所用时间0l的比值，即a=Av/At，常用单位为米/(秒，秒)，公式中a为加速度。加速度是矢量，它的方向是运动物体速度变化(量)的方向，与外力的合力方向相同。如果加速度是负数，则代表减速。,概述,2.牛顿三大运动定律 (1)牛顿第一运动定律。 任何一个物体在不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,2.牛顿三大运动定律 (2)牛顿第二运动定律。 物体

3、的加速度跟物体所受的合外力成正比，跟物体的质量成反比。牛顿第二运动定律也称为加速度定律，它表明力的瞬时作用规律:力和加速度同时产生,同时变化，同时消失。牛顿第二运动定律可以用一个矢量方程表示: F=ma.公式中m为物体的质最，a为加速度,F为外力，应用计算时应规定正方向，儿与正方向相同的力或加速度均取止值，反之取负值,概述,2.牛顿三大运动定律 (3) 牛顿第三运动定律 两个物体之间的作用力和反作用力，在同一直线上，大小相等，方向相反。牛顿第三运动定律也称为作用力与反作用力定律。,概述,3.动能、势能和压力 (1)动能。 动能是指物体囚运动而具有的能量。动能是能量的一种， 数值上F一mu /2

4、，公式中E为动能，m为物体的质量，v为速度。它在国际单位制下单位是焦F(J)。动能具有瞬时性，是指力在个过程中对物体所做的功等丁在这个过程中动能的变化。动能是状态量，无负值。 动能定理:运动质点的动能的增量等于其他物体对它所做的功。动能定理一般只涉及物休运动的始末状态，通过运动过程中做功时能的转化求出始术状态的改变量。但是总的能是遵循能量守恒定律的，能的转化包括动能、势能、热能、光能等能量的变化。,概述,3.动能、势能和压力 (2)势能。 势能是山相互作用的物体之间的相对位置.或由物体内部各部分之间的相对位置所确定的能量，按作用性质的不同，势能可以分为引力势能、弹性势能、电势能和核势能等。势能

5、不是属于单独物体所具有的，而是相万作用的物体所共有的。 (3)压力。 垂直作用于流体或固体界面单位面积上的力即为压力。,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,

6、4.空气属性 (2)黏性。流体都是有黏性的，空气也是有黏性的。黏性是施加于流体的应力和由此产生的变形速率以一定的关系联系起来的流体的种宏观属性， 表现为流体的内摩擦，由于黏性的耗能作用，在无外界能量补充的情况下，运动的流体将逐渐停止下来。黏性对物体表面附近的流体运动产生重要作用，使流速逐层减小并在物体表面上为零，在一定条件下也可使流体脱离物体表面。凡是有黏性作用的地方，各层气流的速度是不均的，这也是摩擦阻力产生的根源。,概述,5.伯努利方程 伯努利定律的实质是流体的机械能守恒，即动能+重力势能十压力势能=常数。其最为著名的推论为:等高流动时，流速大，压力就小。空气的密度是很容易随压强(压力)而

7、改变的，但是当空气流速不大时，由流速引起的压强变化还不足以使空气的密度有显著的变化，这样的流动称为不可压缩流动。,概述,6.飞行器、飞行力学和空气动力学 (1)飞行器:空代中的运动体，一个复杂的被控对象，要想控制它，需要了解气流特性与飞行器在气流巾飞行时的特性。 (2) 飞行力学:研究飞行器在大气中飞行时的受力与运动规律,建立飞行器动力学方程。 (3)空气动力学:空气动力学是力学的一个分支，研究物体在同气体进行相对运动情况下的受力特性、气体流动规律和伴随发生的物理和化学变化。,概述,7.自动控制和自动控制系统 自动控制。自动控制是指在没有人古接参与的情况下，利用外加的设备或装置，使机器、设备或

8、生产过程的某个工作状态或参数自动地按照预定的规律运行。自动控制是相对人工控制概念而言的，是工程科学的一个分支。它利用反馈对动态系统的自动影响，以使得输出值接近人们想要的值。从方法的角度看，它以系统理论为基础。 自动控制系统。自动控制系统，简称自控系统，是在无人直接参与下可使操纵过程或其他过程按期望规律或预定程序进行的控制系统。自动控制系统是实现自动化的主要手段，包括实现月动控制功能的装置及其被控制对象，由控制器、被控对象、执行机构和变送器4个环节组成。,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

9、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,(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。 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。 管理系统:由一定的制度组织、程序、手续等所构成的系统。 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。,

10、概述,(4) 静态系统与动态系统。 静态系统是指系统的性能与功效不随时间而改变，反之就是动态系统。应注意的是静态系统并非指系统中切都绝对静止，即使是静态系统，仍存在着少量的物质、能量交换。 (5)封闭系统与开放系统。 当系统与环境联系不密切，即很少与环境发生能量、物质、信息的交换时，该系统称为封闭系统。 (6)实体系统与虚拟系统。 实体系统是以矿物、生物、机械、人类等实体物理方面的存在物为组成部分的系统。与此相对应虚拟系统是以概念、想象、原理法则、方法、制度、步骤、手续等非物理方面的存在物为组成部分的系统。,概述,2. 系统论的基本理论 系统论的基本理论可以概括为以下4个方面。 (1)整体的功

11、能不等于各部分功能之总和。系统论的这理论 也称为“整体性原则”。它要求人们在研究和处理问题时，要牢固地树立全局观念.始终把研究对象看作个有机的整体。 (2)系统的结构决定系统的功能结构是系统内部各个要索的组织形式，功能是系统在定环境下所能发挥的作用。系统的结构决定系统的功能，不同的结构可以发生不同的功能。 (3)动态观点。任何系统都是一个运动过程. 如思维过程以感觉、知觉、记忆、分析、综合等来表征它的运动过程。系统论控制论信息论都是以动态的观点去分析考查事物，注意事物的运动状态，考察研究事物运动的过程，从而选择恰当的过程。 (4)最优化观点。人们对系统进行研究和改造的最终目的是为了使系统发挥最

12、优的功能。,概述,1.1.3 控制论的基本概念 1.控制和控制论的定义 控制是施控者作用于受控对象的一种主动行为，使受控对象按照施控者的意愿行动，如领导、指挥、管理、教育、设计、调节等都是主动的控制行为。控制是有目的的，如果控制系统的目的是一个，则称其为单日标控制系统;如果是多个,则称其为多目标控制系统。,概述,2.反馈控制 所谓反馈就是指在完成控制的过程中，收集行动效果的响应信息,并把其响应同日的要求相比较进行工作的调整。这种行动后果的响应信息就称为反馈信息，当行动响应同目标要求一致时，控制过程便完成了; 当行动响应效果偏离目标甚至背道而驰时.就需要对系统进行调节，使其逐步接近目标，最后使系

13、统能得到合理的发展。,概述,3.前馈控制 前馈控制是没有反馈信息的控制，系统中只有前馈的控制信息通道，通常只应用于比较简单的场合，在工程建设项目中较少采用。,概述,1.2 多旋翼无人机系统的基本概念 1.2.1 多旋翼无人机的定义 旋翼飞行器是利用旋與转动产生升力的飞行器，它是一个大家族，包括传统的旋类机.单旋翼百升机和多旋翼飞行器等。,概述,1.旋翼驱动方式的分类 旋翼飞行器如果按照旋翼驱动方式(有无发动机驱动)来分类，可以分为两大类。 (1)旋翼由发动机驱动的旋翼机，如单旋翼直升机和多旋翼飞行器，其旋翼由发动机(汽油发动机或电动机)驱动，优点是可以垂直起降及在空中悬停不动。 (2)旋翼无发

14、动机驱动的旋翼机，它是一 种利用前飞时的相对气流吹动旋据自转以产生升力的旋翼航空器。,概述,2.无人机、航空模型和航模运动 1)无人机 无人机即无人驾驶飞机(Unmanned Aerial Vehicle UAV),是一种以无线电遥控(半 白主控制方式)或由自身程序控制为主(全自主控制方式)的无人(不搭载驾驶员)的飞机。它是高科技新技 术的集中载体， 与载人飞机相比，它具有体积小、造价低 效费比好;无人员伤亡风险,生存能力强，机动性能好，使用方便、成本低,用途广泛等许多优点。它的研制成功和运用，揭开了以远距离攻击型智能化武器、信息化武器为主导的“非接触性战争”的新篇章，备受世界各国军队的青睐。

15、它在现代战争中有极其重要的作用，在民用领域也有广阔的前景。,概述,2)航空模型 航空模型简称航模。一般认为不能飞行的，以某种飞机的实际尺寸按一定比例制作的模型称为飞机模型，而把能在空中飞行的模型称为模型飞机，即航空模型。航空模型是种有尺寸和重量限制的微型航空器，在国际航空联合会(FAI)制定的竞赛规则甲明确规定:航空模型是一种重于空气的，有尺寸限制的.带有或不带有发动机的，可避控的、不能载人的航空器。,概述,3)航模运动 航空模型运动是以放飞操纵自制的航模进行竞赛和创纪录飞行的一项航空运动。 它既是一项体育运动又是一项科技竞赛活动，它的生命力在于它的趣味性和知识性，有助于培养人们对航空事业的兴

16、趣，普及航空知识。亲手制作的航模翱翔蓝天往往会使青少年产生美好的遐想。,概述,3.多旋翼无人机的定义 多旋冀无人机的英文为Multirotor Unmanned Aircraft, 缩写为MUA,就是多旋翼无人驾驶飞行器，简称为多旋翼无人机或多旋翼无人直开机。它是一种没有搭载驾驶人员的旋翼飞行器,具有垂占起降、空中悬停、低空飞行和原地回转等独特飞行技能，在军用和民用市场上都大有用武之地.,概述,1.2.2 多旋翼无人机系统及其飞行机组 1.多旋翼无人机系统的定义 多旋翼无人机系统包括旋翼机系统、地面系统、任务载荷和综合保障系统，其中旋翼无人机系统有飞行器平台、动力系统、飞行控制系统。导航系统、避让防撞系统、起降着陆装置、数据链路机载终端等组成;地面系统包括地面指挥控制系统、数据链路地面终端、地面铺助设备系统等;任务载荷是多旋翼无人机完成任务所需的设备，如航拍摄影、空中监视、电力架线、灾难救援、气象观测、地理测绘、资源勘探、管道巡检及农林植保等领域的各种专用设