无人机仿真技术

第 1章 无人机结构与飞行原理 ........................................................................................... 1

1.1　固定翼无人机结构与飞行原理 ……………………………………………………………………… 1

1.1.1　固定翼无人机的结构 …………………………………………………………………………… 1

1.1.2　翼型 ……………………………………………………………………………………………… 7

1.1.3　固定翼无人机飞行原理 ……………………………………………………………………… 10

1.2　多旋翼无人机结构与飞行原理 …………………………………………………………………… 14

1.2.1　多旋翼无人机的结构 ………………………………………………………………………… 15

1.2.2　遥控装置 ……………………………………………………………………………………… 24

1.2.3　多旋翼无人机的飞行原理 …………………………………………………………………… 26

1.2.4　多旋翼无人机的调试 ………………………………………………………………………… 32

1.2.5　基本操作要求和日常维护 …………………………………………………………………… 34

1.3　直升无人机结构与飞行原理 ……………………………………………………………………… 35

1.3.1　直升无人机的结构 …………………………………………………………………………… 36

1.3.2　直升无人机的飞行原理 ……………………………………………………………………… 38

1.3.3　旋翼机的飞行原理 …………………………………………………………………………… 41

思考与练习 ………………………………………………………………………………………………… 42

第 2章 多旋翼无人机设计 .................................................................................................44

2.1　总体参数设计 ……………………………………………………………………………………… 44

2.1.1　多旋翼无人机各部分质量 …………………………………………………………………… 44

2.1.2　整机功重比 …………………………………………………………………………………… 45

2.1.3　锂聚合物电池能量质量比 …………………………………………………………………… 46

2.1.4　载重、航时、总重相互关系计算 …………………………………………………………… 46

2.2　飞行平台设计 ……………………………………………………………………………………… 47

无人机仿真技术

2

2.2.1　气动布局选择（动力分摊） ………………………………………………………………… 47

2.2.2　动力组选型 …………………………………………………………………………………… 48

2.2.3　重要尺寸的确定 ……………………………………………………………………………… 51

思考与练习 ………………………………………………………………………………………………… 52

第3章 4旋翼无人机三维建模 ..........................................................................................53

3.1　SolidWorks基础 ……………………………………………………………………………………… 54

3.1.1　模型设计 ……………………………………………………………………………………… 54

3.1.2　用户界面 ……………………………………………………………………………………… 55

3.1.3　草图 …………………………………………………………………………………………… 57

3.1.4　拉伸 …………………………………………………………………………………………… 65

3.1.5　装配体 ………………………………………………………………………………………… 66

3.1.6　工程图 ………………………………………………………………………………………… 67

3.2　三维零件建模 ……………………………………………………………………………………… 67

3.2.1　中心板三维建模 ……………………………………………………………………………… 67

3.2.2　脚架三维建模 ………………………………………………………………………………… 72

3.2.3　海绵三维建模 ………………………………………………………………………………… 73

3.2.4　电机三维建模 ………………………………………………………………………………… 76

3.3　三维模型整机装配 ………………………………………………………………………………… 80

3.3.1　标准配合 ……………………………………………………………………………………… 80

3.3.2　高级配合 …………………………………………………………………………………… 81

3.3.3　装配体设计 …………………………………………………………………………………… 81

思考与练习 ………………………………………………………………………………………………… 85

第4章 无人机飞行控制系统 .............................................................................................86

4.1　飞行控制系统概述 ………………………………………………………………………………… 86

4.1.1　飞行控制系统的发展 ………………………………………………………………………… 86

4.1.2　飞行控制系统的基本任务 …………………………………………………………………… 87

4.2　飞行控制系统的组成 ……………………………………………………………………………… 87

4.2.1　主控模块 ……………………………………………………………………………………… 87

4.2.2　传感器 ………………………………………………………………………………………… 88

目 录

3

4.2.3 数据存储模块 ………………………………………………………………………………… 91

4.2.4 舵机信号输入与输出模块 …………………………………………………………………… 91

4.3　飞行控制软件功能模块 …………………………………………………………………………… 92

4.4　姿态 ………………………………………………………………………………………………… 94

4.5　无人机姿态控制 …………………………………………………………………………………… 97

4.5.1　PID控制原理和特点 ………………………………………………………………………… 97

4.5.2　PID 控制方法 ………………………………………………………………………………… 98

4.5.3　4旋翼无人机中的PID ………………………………………………………………………… 102

思考与练习 ………………………………………………………………………………………………… 108

第5章 4旋翼无人机气动模型仿真系统 ....................................................................... 109

5.1　X-Plane飞行模拟软件介绍 ………………………………………………………………………… 109

5.2　Plane Maker基本功能介绍 ………………………………………………………………………… 113

5.2.1　Plane Maker简介 ……………………………………………………………………………… 113

5.2.2　Plane Maker界面 ……………………………………………………………………………… 113

5.3　无人机气动模型仿真系统 ………………………………………………………………………… 118

5.3.1　气动模型准备 ………………………………………………………………………………… 119

5.3.2　F450型多旋翼机身气动建模 ………………………………………………………………… 120

5.3.3　支臂的气动建模 ……………………………………………………………………………… 125

5.3.4　发动机的气动建模 …………………………………………………………………………… 126

5.3.5　塑造脚架气动模型 …………………………………………………………………………… 129

5.4　仿真效果输出报告 ………………………………………………………………………………… 132

思考与练习 ………………………………………………………………………………………………… 133

第6章 遥控器调试及仿真飞行操作 .............................................................................. 134

6.1　仿真系统的具体实施过程 ………………………………………………………………………… 134

6.2　仿真系统使用说明 ………………………………………………………………………………… 137

6.2.1　仿真套件组成 ………………………………………………………………………………… 137

6.2.2　遥控器组成 ………………………………………………………………………………… 138

6.2.3　飞行模式 ……………………………………………………………………………………… 138

6.2.4　遥控器使用及配对 ………………………………………………………………………… 139

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6.3　虚拟仿真试验操作及仿真效果 …………………………………………………………………… 142

思考与练习 ………………………………………………………………………………………………… 144

第7章 航线规划智能仿真飞行 ...................................................................................... 145

7.1　无人机地面站系统功能简介 ……………………………………………………………………… 145

7.1.1　地面站的组成 ………………………………………………………………………………… 145

7.1.2　地面站功能 …………………………………………………………………………………… 148

7.1.3　地面站分类 …………………………………………………………………………………… 151

7.1.4　地面站相关理论知识 ………………………………………………………………………… 152

7.2　植保作业仿真 ……………………………………………………………………………………… 155

思考与练习 ………………………………………………………………………………………………… 162

参考文献............................................................................................................................. 164