01 无人机简介
目录
1.无人机简介
2.软件在环仿真
1 无人机简介
1.1 航空与航天的区别
- 航空器：通过机身与 空气 的相对运动（不是由空气对地面发生的反作用）而获得空气动力升空飞行的飞行器
- 航天器：地球大气层以外的宇宙空间中，基本按照 天体力学的规律 运动的飞行器
-
卡门线：是公认的外太空与地球大气层的分界线，也是航空与航天的分界线，位于海拔100km处。为表彰西奥多·冯·卡门对航空飞行的高度极限的探究，此线被命名为卡门线。
航天器 不能 在卡门线外飞行的原因
- 由于空气太过稀薄，飞行器难以在此高度产生足够支持航空飞行的升力（飞行器的速度必须比轨道速度快很多，才能够获得足够的升力来支撑自身重量。）—— 空气稀薄，生力不足
- 此外，它还处在与湍流层顶相近的海拔高度上，这也导致了在此线附近及以上不可能航空飞行。（在湍流层顶以上，空气与燃料难以充分的混合，普通的航空器所依靠的热机将无法正常运作。 —— 空气与燃料难以充分混合
[注] 两者不固定。
- 如 NASA 将派无人机探测土卫六。“蜻蜓”定于2026年发射，2034年抵达土星最大的卫星土卫六，将在其表面上四处飞行，以研究生命是如何在那里和早期的地球上发展起来的。 —— 是航空器
1.2 航空器的分类
-
固定翼航空器
->滑翔机：自身不带推进系统，给一个初速度后，借该能量在空中滑翔，一段时间后落地 -
旋翼航空器
->自转旋翼机（与直升机的不同）：- 主旋翼不带动力（转动的原因是飞机向前飞时，有气流吹到上面，受到气流被动旋转）；
- 自动力是尾桨，推着它平飞
- 扑翼机（仿生）
-
VTOL = Vertical Take-Off and Landing = 垂直起降
- 广义：不需要助跑、滑行，不需要初速度
- 狭义：把固定翼航空器和旋翼航空器组合
1.3 固定翼飞行器
1.3.1 固定翼飞行器 - 基本概念
定义
由机身的 固定机翼 产生升力，在大气层内飞行的重于空气的航空器。（历史最早）
固定机翼：机翼与空气产生相对作用，产生升力（克服重力）
分类
- 有动力装置的为 飞机
- 无动力装置的为 滑翔机
1.3.2 固定翼飞行器 - 飞行问题（只有升力不够，还要能转弯）
一个飞行器如何操纵？
飞行器姿态问题
- 俯仰运动
l 机头向上：升力向上，抬头运动 —— 升降舵（尾部）相对向下
l 机头向下 —— 升降舵向上（尾翼的升力变弱；相当于有一个向下的升力变化量） - 滚转运动 —— 可以转弯
l 左侧机翼高
l 右侧机翼高 - 偏航运动（摆头） —— 方向舵（相反）
- 平移运动 （6个）
l 上下
l 左右
l 前后
[注]
飞翼布局的飞行器，操纵面只有两个：副翼与升降舵混合控制，无方向舵
- 同时变换：俯仰
- 不同变换：滚转
操纵面减少：气动性能更好，航时更长
气动性能：飞机、导弹在飞行状态下所受到的升力、阻力、力的方向、大小与其本身的截面、长度、推力、稳定性等会影响飞行物飞行的客观因素所组成的一个函数值，由这个函数值来决定飞行物的外形。
1.3.3 固定翼飞行器 - 力的公式
气动系数由翼型、迎角和雷诺数决定
- ????：空气密度，若该值小（如海波高，空气密度小），则升力小
- ????：相对来流速度，不仅取决于飞机飞多快；还取决于空气来流
- 如：
-
<--v飞=10m/s ; -
<--v风=10m/s -
==>v=0
-
- 逆风飞翔
- 如：
- C：升力系数，非常量，会变化
- 与机翼形状有关
- 与公角α有关 —— α增加，升力系数C增加
- 公角α不会非常大（<13°）；当α>>13°时，升力系数迅速下降（失速）
- 阻力
- 不会有失速概念
- 阻力随不同翼型（机翼的剖面）而不同
- 雷诺数：空气动力学中无量纲中的系数之一
[注]
- ????是三维向量
- ‖????‖是标量，一维
连续性定理与伯努利定理
[分析]
- 经过机翼上面变小
->流速变大（上方空气流得快）->静压小，动压大- 经过机翼下方度面积变大
->流速变小（下方空气流得慢）->动压小，静压大==>故总压强向上==>压强 X 特征面积 = 向上升力
1.4 旋翼飞行器
1.4.1 定义
一种重于空气的航空器，其在空中飞行的升力由 一个或多个 旋翼 与空气进行相对运动的反作用获得。
- 一个公司，两个人，两个开源项目
-
www.dji.com（大疆） -
www.kumarrobotics.org（Kumar教授） -
https://raffaello.name/（Raffaello D‘Andrea教授） 控制非常强 https://px4.io/https://ardupilot.org/
-
1.4.2 旋翼（Rotor）与螺旋桨（Propeller）的不同 —— 旋翼怎么产生升力？
- 旋翼：直升机悬停时，入流速度为0
- [怎么能悬停？] 旋翼在转动时，会吸入一部分气流向下（产生升力的机理），这是诱导速度，非入流速度
- 螺旋桨：有外界吹来气流
- Cf：拉力系数，直接影响旋翼能产生多大拉力
- Cp：功率系数，电机要克服空气阻力所需要产生的功率，也直接代表了旋翼所受到的阻力
- η：效率 = Cf/Cp
- η上升时，用相同能量，产生更大的拉力
1.4.3 直升机和多旋翼飞行器的旋翼的不同
[注] 什么是桨距？
假设螺旋桨在一种不能流动的介质中旋转，那么螺旋桨每转一圈，就会向前进一个距离，连续旋转就形成一段螺旋。同一片桨叶旋转一圈所形成的螺旋的距离，就称为桨距。
1.5 扑翼机
海鸥、蜻蜓、蝴蝶、蝙蝠
1.5.1 人类创造的扑翼方式——X型扑翼
1.5.2 困难重重的扑翼机（其动力学太复杂）
其所受的空气动力是
- 强非线性
- 强非定常
- 无通用模型
-
==>总体设计与控制设计设计十分困难
[注] 所涉及领域：航空学 & 动物学
1.6 VTOL
-
https://x.company/projects/wing/（谷歌X） -
http://www.jouav.com/home.html（成都纵横）
1.7 无人机的应用
定义
- 定义1：无人飞行载具（英语：Unmanned Aerial Vehicle，缩写：UAV）或称无人飞机系统（Unmanned Aircraft System，缩写：UAS），俗称无人机，广义上为不需要驾驶员登机驾驶的各式遥控飞行器，在用途上通常分为军用和民用。（维基百科）
-
定义2：
应用
- 航拍、测绘（呈现三维）、巡检（电网、管道、桥梁）
- 植保、消防、安防
- 军用
2 软件在环仿真
- 无人机的智能化程度越来越高，复杂的智能算法的快速开发需要仿真平台
- 比起无人车和地面机器人，无人机更容易失控，用真实的无人机调试算法费时而且危险
- 强化学习算法的训练，难以直接在物理世界开展
一个良好的无人机仿真平台有助于算法快速开发与部署
XTDrone —— 老师开发的仿真平台
一个支持多机多类型的无人机通用仿真平台