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2.1固定翼无人机结构2.1固定翼无人机结构到目前为止，除了少数特殊形式的飞机外，大多数飞机都由机翼、机身、尾翼、起落装置和动力装置五个主要部分组成，固定翼无人机结构组成如图2-1所示。1.固定翼无人机的组成及各部分功用
一般地，无人机前面部分包含许多航空电子设备；无人机的中段包括机翼、油箱和任务载荷。燃油和任务载荷布置在飞机的质量中心附近，因为执行任务过程中，燃油会被消耗，任务载荷可能被投放消耗，使质量上产生剧烈的变化，将这些物品布置在质心附近，可使质心在整个任务过程中不会有明显的改变。发动机和部分飞行控制系统一般放置在飞机头部或尾部。接下来，介绍固定翼无人机结构组成的主要功能。1.固定翼无人机的组成及各部分功用
（1）机翼机翼是飞机产生升力的部件，以支持飞机在空中飞行，同时也起到一定的稳定和操作作用。机翼后缘一般有可操纵的活动面，靠外侧的叫做副翼，用于控制飞机的滚转运动，靠内侧的则是襟翼，放下襟翼可使升力增大，用于增加起飞着陆阶段的升力。无人机的副翼和襟翼如图2-2所示。1.固定翼无人机的组成及各部分功用
（1）机翼机翼内部可以安装油箱，机翼下面则可供挂载副油箱和任务载荷等附加设备。有些飞机的发动机和起落架也被安装在机翼下方。不同用途的飞机其机翼形状、大小也各有不同。1.固定翼无人机的组成及各部分功用
（1）机翼根据伯努利定律，机翼的上半部较下半部突起，以机翼侧面剖面来看这让机翼上半部气流的流动路线比下半部长，因此机翼上半部气流流动速度较下半部快气压较小，飞机在跑道上冲刺到一定速度后这气压压力差就产生足够升力让飞机起飞。机翼有各种形状，数目也有不同。在航空技术不发达的早期，为了提供更大的升力，固定翼机以双翼机甚至多翼机为主，但现代飞机一般是单翼机。1.固定翼无人机的组成及各部分功用
（1）机翼机翼由一根或更多的沿机翼展向（根部到翼尖）的翼梁以及几个沿着弦向（前缘到后缘）的翼肋或肋组成。翼梁有上和下缘条，由坚固的腹板或撑杆连接起来。翼肋形成飞机翼的空气动力学外形或翼型。并且作为一个刚性的结构或构架来构造，非常坚固，就像一个隔板。1.固定翼无人机的组成及各部分功用
（1）机翼翼梁和翼肋之上的机翼蒙皮提供飞机的主要升力平面。蒙皮如果太薄，可以用较轻的长桁的展向部件来加强。翼梁、翼肋以及加强蒙皮的整体形成盒梁或扭矩盒，盒式梁可能以悬臂梁形式与机身相连，或者从一侧翼尖连通到另一个翼尖。1.固定翼无人机的组成及各部分功用
（2）机身机身的主要功用是装载乘员、旅客、武器、货物和各种设备，将飞机的其他部件如：机翼、尾翼及发动机等连接成一个整体。1.固定翼无人机的组成及各部分功用
（2）机身典型的机身结构是半硬壳结构，通常被分为前部、中部和尾部三个部分。应力蒙皮的半硬壳结构中，机身蒙皮由一些沿机身方向的部件加强，当这些部件很轻时，它们被称为长桁；当它们很重时，称为机身大梁。蒙皮的形状由一些横向的结构框或隔板来维持。主要的一根纵向机身梁称为龙骨。1.固定翼无人机的组成及各部分功用
（3）尾翼。尾翼包括水平尾翼和垂直尾翼。水平尾翼由固定的水平安定面和可动的升降舵组成，有的高速飞机将水平安定面和升降舵合为一体成为全动平尾。垂直尾翼包括固定的垂直安定面和可动的方向舵。尾翼的作用是操纵飞机俯仰和偏转，保证飞机能平稳飞行。1.固定翼无人机的组成及各部分功用
（4）起落装置飞机的起落架大都由减震支柱和机轮组成，作用是起飞、着陆滑跑，地面滑行和停放时支撑飞机。1.固定翼无人机的组成及各部分功用
（5）动力装置。动力装置主要用来产生拉力和推力，使飞机前进。1.固定翼无人机的组成及各部分功用
飞机上除了这五个主要部分外，根据飞机操作和执行任务的需要，还装有各种仪表、通信设备、领航设备、安全设备等其他设备。1.固定翼无人机的组成及各部分功用
2.2无人直升机结构2.2无人直升机结构无人驾驶直升机，是指由无线电地面遥控飞行或/和自主控制飞行的可垂直起降（VTOL）不载人飞行器，在构造形式上属于旋翼飞行器，在功能上属于垂直起降飞行器。近十几年来，随着复合材料、动力系统、传感器、尤其是飞行控制等技术的研究进展，无人直升机得到了迅速的发展，正日益成为人们关注的焦点。2.2.1无人直升机概述2.2无人直升机结构无人直升机具有独特的飞行性能及使用价值。与有人直升机相比，无人直升机由于无人员伤亡、体积小、造价低、战场生存力强等特点，在许多方面具有无法比拟的优越性。与固定翼无人机相比，无人直升机可垂直起降、空中悬停，朝任意方向飞行，其起飞着陆场地小，不必配备象固定翼无人机那样复杂、大体积的发射回收系统。在军用方面，无人直升机既能执行各种非杀伤性任务，又能执行各种软硬杀伤性任务，包括侦察、监视、目标截获、诱饵、攻击、通信中继等。在民用方面，无人直升机在大气监测、交通监控、资源勘探、电力线路检测、森林防火等方面具有广泛的应用前景。2.2.1无人直升机概述2.2无人直升机结构无人直升机系统大体上由直升机本体、控制与导航系统、综合无线电系统和任务载荷设备等组成。直升机本体包括主旋翼、副翼、尾桨、机体、操纵系统、动力装置等，如图2-3所示。2.2.1无人直升机概述2.2无人直升机结构2.2.1无人直升机概述2.2无人直升机结构旋翼无人机气动结构设计是在其系统总体设计技术的框架体系下，运用传统直升机设计的相关理论与技术方法，设计出满足旋翼无人机系统任务技术要求的旋翼无人机平合，解决直升机平台性能与所执行任务特性、搭载载荷及飞行性能要素之间的匹配性问题。2.2.2旋翼无人机气动结构的组成2.2无人直升机结构因此，旋翼无人机气动结构通常是在有人直升机空气动力学的理论基础上经无人化设计发展而来，其基本组成部分与有人直升机大致相同，传统直升机空气动力学的基本理论在旋翼无人机上仍然适用。除了少数特殊形式的旋翼无人机外，大多数旋翼无人机都由旋翼系统、机体结构、尾桨、起落装置和动力装置等五部分组成，如图2-3所示。2.2.2旋翼无人机气动结构的组成目前，应用于无人机直升机及中小型航模的普通布局形式的直升机中，其旋翼头结构类型众多，样式各异，如贝尔操作形式、希拉操作形式、无副翼操作形式、新型无轴承旋翼头等等类型。其中，最常见、应用最多的旋翼头有两种：贝尔-希拉式旋翼头和近两年逐步流行的无副翼旋翼头。下面针对这两种旋翼头作一简单介绍。2.2.3直升机旋翼头的结构类型
1.贝尔-希拉式旋翼头。贝尔-希拉式操作方式是目前航模及微小型无人机最常见的旋翼头操作形式之一，它分为上副翼和下副翼两种类型，如图2-5所示。2.2.3直升机旋翼头的结构类型
2.2.3直升机旋翼头的结构类型
直升机的副翼即贝尔-希拉小翼，又称伺服小翼。在直升机旋翼系统中具有非常重要的意义。1)起到非常重要的陀螺稳定效应。当主旋翼受到微小扰动时，贝尔希拉小翼具有明显的抗扰动能力，使飞机保持一定的稳定状态。2.2.3直升机旋翼头的结构类型
2)为主旋盘提供操作力。当打舵操作旋盘时，伺服小翼会首先改变原来的运动状态，从而带动主旋盘的倾转，这样就有效避免了主旋盘强大的交变载荷直接作用到伺服器上。2.2.3直升机旋翼头的结构类型
对于上下副翼的不同形式，上副翼形式的旋翼头由于伺服小翼处于主旋盘的上方，不受主旋盘下洗流的影响，因此具有非常优越的静态稳定性，直升机悬停时表现尤为明显；因此，大部分大型无人直升机或用于F3C比赛的中小型航模多采用这种布局。2.2.3直升机旋翼头的结构类型
下副翼形式的旋翼头布局多出现于要求飞行操作灵敏、动态稳定性(航行稳定性)较好的运动型直升机上，如作3D飞行表演的航模(见图2-6)。由于何服小翼在主旋盘下方，旋翼头的三角补偿系数较高，因而操作较为灵敏,所谓动如脱免。2.2.3直升机旋翼头的结构类型
2.无副翼结构。贝尔-希拉式操作结构虽然解决了遥控直升机操控稳定性的问题，但是其复杂的机械结构却隐藏着极大的机械故障风险，遥控直升机机械故障中，带副翼系统的旋翼头占了绝大部分。一方面其复杂的结构，多采用塑料尼龙材料的球头连杆，极容易出现疲劳磨损现象，另一方面复杂的机构难于维护检査，更加深了其出现问题的风险。2.2.3直升机旋翼头的结构类型
随着科学技术的发展，各国逐渐出现了仿载人机结构类型的无副翼结构旋翼头(见图2-7)。无副翼旋翼头由于没有伺服小翼的增稳作用，在遥控控制状态较难实现精准的操控。高灵敏度微小型三轴陀螺仪的出现解决了无副翼系统静态不稳定结构的控制问题。2.2.3直升机旋翼头的结构类型
一方面，无副翼系统采用自动控制增稳功能的陀螺仪系统，在直升机受到微小扰动时能自动修正飞行姿态；另一方面，由于取缔了伺服小翼，不但使得主旋盘效率大大提升而且规避了主要的机械可靠性问题。2.2.3直升机旋翼头的结构类型
同时，由于技术的革新，能够承受更大载荷、寿命更长的高性能伺服器的出现解决了无副翼系统中伺服器需承受的巨大交变载荷的问题。2.2.3直升机旋翼头的结构类型
3.十字盘的结构类型直升机自动倾斜盘简称倾斜盘，俗称十字盘，如图2-8所示。十字盘是用于传递操作指令实现总距操纵和周期变距操纵的机械机构。自动倾斜器发明于1911年，由于其出现使直升机的复杂操纵得以实现，现已在所有直升机上应用。其构造形式虽有多种，但工作原理基本相同。一般由与操纵线系相连的不旋转件和与桨叶变距拉杆相连的旋转件组成。不旋转件通过轴承与旋转件相连。由操纵线系输入的操纵量，经过不旋转件转换成旋转件的上下移动和倾斜运动，再由旋转件通过与桨叶变距摇臂相连的桨叶变距拉杆去改变桨叶桨距，使旋翼拉力的大小和方向改变，从而实现直升机的飞行操纵。倾斜盘旋转件的转动由与旋翼桨毂相连的扭力臂带动。倾斜盘在结构上要保证纵向、横向和总距操纵的独立性。总距操纵：总距即直升机旋翼的相对水平面的攻角(迎角)。当需要控制直升机上升或者下降时，操作总距杆上移，此时十字盘总体上移，通过十字盘转动部分连杆的传递作用使桨叶的攻角加大，从而控制飞行器的上(直升机的旋翼通常是以相对固定的转速工作的，它通过改变旋翼的攻角来改变飞行状态)，反之则下降。周期距操纵：又称为循环螺距，是指在直升机旋翼作滚转或俯仰操作时，旋翼每旋转一周，旋翼总距的最大变化量。当操纵控制飞机前、后、左、右运动的操作杆时，通过一定的机械结构传动，最终使十字盘相应地前、后、左、右倾斜，达到控制直升机旋盘相应地前、后、左、右倾斜，从而实现控制飞行器的前后左右运动。国内主要无人机性能如表2-1所示。2.3多旋翼无人机结构2.3多旋翼无人机结构多旋翼无人机出现在21世纪初，依靠对若干旋翼的速度调整实现无人机的悬停、前进运动。引擎和直接安装的螺旋桨是唯一可以活动的部件。使用这种无人机需要对旋翼旋转进行精准的同步调制，只有电动机才能完成这一任务。目前多旋翼无人机主要有四旋翼无人机、六旋翼无人机、八旋翼无人机等。多旋翼无人机组成一般包括机架起落架、电机和电调、电池、螺旋桨、飞控系统、遥控装置、GPS模块、任务设备和数据链路。机架是大多数设备的安装位置，也是多旋翼无人机的主体，也称为机身。电机、电调和飞控板（飞行控制器）等设备都要安装在机架上面。根据机臂个数不同分为三旋翼、四旋翼、六旋翼、八旋翼、十六旋翼、十八旋翼，也有四轴八旋翼等，结构不同叫法也不同。1.机架
机架按材质一般可以分为以下几种类型：(1)塑胶机架。主要特点是具有一定的刚度、强度和可弯曲度，价格比较低廉。(2)玻璃纤维机架。主要特点是强度比较高，而且需要的材料很少，可以减轻整体机架的重量。(3)碳纤维机架。其特点是价格要高一些，但重量要轻一些。出于结构强度和重量考虑，一般采用碳纤维材质。机架如图2-10所示。1.机架
机架的主要作用如下：(1)提供安装接口。这些接口包括安装和固定电机、电调、飞控板的螺丝孔。(2)提供整体的稳定和坚固的平台。飞行器飞行过程中需要一个稳定坚固的平台，这样可以使得电机转动过程中不会毁坏其他设备，并为传感器提供一个稳定的平台。1.机架
机架的主要作用如下：(3)起落架等缓冲设备。这些可以为飞行器提供安全的起飞和降落条件，避免损坏其他仪器。(4)保证足够低的重量。这样就可以给其他设备提供更多的余量。(5)提供相应的保护装置。保护装置用于保护飞行器本身和可能接触到的操作人员。1.机架
多旋翼无人机唯一和地面接触的部位。作为整个机身在起飞和降落时候的缓冲，也是为了保护机载设备，要求强度高，结构牢固，和机身保持相当可靠的连接，能够承受一定的冲力。一般在起落架前后安装或者涂装上不同的颜色，用来在远距离多旋翼无人机飞行时能够区分多旋翼无人机的前后。2.起落架
电机是多旋翼无人机的动力机构，提供升力、推力等。电机的转速快慢决定了飞行器可以承载的重量，同时，其转速改变的快慢可以影响飞行姿态的变换。无刷电机去除了电刷，最直接的变化就是没有了有刷电机运转时产生的电火花，这样就极大减少了电火花对遥控无线电设备的干扰。无刷电机没有了电刷，运转时摩擦力大大减小，运行顺畅，噪声会低许多，这个优点对于模型运行稳定性是一个巨大的支持。无刷电机如图2-11所示。3.电机
3.电机
电机四个数字的含义：2212电机、2018电机等等，这表示电机的尺寸。其中前面2位是电机转子的直径，后面2位是电机转子的高度。注意，不是外壳。简单来说，前面2位越大，电机越肥，后面2位越大，电机越高。又高又大的电机，功率就更大，适合做大四轴。通常2212电机是最常见的配置了。3.电机
无刷电机KV值定义：转速/V，意思为输入电压增加1V，无刷电机空转转速增加的转速值。例如：1000kV电机，増加1V电压，电机空转时每分钟转1000转，增加2V电压，电机空转就2000转了。3.电机
单从kV值，不可以评价电机的好坏，因为不同kV值有不同的适用不同尺寸的桨。绕线匝数多的，kV值低，最高输出电流小，但扭力大，上大尺寸的桨；绕线匝数少的，kV值高，最高输出电流大，但扭力小，上小尺寸的桨。3.电机
电子调速器，将飞控的控制信号，转变为电流信号，用于控制电机转速。因为电机的电流是很大的，通常每个电机正常工作时，平均有3A左右的电流，如果没有电调的存在，飞控根本无法承受这样大的电流，而且飞控也没有驱动无刷电机的功能。同时电调在多旋翼无人机中也充当了电压变化器的作用，将11.1V电压变为5V电压给飞控供电。电子调速器如图2-12所示。4.电调
4.电调
电池是电动多旋翼无人机的供电装置，给电机和机载电子设备供电。最小是1S电池，常用的是3S，4S，6S。1S代表3.7V电压。图2-13所示是锂电池。5.电池
5.电池
螺旋桨如图2-14所示，安装在电机上，多旋翼无人机安装的都是不可变总距的螺旋桨，主要指标有螺距和尺寸。桨的指标是4位数字，前面2位代表桨的直径(单位：英寸，1in=25.4mm)，后面2位是桨的螺距。6.螺旋桨
3.2.1多旋翼无人机结构6.螺旋桨
正反桨：四轴飞行为了抵消螺旋桨的自旋，相邻的桨旋转是不一样的，所以需要正反桨。正反桨的风都向下吹。适合顺时针旋转的叫正桨、适合逆时针旋转的是反桨。安装的时候，一定记得无论正反桨、有字的一面是向上的（桨叶圆润的一面要和电机旋转方向一致）。6.螺旋桨
电机与螺旋桨的搭配：这是非常复杂的问题，建议采用大家常见的配置。螺旋桨越大，升力就越大，但对应需要更大的力量来驱动；螺旋桨转速越高，升力越大；电机的kV越小，转动力量就越大。6.螺旋桨
大螺旋桨就需要用低kV电机，小螺旋桨就需要高kV电机（因为需要用转速来弥补升力不足）。如果高kV带大桨，力量不够，那么就很困难，实际还是低速运转，电机和电调很容易烧掉。如果低kV带小桨，完全没有问题，但升力不够，可能造成无法起飞。例如常用1000kV电机，配10英寸左右的桨。6.螺旋桨
飞控系统是多旋翼无人机的核心设备，飞控系统的好坏从本质上决定了无人机的飞行性能。它包括陀螺仪、加速度计、电路控制板、各外设接口。飞控系统如图2-15所示。7.飞控系统
7.飞控系统
(1)陀螺仪。理论上陀螺只测试旋转角速度，但实际上所有的陀螺都对加速度敏感，而重力加速度在我们地球上又是无处不在，并且实际应用中，很难保证陀螺不受冲击和振动产生的加速度的影响，所以在实际应用中陀螺对加速度的敏感程度就非常的重要，因为振动敏感度是最大的误差源。两轴陀螺仪能起到增稳作用，三轴陀螺仪能够自稳。7.飞控系统
(2)加速度计。一般为三轴加速度计，测量三轴加速度和重力。7.飞控系统
多旋翼无人机飞控系统完成的主要功能有：(1)处理来自遥控器或自动控制的信号，这时飞控需要识别遥控器或自动控制的信号，完成要求的飞行姿态或其他指令。(2)控制电调，此时飞控系统要做的就是给电调发送信号调节电机的转速，实现控制改变飞行姿态的功能。(3)可以通过一些机载的测量元件，在没有任何控制的情况下，通过控制电调的输出信号保持多旋翼无人机的稳定。7.飞控系统
遥控设置包括遥控器和接收机，接收机装在机上。一般按照通道数将遥控器分成六通道、八通道、十四通道遥控器等，对于通道的概念在后边章节会有详细介绍。8.遥控装置
目前最多的就是云台，常用的有两轴云台和三轴云台；云台作为相机或摄像机的增稳设备，提供两个方向或三个方向的稳定控制。云台可以和控制电机集成在一个遥控器中，也可以单独的遥控器控制。10.任务设备
数据链路包括数传和图传。数传就是数字传输，数传终端和地面控制站（笔记本或手机等数据终端），接受来自飞控系统的数据信息。图传就是图像传输，接受机载相机或摄像机拍摄的图像，一般延迟在几十毫秒，目前也有高清数字图传，传输速率和清晰度都有很大提高。11.数据链路
2.4非常规布局无人机飞翼式飞机是一种没有尾翼和机身，只有巨大机翼的飞机。飞翼式飞机由无尾飞机发展而来，当巨型无尾飞机的机翼大到足以容纳人员和货物时，机身和机翼融为一体，成为飞翼式飞机。飞翼式飞机具有结构重量轻和飞行阻力小的特点，而且隐身性好，如美国的B-2轰炸机。2.4.1
飞翼式飞机美国诺斯罗普公司在第二次世界大战期间研发的飞翼型轰炸机。当时计划作为美国陆军航空队（后更名为美国空军）波音B-29的后继机使用。飞翼机的主要特征是无尾翼，主翼加上机身构成了整个机体（飞翼机）。美国和德国几乎同时开始研究飞翼机。德国研发并生产了霍顿H0229（试验机制作阶段第二次世界大战结束）。2.4.1
飞翼式飞机飞翼机的创意是由诺斯罗普公司创始人杰克·诺斯罗普提出的，这一创意得到了美国陆军航空队的支持。他们想开发出“10×10”的轰炸机并运用到欧洲战线上。1942年末开始研究开发大型飞翼机，但因为技术上还有很多不成熟之处，故试验机XB-35一直到1946年才得以完成。2.4.1
飞翼式飞机然而因为发动机配置的原因。排气系统设计起来比较复杂，由此引发的结构、材料等问题，导致包括试验机XB-35在内的总共15部飞机完成后。计划不得不中止。（之后又制作了一部搭载了喷气发动机的YB-49）。2.4.1
飞翼式飞机这样一来，飞翼机似乎成了一种幻想。由于飞机操纵困难、机体振动严重等原因最终放弃。进入70年代以后，随着主动控制技术的日趋成熟，之后飞机相关技术进行了后续改进。飞翼式飞机在操纵上所存在的问题得到了比较好的解决，终于在1989年完成了可实际使用的飞翼机，美国研制成功了处于世界领先水平的采用飞翼式布局的战略轰炸机B-2，如图2-18所示。2.4.1
飞翼式飞机2.4.1
飞翼式飞机采用飞翼式布局的飞机。飞翼式飞机没有机尾，机身与机翼融为一体，飞行时的升力大，阻力小，升阻比高。此外，飞翼式飞泛所承受的
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