固定翼無人機技術固定翼無人機技術教師年級授課時間教學內容第十七章固定翼無人機的飛行授課類型現場講授學情分析教材分析教學目標知識與技能掌握固定翼無人機的起降操縱掌握固定翼無人機的手動飛行操控掌握固定翼無人機的自主航路飛行過程與方法1、講授法2、討論法3、直觀演示法4、讀書指導法5、任務驅動法6、現場教學法7、自主學習法教學重點難點教學重點固定翼無人機的起降操縱（起飛降落，起飛前準備，起飛操作，降落操作，降落后檢查）固定翼無人機的手動飛行操控（直線飛行，平飛/爬升/下降狀態變換，轉彎動作，水平圓周飛行，四邊航線，五邊航線，水平8字）固定翼無人機的自主航路飛行（起飛速度設定，起飛爬升段航路設定，巡航段航路設定，著陸段航路設定）教學難點固定翼無人機的起降操縱（起飛降落，起飛前準備，起飛操作，降落操作，降落后檢查）固定翼無人機的手動飛行操控（直線飛行，平飛/爬升/下降狀態變換，轉彎動作，水平圓周飛行，四邊航線，五邊航線，水平8字）知識框架圖教學過程主備從備（教師姓名）[課堂引入]引入：這一部分首先讓大家對固定翼無人機的飛行有個整體了解，起降操縱，手動飛行操控，自主航路飛行等等。[教學內容]固定翼無人機的飛行思考：簡述無人機手動操縱應注意的問題。簡述無人機自動飛行航路規劃應注意的問題。17.1固定翼無人機的起降操縱17.1.1固定翼無人機的起飛和降落固定翼無人機的起飛和降落是事故最多發的兩個階段，飛行事故絕大部分都是發生在該階段。起落階段面臨的干擾因素多、低空氣流混亂、飛行速度處于失速的邊緣、舵面操縱效率低等因素。這些因素決定了起飛和著陸階段的事故多發。為了飛行安全，固定翼無人機在起飛開始前和著陸后要進行充分的檢查。17.1.2起飛前準備起飛前要進行充分的準備工作，來保證飛行的安全。這些準備工作主要包括：檢查機體是否有損壞，機體是否對稱，有無變形；確定電池電量是否充足，燃油是否滿足飛行要求；對于小型無人機，盡可能在全狀態下確定重心位置是否合適；檢查機載設備是否正常、傳感器測量是否正確；檢查舵面響應的極性是否正確；檢查無人機的操縱特性，舵面的響應特性；檢查油門控制通道的響應特性，檢查螺旋槳的安裝是否正確、有無破損？動力系統最大推力是否正常？怠速情況是否正常？(如果可能，檢查油門通道安全開關是否有效)滑跑測試，可能的話，多滑跑幾次。17.1.3起飛操作前三點機型相較與后三點機型由于使用了前輪轉向所以在地面轉彎時可以更加精準靈活，在起飛階段需要穩住方向舵，穩步加大油門使飛機的速度穩定增加，若飛機機頭有偏向的趨勢，用方向舵輕輕向相反的地方修復，讓飛機在跑道上水平均勻的增加速度，在速度達到起飛速度之后，輕拉升降舵，使飛機優美的抬起前輪，隨后整個機身離地升空，這便完成了一次起飛（如圖17-1）。17.1.4降落操作在降落階段時，在五邊航線的最后一邊，先調整飛機機頭對準跑道，保持速度進行降落，再降低高度到視線高度也就是兩米左右使，逐漸拉桿減小飛機的下降率，同時收小油門，此時注意油門與拉桿的配合，若速度太低而去拉桿，會使飛機失速，但是拉桿量過小會使飛機重著陸。如果減小下降率后飛機過快，那就需要先判斷飛機會不會沖出跑道，如果會就馬上復飛，進入一邊爬升；如果不會，那就減小油門，根據飛機姿態調整拉桿量。在飛機即將接地時，收死油門讓飛機后輪輕輕接地，此時推桿讓飛機前輪接地，進入最后的滑跑，滑跑期間注意飛機的機頭指向，及時用方向舵修正，直到飛機穩定的停在跑道上（如圖17-2）。17.1.5降落后的檢查無人機著陸后應當檢查的事項包括：（1）配平狀態下的舵面所處的位置，以方便下次飛行配平和對機體對稱性進行調整；（2）機體狀態檢查，是否出現損傷；（3）電量和油量的檢查，積累數據以判斷無人機和動力系統的狀態；17.2手動飛行操控17.2.1直線飛行無人機直線飛行是無人機操作的一個最基本動作。該動作雖然是最基本的動作，但是也不是一件非常簡單的事情。無人機理想的直線飛行是無人機在靜穩定配平狀態下，沒有飛手參與操縱，自動駕駛儀不必參與增穩調節，無人機即可實現直線飛行。這種情況不但阻力最小，而且能適應速度的變化。若無人機現在繞機身進行滾轉，則用副翼舵面進行調整該方向上的誤差；若繞著機翼滾轉，則需要調整升降舵；若產生了偏航，則用方向舵進行調整。在實際的飛行過程中，這三個方向的姿態誤差大部分時間內都是同時發生的，單獨發生的情況很少，所以需要飛手在搖桿上進行組合操作。具體的操作要結合當時無人機具體的飛行姿態來確定。舉個例子，如無人機在飛行過程中突遇從機尾左側吹來的風，這時無人機的姿態將會低頭以及向右翻轉，很有可能還伴隨著向左的偏航。所以這時我們先穩住機頭不讓無人機再下降高度，需要拉升降舵，隨后再向左打副翼，讓無人機不再翻轉，保證在原有航線上，最后修正對飛行影響較為微弱的方向舵，讓無人機在原有的航線上繼續飛行。熟練過后這些動作基本可以在發生擾動的一瞬間完成。17.2.2平飛、爬升、下降飛行狀態的變換該點其實與無人機的直線飛行原理差不多。重要的是要在保證無人機直線飛行狀態的基礎上，添加爬升以及下降即可。無人機的平飛狀態其實就是無人機在空中受力平衡：無人機在空中的重力與升力平衡，發動機推力與阻力平衡，所以無人機便可以維持平衡狀態。由升力公式我們可以知道，在外部環境以及無人機形態確定的情況下，無人機的升力只與無人機的飛行速度有關，而無人機的飛行速度與無人機的油門大小有關，所以若無人機狀態良好，平飛時飛手只需要穩住無人機的油門大小在一個合適的量使無人機的升力等于重力即可。而無人機的爬升/下降就是相對與無人機平飛的兩個狀態了，所以理想狀態下，我們只需要增大無人機的油門即可讓無人機爬升，降低無人機油門即可讓無人機下降。但是在實際的操控中，無人機的上升/下降還需要搭配無人機的升降舵來進行，使無人機的爬升/下降更為靈敏。所以在爬升時我們需要增加無人機油門并拉升降舵使升降舵抬起，在下降狀態時飛手需要減小無人機油門并推升降舵使升降舵下偏。這就是無人機平飛、爬升、下降三個狀態之間的相互切換。17.2.3轉彎動作在了解轉彎動作之前，我們先了解無人機在轉彎時在空中的受力情況。如第8章圖8-1所示。無人機在轉彎時需要沿機身方向傾斜機身，向哪邊轉彎就需要像哪邊傾斜。所以這時無人機的升力與平飛狀態下有所不同，無人機在平飛時所有的升力均可與重力抵消，使無人機在一個平衡狀態，但是在轉彎時無人機的升力與重力方向會產生夾角，即并不是所有的升力都與重力相抵消。若無人機還以之前的油門大小飛行，產生的升力不足以抵消重力，則帶來的明顯變化就是無人機會下降。所以，在無人機轉彎時，我們在使用副翼讓無人機傾斜后，需要增大油門以及拉升降舵，使無人機依舊處在同一飛行高度上。要注意的是，油門增加的大小與升降舵拉的多少要結合無人機的傾斜姿態的多少以及當時的具體環境決定，需要多加練習感知。17.2.4水平圓周飛行在理解無人機拐彎的原理后，無人機的水平圓周飛行是很簡單的，我們在學會無人機轉彎的情況下，只需要維持住無人機轉彎的狀態即可，讓無人機最后的軌跡與開始轉彎的點相重合，這樣就完成了一次圓周飛行。在飛行時與直線飛行相同，需要時時刻刻調整無人機的姿態使軌跡重合，若感覺到轉彎半徑變小，則需要減少副翼的坡度，減少轉彎的半徑。若感覺到轉彎半徑變大，則需要適度增加副翼坡度，且根據實際情況調整油門大小以及升降舵大小，使無人機高度以及轉彎半徑維持在初始高度以及初始的軌跡。17.2.5四邊航線四邊航線其實就是矩形航線，顧名思義就是無人機在天空中飛行的軌跡為矩形也就是一個長方形或正方形，這就需要我們把直線飛行與轉彎動作結合起來完成矩形也就是四邊航線的飛行。在開始四邊飛行之前，我們先要將無人機飛到與視線相垂直的航線上，開始第一邊的直線飛行，在完成第一邊的直線飛行之后，無人機飛行到合適的位置我們需要無人機轉彎，所以這時壓無人機坡度使無人機開始轉彎并補好油門以及升降舵使無人機高度不改變，在轉過90度之后，迅速回正坡度使無人機回到平飛狀態，繼續第二邊的直線飛行。之后的第三邊與第四邊同理。要注意的是，在拐彎完成的時候需要果斷將無人機姿態復原到直線飛行的狀態，不可太早也不可太晚，太早無人機轉彎沒有到位，太晚無人機轉彎多大，都會影響無人機最后飛行的軌跡。在練習時需要多加感知轉彎的角度大小，最后才能良好的把握轉彎的大小是否為90度。17.2.6五邊航線五邊起落航線是無人機操縱很重要的基本功之一。如果五邊航線飛不好，那么會很難將無人機降落在狹窄的跑道上，無法實現很精準降落；而對于一些剛剛開始學習飛行的飛手來說，甚至無法將無人機降落到跑道上。普通的五邊航線投影為矩形，分為一邊（起飛爬升）、二邊（側風平飛）、三邊（順風）、四邊（側風下降）、五邊（下降著陸），共有四次轉彎，每個轉彎航向偏轉約90度（靜風下），投影為一個閉合的矩形，稱為五邊航線（見圖17-3）。所以與之前的四邊航線就是添加了起飛和降落兩個階段。整個的五邊飛行包含了所有的基本飛行操作，滑跑，起飛，爬升，轉彎，側風\順風\頂風航線，下降，著陸等，這些動作的完成質量會很大程度的影響基礎航線的精準度。對于基本飛行來說，五邊航線飛不好，動作航線就會飛不好，降落也會落不好，還會有較大的飛行安全隱患。因為五邊航線對于無人機操縱的最大作用是提高著陸質量和著陸精度。通過精準的五邊航線，可以使無人機非常精準的按照你的想法進行著陸。有時在一般的飛行中，無人機出現緊急狀況比如空中熄火等，需要馬上做出正確的判斷并控制無人機進入緊急著陸航線，這樣才能極大程度的避免損失。所以說五邊航線的功力是非常影響飛行安全的。所以在飛五邊航線之前，直線飛行以及其他的航模基本飛行技巧要掌握的較為熟練。第一邊也就是起飛階段，在達到一定速度后柔和拉桿使無人機離地；離地后進行一段穩定的小角度爬升，此階段如果無人機出現問題并且跑道夠長的話，那么就可以進行緊急著陸了；當無人機加速至正常爬升速度后再逐漸增大爬升角度，并且保持直線飛行，這樣的起飛也會是非常優雅而漂亮的。這樣的飛行方法適合基本上所有的機型，新手切不可在無人機速度沒有加起來的時候猛然拉桿，無人機速度不夠拉桿可能會造成無人機拖尾嚴重的可能在起飛之后失速墜地。達到正常航線高度后將無人機改平，改平動作沒有太大的難度，一般是輕微推桿，改平后根據速度進行油門的調整。隨后進行一轉彎，大約90度進入側風的第二邊飛行。這時與四邊飛行第二邊無異，保證轉彎的角度以及維持飛行高度即可，要根據當時的風速以及當地情況適當的調整轉彎時的動作。第三邊與第二邊基本相同，只需要調整好油門大小保證無人機直線飛行即可。在第三邊末尾時，我們就要開始著手無人機的減速以及下降了。這就是第四邊。之前我們也講了無人機下降的原理，所以只需要與轉彎動作結合即可，在轉彎時，壓無人機坡度之后，正常的作法是拉升降舵補油門使無人機轉彎，但是現在我們需要無人機下降高度，所以這時我們就直接降低油門使無人機正常的滑行降低高度，這時也要注意飛行的高度與速度，高度過高無人機可能在降落時滑出跑道，高度過低可能會使無人機最后不能抵達跑道，這時就需要多加飛行，感受無人機的高度與速度。第四邊之后，無人機要進入到最后的降落階段了。在第四邊轉第五邊的轉彎過程中，要注意轉彎時機，若轉彎過早，無人機會對不準跑道，這時為了調整無人機航向，可能會使無人機機頭沖著飛手，這樣是很不安全的。若轉彎時機過晚，無人機可能會飛到身后，這樣會更加危險，增加飛行事故的發生率。這時有個小技巧：在無人機轉入四邊飛行時，眼睛的余光是可以看到自己肩膀的，這時用余光判斷無人機飛到自己肩膀平齊的位置時進行90度急轉彎，改平后無人機會處在離自己很近的跑道延長線的正上方，之后再進行輕微的修正即可輕松對正狹窄的跑道。用這個方法時，四邊飛行要保持比較大的速度，因為這個急轉彎會非常消耗無人機勢能。多練習這個方法，慢慢就可以很容易的找到正常坡度四轉彎的時機了。接下來就是五邊航線的最后一邊了。第五邊的前段與第四邊基本相同，保持速度進行下降飛行。不過要注意的是，無人機與跑道入口的距離，以目前的下降率和速度，無人機能否進入跑道，這時要根據經驗進行調整了。即將著陸并下降至大約視線高度時，逐漸拉桿減小無人機下降率，同時降低油門以減小無人機速度，此時要注意油門及拉桿的配合。拉桿過大會使無人機爬升后失速，拉桿過小可能會導致重著陸；如果減小下降率后無人機即將失速，此時需略微加大油門并減小拉桿，但不要使無人機爬升；如果減小下降率后無人機過快，那就需要先判斷無人機會不會沖出跑道，如果會就馬上復飛，進入一邊爬升；如果不會，那就減小油門，根據無人機姿態調整拉桿量。著陸動作可以說是整個五邊飛行中最難的一點了，落的不好，輕則出現著陸跳躍，嚴重時會損傷起落架甚至機體結構。17.2.7水平8字水平8字其實是我們之前講過的圓周飛行的升級版。我們先來看看水平八字飛行的俯視示意圖17-4所示。可以很直觀的看到，其實就是兩個相切的圓周飛行。在兩圓的切點轉換無人機飛行的方向，也就是向相反的方向壓無人機坡度，完成剩下的圓周飛行。關鍵的點其實就是在兩圓切點時的狀態轉換，在切點時要迅速使無人機的橫滾角度變化到之前相反的狀態，進行下一個圓周轉彎的飛行。在飛行中也全部遵循圓周轉彎時的要領，多加練習才能更加精準的在切點擺好無人機的姿態與角度，讓下一段的飛行更加的順暢。17.3自主航路飛行對于一架狀態良好的無人機，其自動航路飛行主要的工作是航路規劃。無人機飛行航路規劃需要從以下角度進行考慮：無人機的性能和任務需要。17.3.1起飛速度的設定就無人機自主飛行規劃而言，首先要注意的性能指標為飛行速度。就飛行速度而言，失速速度和抬前輪速度需要特別注意。失速速度是指無人機能夠保持正常、平穩飛行，而不至于失速的最小飛行速度。如果飛行速度低于該速度，無人機將進入失速這種危險的飛行狀態。抬前輪速度是在無人機在起飛滑跑過程中抬起前輪時具有的速度。這兩個速度在很大程度上決定了無人機的起飛速度和起飛性能。如果無人機的起飛速度設定的太大，則需要較長的滑跑距離，增加了對跑道長度的要求，同時也增加了出事故的可能。但是，如果起飛速度設定的太小，則會引起不能拉起或者拉起后出現失速等問題。因此，在選擇無人機起飛速度時一定要結合無人機具體的性能進行設定。一般而言，將無人機的起飛速度設定為失速速度的1.15~1.2倍是合適的。17.3.2起飛爬升段航路的設定一般而言，無人機航路的第一個點是起飛滑跑的原點，有時也把該點稱為“home點”。第二個航點可以是沿著跑道尚未達到抬前輪位置的點，也可以是沿著跑道方向已經超過抬前輪位置，具有一定高度的點。第三個點則是具有一定高度的航點。航點無人機怎樣規劃，在抬起前輪離地之后，無人機都將進入爬升階段。從離地到爬升到額定巡航高度這段距離，稱為爬升階段。在爬升段航路設定時，要特別注意無人機的爬升能力。對于無人機來說，是具有最大爬升角度限制的。如果爬升角度過大，則可能引起迎角過大，進而造成尾懸等危險事故。在設定航點時，兩點之間的上升坡度要合理。上升坡度太大，無人機不能實現安全爬升；上升坡度太小，無人機爬升時間過長。另外，在設置爬升航點時，要重點考慮機場周圍的空域情況，特別是高大的建筑、山體等等，要確保無人機可以安全跨越。因此，爬升段航點的設置，要根據無人機的具體能力，以及巷道周圍的凈空情況而定。17.3.3巡航段航路設定巡航段航路設定需要從無人機的性能和任務需求綜合進行考慮。就無人機而言，主要的轉彎方式是傾斜轉彎。傾斜轉彎方式決定了無人機不能以直角方式完成轉彎動作。因此，就最簡單的航路規劃而言，四邊形航路、圓形航路、橢圓形航路、紡錘形航路等最終的表現形式都是四邊形的四個頂點。典型航路規劃如圖17-7所示。由于采用傾斜轉彎方式，則無人機的轉彎半徑的大小和無人機轉彎時的傾斜角度直接相關：無人機傾斜角度越大，轉彎半徑越小；傾斜角度越小，轉彎半徑越大。不過，增大轉彎時的傾斜角度，雖然可以減小轉彎半徑，但也增加了無人機傾覆、掉高等危險。因此，在規劃轉彎航路時，兩點間轉彎直徑距離不能太