人力飞行器是如何飞行的

人力飞行器是如何飞行的

人力飞行器的升力和阻力是如何产生的？

人力飞行器的升力和阻力的产生原理和其他所有的低速飞机是一样的，鉴于《航空知识》读者大都比较熟悉，故本部分不再赘述。

人力飞行器的动力是什么？

如同自行车下山坡一样，动力的来源就是重力在飞行轨迹上的分力。轨迹越陡，分力越大，下滑速度越快；轨迹越缓，下滑速度越慢。

图1人力飞行器动力的来源就是重力在飞行轨迹上的分力

风对飞行有怎样的影响？

人力飞行器对地面的运动，实质上是人力飞行器对空气团（空速）和空气团对地面（风速）两种运动合成的结果。人力飞行器相对地面运动的路线叫做航迹线，简称航迹。航迹的运动方向叫做航迹角。人力飞行器在航迹线上运动的速度

叫做地速，即人力飞行器实际对地表运动的速度。

顺风飞行时，地速 = 空速＋风速

逆风飞行时，地速 = 空速－风速

图2 顶风和顺风时的不同地速

分析侧风对飞行的影响需要运用向量和向量合成概念来分析人力飞行器对地面运动和人力飞行器对空气团运动之间的关系。向量是指既具有大小又具有方向的物理量。

人力飞行器对空气团的运动，可以用航向为方向、空速为大小的向量来表示。这一向量，叫空速向量（简称空速）；空气团对地面的运动，可以用风向为方向、风速为大小的向量来表示，这一向量，叫风速向量（简称风速）；人力飞行器对地面的运动，可以用航迹角为方向、地速为大小的向量来表示，这一向量，叫做地速向量（简称地速）。由于人力飞行器对地面的运动是人力飞行器对空气团和空气对地面两种运动合成的结果，因而地速向量也就是空速向量和风速向量的合成向量。这个由空速向量、地速向量和风速向量构成的三角形，叫做飞行速度三角形。

图3 飞行速度三角形

有风情况下，空速（V）、风速（U）、地速（W）和风角的关系如下：

顺风：风角= 0°，W=V+U

侧风：顺侧风风角＜90°，W＞V

正侧风风角= 90°，W≈V

逆侧风风角＞90°，W＜V

逆风：风角=180°，W=V－U

图4 顺侧风和逆侧风的飞行速度三角形

在看书的时候大家都很容易理解这三个速度之间的关系，但是在近地飞行的时候很多新手容易迷糊。顺风飞行的时候看到地景迅速后移，错误的感觉飞行速度（空速）很快，不自觉的推杆降低速度，导致失速；另外一种常见的情况就是在山前动力气流当中做360度盘旋上升的迎风转弯时感觉速度很小，留给自己的

空间不足，转向顺风的时候地速增加，还没完成转弯就撞到山上。

在后面的说明中，如果没有特指，所有的速度都是指空速。

与飞行有关的几个重要概念：

人力飞行器可以在从失速到垂直俯冲间各种速度下飞行，速度决定于迎角大小。同其他任何飞行器一样，人力飞行器有自己的“飞行速度包线”，即从失速速度到由设计师所设计的安全的最大飞行速度。

图5 飞行的几个关键速度

在刚开始飞行的时候，教练会让你在速度包线的中间飞行，在有了一些经验之后，开始练习较慢和较快的飞行。为了更好更安全的飞行，我们有必要了解飞行的几个关键速度概念和有关的几个概念。

迎角：迎角就是机翼同来流方向的夹角（注意是来流方向，不是地面的夹角，很多朋友会误解）；人力飞行器的速度是通过迎角来控制的，如果飞行员推杆（抬起机头）会增加迎角，速度减小；如果飞行员拉杆（低头）会减小迎角，速度增加。

图6 飞行中的不同迎角

失速：需要注意的是你不可能无限制的将速度减小，当迎角增加到很大（有多大？您可能会问，稍后回答这个问题），翼面同来流形成一个很尖锐的角度，空气不会在继续沿着翼面整齐地流动而分离形成漩涡，升力突然下降，阻力大大增加，就是所谓的失速。当人力飞行器失速之后，它会自动低头恢复速度，恢复正常的飞行状态（当然，这时候你不能死死的推着杆）。

图7 失速源自翼面上气流的分离

失速速度：对具体的一架人力飞行器和飞行员，当飞行员柔和地推杆，增大迎角，减小速度，当机翼发生失速的时候所对应的速度叫做失速速度，这一速度跟人力飞行器的设计和飞行员的体重有关。

在学习空气动力学的时候要记住的是：空气虽然看不见，但是空气是流体跟水，液体一样的流动，跟其他流体（如水）一样遵从同样的流动规则。如果你很难理解空气是如何流动的，你就想象一下如果是水在这个地方会如何流动。当你想象空气如何流过一个机翼的时候，你可以试着想象一下水是如何流过一个岩石的，水是如何在岩石的尖锐的地方分离形成漩涡的。

失速特性：使一架人力飞行器柔和的失速最重要的是设计的时候要考虑不能让整个翼面同时失速。如果你仔细的观察整个翼面，你会发现翼面沿着整个长度方向是扭转的, 这样设计的结果是翼尖的安装角要小于翼根，在飞行的时候翼尖的迎角要小于翼根，在失速的时候翼根先于翼尖失速，这样人力飞行器就可以自动低头。

这种特殊的气动设计通常叫做外洗（扭转机翼，使外段的安装角小于内段机翼）, 让人力飞行器可以柔和的失速。中段的机翼先于外段失速导致人力飞行器自动低头可以让受过训练的飞行员感受到人力飞行器正在失速，做出正确的反应，拉杆减小迎角，在整个机翼失速前恢复到正常的飞行。但是如果这个时候飞行员继续推杆增加迎角，那么整个机翼就会失速，然后机翼失去升力开始下坠，直到恢复空速然后恢复正常的速度。

有一些人力飞行器设计的失速特性特别柔和，除非是飞行员有意的，特别夸张地猛推杆才能失速（通常是训练机）。而有一些人力飞行器是很容易失速的，容错性差，而且失速特性不是很好（通常是高性能的竞赛机），这种人力飞行器是不适合初学者的。

作为一个初学者，你需要学习避免失速的发生，因为失速恢复是需要一定高度的，而刚开始飞行训练的时候基本都是低高度飞行。低空失速是极为危险的，所以你需要学习识别失速来临的征兆。开始的时候你的教练也会要求你使用稍快的速度飞行避免无意的失速。

飞行提示

人力飞行器将要失速的时候会给飞行员如下提示:

人力飞行器感觉反应变得迟钝，尤其是你想转弯的时候。

操纵杆向后推你的手，企图自己低头。

风的声音突然减小了，吹在脸上的风比平时柔和了。

意识到了失速的危害，你应该了解失速早期的先兆，从而避免失速的发生。深刻理解失速的原理，学习感觉人力飞行器给你的失速告警非常重要。优秀的飞行员练就了非常敏锐的感觉，能对即将发生的失速做出迅速的反应，减小迎角避免失速的发生。如何感知失速的来临，很关键的一点就是你抓握操纵杆的方式：你必须放松地轻轻地接触操纵杆，这样你才能感觉到操纵杆给你的反馈，感觉到人力飞行器企图低头的压力。

配平速度：当一架人力飞行器气动外形和重心位置不变的时候（即飞行员松杆），由于人力飞行器的速度稳定性，人力飞行器会稳定在一个速度上稳定下滑，这个速度我们称为配平速度。配平速度可以在地面上通过调节飞行员在龙骨上悬挂点的前后位置来调节。挂点前移，配平速度增加；挂点后移，配平速度减小。当然这个前后位置是有一个范围的，市售的人力飞行器都会标出这个范围，超出这个范围人力飞行器就不能配平，不能保证稳定的飞行。

最小下沉率（速度）：最小下沉率（下沉率即人力飞行器每秒下降的高度）对应的速度略大于失速速度。这一速度主要是高级飞行员在安全的高度下，用于上升气流当中尽可能获得最大的爬升速度所用的。需要注意的是最小速度飞行的学习要在安全高度以上渐进。

最大滑翔比速度：这一速度是指人力飞行器在一个给定高度下滑最远的距离时候采用的速度，最大滑翔比基本等于最大升阻比（人力飞行器的升力和阻力的比值）。需要注意的是，通常说到滑翔比，最大滑翔比都是指对于空气（气团）而言，而实际飞行的时候更多的是关注对于地面而言（人力飞行器是否能在当前高度下能飞跃到一个目标点），这里称为对地滑翔比，在某个风速条件下最大（最佳）滑翔比采用的速度（空速）就不是人力飞行器的最大，顶风的时候对地最大滑翔比速度（空速）大于最大滑翔比速度（空速），顺风的时候反之。最简单的方式就是采用带有气压高度计的GPS在实际飞行中可以实时的测量实际的对地

滑翔比：市售的型号比如Garmin 76 Map S, 60CS或者使用能够跟GPS连接起来的高度表，或者飞行计算机，比如Airtec的系列飞行计算机。

图9 各种速度大致对应的范围单位：英里/小时

动能跃升：如果滑翔的速度大于在当前飞行的姿态下稳定下滑飞行的速度的时候，飞行员一推杆人力飞行器就会上升，称为动能跃升。有些飞行员以为这样做可以获得高度和增加飞行距离，其实这是完全错误的，并且是危险的。动能跃升只是将人力飞行器的动能转化成势能，随着人力飞行器的跃升，速度会逐渐减小，如果不及时推杆改出会出现失速。这个道理跟自行车冲上一个坡一样，没有外力，终究会停止上升并滑下来。

如何控制人力飞行器？

顾名思义，悬挂滑翔就是飞行员悬挂在人力飞行器的下方，如同钟摆一样可以自由的摆动。飞行员的双手搭在三脚架下面横着的操纵杆上柔和的推或拉，前后左右移动重心来控制人力飞行器的俯仰和滚转。

图10 人力飞行器在三个方向的运动

俯仰：绕横轴运动

控制人力飞行器的迎角：拉杆重心前移，迎角减小，速度增加；推杆重心后移，迎角增加，速度减小。

滚转：绕纵轴运动

形成滚转角，升力指向一侧使人力飞行器转弯。滚转控制很简单，将重心移动到一侧，人力飞行器便开始滚转。想向右侧转弯，重心向右侧移动，反之亦然。

说明：插图选自《悬挂滑翔初学者》和《悬挂滑翔训练手册》

作者：尹鸿俊，北京航空航天大学飞机设计系毕业，曾任北航小飞机协会会长

飞行器动力学与控制复习要点new

1. 卫星轨道六要素是哪些P2-7 ),,,,,(p t i e a ωΩ，其中a 半长轴，e 偏心率，i 轨道倾角，Ω升交点赤经，ω近地点幅 角，p t 卫星经过近地点时刻。 2. 卫星发射三要素是什么P17-18 ),,(L t A ?，其中?发射场L 的地心纬度，A 发射方位角，L t 发射时刻。 3. 什么是太阳同步轨道P23 选择轨道半长轴a 和倾角i 的组合使d /)(9856.0?=?Ω，则轨道进动方向和速率，与地球绕太阳周年转动的方向和速率相同（即经过365.24平太阳日，地球完成一次360°的周年运动），此特定设计的轨道称为太阳同步轨道。 4. 什么是临界轨道、冻结轨道P24-25 若远地点始终处在北极上空，即拱线不得转动，轨道倾角满足02sin 5.22 =-i ，即 ?=43.63i 或?=57.116i 。此值的倾角称为临界倾角，此类轨道称为临界轨道。若选择合 适的偏心率及合适的近地幅角，使0==e ω ，近地点幅角ω被保持，或称被冻结在90°。轨道的倾角和高度可以独立选择，此类轨道称作冻结轨道。 5. 回归轨道的回归系数是什么P26 轨道经过N 天回归一次，在回归周期内共转R 圈，每天的轨道圈数（非整数）Q 称为回归系数。R C Q I N N ==±，+表示轨迹东移，-表示轨迹西移。I 为接近一天的轨道圈数， 为正整数。 6. 静止轨道的特点、三要素是什么P28 （1） 轨道的周期与地球自旋周期一致 （2） 轨道的形状为圆形，偏心率0e = （3） 轨道处在地球赤道平面上，倾角0i = 7. 星座轨道的全球覆盖公式 相邻卫星星下点之间的角距为2b ，覆盖带宽度为2c ，

航空航天飞行器设计

武汉大学《航空航天技术概论》作业2 题目：新型神飞器的设计制做 学院：物理科学与技术学院 专业：物理学 姓名：胡万景 学号：2012335550114 2013年7月30日

本人在现代的航天器基础上利用最新的科研探索方向，从神飞器的名字、要完成的使命、如何设计、功能设计和设计控制、应用前景及任务等几个方面来构想一架现实为未来相结合的神飞器。 神飞器名字：永不落雪域神飞器 要完成的使命：探测宇宙星系、发展现代科学技术、解释科学谜团、携带人们实现太空之旅、军情探窥、为人类探测地球之外的能源 如何设计：“永不落雪域神飞器”将采用非传统的设计，从空气动力学角度来说,可以将它描述为一种升力体结构，在神器身后部设计自动化控制面版，包括全动式水平尾翼和双垂直尾翼与方向舵，这种飞翼可以自动收缩，而且为扁平的。该设计将成为未来全球最大超速巡航的神飞航天一体器，既可以用于航天事业又可以用于作战神器。由于高速巡航的需要和航天的探索，为了减小阻力而将前缘设计得很尖而且扁平，同时控制面也相应很薄很轻巧。神飞器前身下部的外形设计为超冲压核动力发动机进气道，提供外部压缩斜面，同时后身下部的外形设计为单膨胀喷管面。机体上表面采用无缓和的曲率，机身前装备大块的扁压舱，要使飞行器的重心足够靠前，提供近似中心的纵向和横向的稳定性。飞行器的机身桁梁和隔板由钢、钛、铝等纳米材料制成，其上覆盖有钢、铝陶瓷纳米盖。这些材料是由神飞器的硬度、随时可变形需求确定的，而尾舱选用镍钛合金，这是为了热防护的需要。出于飞行器平衡的需要，前舱采用了钨化纳米材料制实心块。机体的热防护采用碳耐高温陶瓷。前缘、上、下表面覆盖强化氧化铝纳米防热瓷瓦。钢铝纳米陶瓷金属盖设计为多个相对简单、低成本的刻面形状，这样会使得外型设计线加工到热防护系统防热陶瓷中，而于防热陶瓷的设计为外表面的机是在陶瓷安装到机身上。为此，表面涂纳米量子隐身漆，从而避免了被其他探测系统发现、热烘烤、抗干扰、防辐射、防腐蚀等性质极强的结构。对于低飞行器来说，水平表面只采用碳纳米材料防热；而对于高速神行器来说，水平和垂直表面都采用碳纳米材料防护。发动机着采用散热性好的珀合金材料，其整流罩和侧壁采用了主动式液氮冷却系统。从整体上说，这个神飞器是一个超级扁的飞行一体机，可以收缩变幻，可以变形。 功能设计和设计控制： 1.。神飞器的发动机：我们不使用传统的固态、液态、或者混合态发动机作为动力来提高效果，而现行的发动机有些国家利用太阳帆，利用太阳的能量，可是太阳能转化速度比较慢，所以传统的化学能和太阳能飞行器不适合进行长时间的飞行。为了我们的飞行器成为世界永不落神飞器，我们将在这个飞行器上装载核聚变动力器，让它成为核动力火箭。这将提供更快的速度和强大的能量源来源，而且消耗不尽，所以我们的神飞器会永远挂在空中而不降落，这也可以解决登陆其他行星时所遇到的各种能源来源问题。核聚变神飞器将大大缩短深空飞行的时间，可以为我们人类充分探索和利用太阳系资源开辟道路，这样的话我们能在一个月之内前往其他星系，那将是多么美妙的情景，也可以减少宇航员暴露在宇宙射线下的风险，人类如果需要进入深空，并有效的配合减速发动机的减速，就可以减少人们在空间飞行中受到的辐射，为人类缩短较短的太空旅程减少节省食物和水，这样我们的太空之旅每个人都可以实现。 宇宙飞船推进技术，我们只有在科幻小说中才听说过的“曲速推进”发动机，物质和反物质动力系统等，而现在我们这款神飞器完全可以实现。除了核动力发动机外，可控核聚变反应堆，使用核裂变技术的发动力系统是我们这个飞行器成为永不落飞行器唯一途径，我们在飞行器上安装四台核动力涡轮发动机，这些核

临近空间用途及发展优势与潜力

一、临近空间的概念 临近空间是指介于普通航空飞行器最高飞行高度和天基卫星最低轨道高度之间的空域。天基卫星的最低轨道约为200km，航空飞机的最大飞行高度约为20km，但从应用上讲，由于100km以下为临近空间飞行器的主要活动区域，故在国内一般定义临近空间为离地球表面约20-120km的空域，美军定义为20-100km的空域。过去所称的“近空间”、“亚轨道”、“空天过渡区”、“亚太空”、“超高空”或“高高空”等区域，都是指临近空间。 图表临近空间区域划分 资料来源：产研智库 二、临近空间飞行器综述 所谓临近空间飞行器，顾名思义是指能够飞行在临近空间执行特定任务的一种飞行器，既能比卫星提供更多更精确的信息（相对于某一特定区域），并节省使用卫星的费用，又能比通常的航空器减少遭地面敌人攻击的机会。临近空间飞行器能快速飞行在敌方战区上空而不易被敌方防空监视系统发现，从而为作战指挥官提供不间断的监视情报，以增强其对战场情况的了解能力。部署这种高空飞行器，成本低、时间快，适合现代战争的需求。 图表临近空间飞行器的设计思想、特点与关键技术 资料来源：产研智库

三、临近空间飞行器发展优势 民用领域以通信监测领域为例，与卫星相比，临近空间飞行器造价明显低于卫星，载荷能力超过卫星的2倍，延迟时间、衰减更小，且可以多次回收、重复利用。 图表临近空间飞行器与通信卫星的比较优势 资料来源：产研智库 除此之外，临近空间飞行器还具有一下优势： （一）持续工作时间长。 传统飞机的留空时间以小时为单位，临近空间飞行器的留空时间则以天为单位，目前正在研制的临近空间平台预定留空时间长达6个月，规划中的后续平台预定留空时间可达1年以上，易于长期、不间断地获得情报和数据，可对紧急事件迅速做出响应，而且人员保障少、后勤负担轻。 （二）覆盖范围广。 临近空间飞行器的飞行高度在传统飞机之上，其侦察覆盖范围比传统飞机要广得多。 （三）生存能力强。 气球或软式飞艇的囊体采用非金属材料而且低速运行，雷达和热反射截面很小，传统的跟踪和瞄准办法不易发现。与传统飞机相比，气球或软式飞艇的缺点是：充灌氦气的时间较长，在充气时需要保持稳固，有时还需要占用机库；在放飞、通过平流层上升、下降、回收和放气的过程中，由于其庞大的体积，容易受到风和湍流的影响。 四、临近空间飞行器军事用途

临近空间低速飞行器螺旋桨技术

临近空间低速飞行器螺旋桨技术 杜绵银，陈培，李广佳，周波 (中国航天空气动力技术研究院，北京 100074) 摘要：临近空间飞行器因其显著特点和潜在的军、民两用价值而成为当前各国研究的热点。螺旋桨推进是低速临近空间飞行器的主要推进动力方式。本文介绍了临近空间发展、螺旋桨的发展及其在低速临近空间飞行器特别是高空飞艇及高空太阳能无人机上的应用，分析了低速临近空间飞行器螺旋桨设计、试验、制造的技术特点及技术难点。 关键词：临近空间；螺旋桨；平流层飞艇；高空长航时无人机 引言 未来战争是空天地海电磁五位一体的体系对抗，空天是重要的战略制高点，图1显示了各个高度范围人类研制和构想的各种空天飞行器。距地面20km以下的范围是传统航空器主要活动区域，100km以上的太空则是航天器的运行空间。而介于两者之间即20~100km的临近空间，该空域大气稀薄、气象活动较弱包括了大气层中对流层顶、平流层、中间层和热层下边界，由于技术和认识上的原因，长期以来是一个相对独立的“和平地带”，各国均未给予太多关注。目前，随着航空航天技术的统一和融合，临近空间作为一个新兴的技术领域，其重要的战略价值日益受到世界各国的高度重视。美国、俄罗斯、欧洲、韩国、英国、日本、以色列等国家纷纷投入大量的经费，积极开展临近空间飞行器的技术与应用研究。但从发展总体水平上看，国外临近空间飞行器技术仍处于关键技术攻关与演示验证阶段，要获得较高的军用价值仍需实现关键技术上的突破[1]。 图1 空间飞行器概念示意图 临近空间飞行器特指能在近空间作持续飞行并完成一定使命的飞行器，具有突防能力强生存力高和应用范围广的特点，能执行快速远程投放、侦察、监视、预警、通信中继、导航和信息干扰等诸多任务[2-3]。按飞行速度，临近空间飞行器可分为高速飞行器和低速飞行器两类。临近空间高速飞行器又可分为超声速和高超声速飞行器，飞行高度涵盖20~100km，一般以火箭或吸气式发动机为动力，主要包括超声速飞机和巡航导弹，高超声速巡航导弹、高超声速滑翔导弹和可重复使用的空天飞行器等，如美国的X-43A（图2）。临近空间低速飞行器主要包括高空气球、平流层飞艇（图3）和高空长航时无人机（图4）等，飞行高度约20~30km，飞行速度为低速和亚声速。 图 2 X-43A 图3 洛马公司的高空飞艇想象图 图4探路者高空长航时无人机 高空气球由于没有动力装置，易受风力影响，无法实现定点和机动，其应用价值有限。平流层飞艇和高空长航时无人机大多以太阳能电池和燃料电池提供能源，驱动螺旋桨产生推力来克服空气阻力。与传统飞机相比，留空时间长，覆盖范围广，制造和运行维护费用低；与卫星相比, 由于临近空间飞行器运行高度低,容易实现高分辨

临近空间飞行器特点及用途应用

专业经济研究智库 权威行业研究报告 一．临近空间飞行器基本概述及发展特点 （一）、临近空间的概念 临近空间是指介于普通航空飞行器最高飞行高度和天基卫星最低轨道高度之间的空域。天基卫星的最低轨道约为200km ，航空飞机的最大飞行高度约为20km ，但从应用上讲，由于100km 以下为临近空间飞行器的主要活动区域，故在国内一般定义临近空间为离地球表面约20-120km 的空域，美军定义为20-100km 的空域。过去所称的“近空间”、“亚轨道”、“空天过渡区”、“亚太空”、“超高空”或“高高空”等区域，都是指临近空间。 图表 临近空间区域划分 资料来源：产研智库 （二）、临近空间飞行器综述 所谓临近空间飞行器，顾名思义是指能够飞行在临近空间执行特定任务的一种飞行器，既能比卫星提供更多更精确的信息（相对于某一特定区域），并节省使用卫星的费用，又能比通常的航空器减少遭地面敌人攻击的机会。临近空间飞行器能快速飞行在敌方战区上空而不易被敌方防空监视系统发现，从而为作战指挥官提供不间断的监视情报，以增强其对战场情况的了解能力。部署这种高空飞行器，成本低、时间快，适合现代战争的需求。 图表 临近空间飞行器的设计思想、特点与关键技术

资料来源：产研智库 （三）、临近空间飞行器发展优势 民用领域以通信监测领域为例，与卫星相比，临近空间飞行器造价明显低于卫星，载荷能力超过卫星的2倍，延迟时间、衰减更小，且可以多次回收、重复利用。 图表临近空间飞行器与通信卫星的比较优势 资料来源：产研智库 除此之外，临近空间飞行器还具有一下优势： （一）持续工作时间长。 传统飞机的留空时间以小时为单位，临近空间飞行器的留空时间则以天为单位，目前正在研制的临近空间平台预定留空时间长达6个月，规划中的后续平台预定留空时间可达1年以上，易于长期、不间断地获得情报和数据，可对紧急事件迅速做出响应，而且人员保障少、后勤负担轻。 （二）覆盖范围广。 临近空间飞行器的飞行高度在传统飞机之上，其侦察覆盖范围比传统飞机要广得多。 （三）生存能力强。 气球或软式飞艇的囊体采用非金属材料而且低速运行，雷达和热反射截面很小，传统的跟踪和瞄准办法不易发现。与传统飞机相比，气球或软式飞艇的缺点是：充灌氦气的时间较长，在充气时需要保持稳固，有时还需要占用机库；在放飞、通过平流层上升、下降、回收和放气的过程中，由于其庞大的体积，容易受到风和湍流的影响。 二、临近空间的用途应用

四轴飞行器作品说明书

四轴飞行器作品说明书

四轴飞行器在各个领域应用广泛。相比其他类型的飞行器，四轴飞行器硬件结构简单紧凑，而软件复杂。本文介绍四轴飞行器的一个实现方案，软件算法，包括加速度计校正、姿态计算和姿态控制三部分。校正加速度计采用最小二乘法。计算姿态采用姿态插值法、需要对比这三种方法然后选出一种来应用。控制姿态采用欧拉角控制或四元数控制。 关键词：四轴飞行器；姿态；控制

1.引言 (1) 2.飞行器的构成 (1) 2.1.硬件构成 (1) 2.1.1.机械构成 (1) 2.1.2.电气构成 (3) 2.2.软件构成 (3) 2.2.1.上位机 (3) 2.2.2.下位机........... . (4) 3.飞行原理........... ................................ (4) 3.1. 坐标系统 (4) 3.2.姿态的表示 (5) 3.3.动力学原理 (5) 4.姿态测量........... ................................ (6) 4.1.传感器校正 (6) 4.1.1.加速度计和电子罗盘 (6) 5.姿态控制 (6) 5.1.欧拉角控制 (6) 5.2.四元数控制 (7) 6.姿态计算 (7) 7.总结 (8) 参考文献 (9)

1.引言 四轴飞行器最开始是由军方研发的一种新式飞行器。随着MEMS传感器、单片机、电机和电池技术的发展和普及，四轴飞行器成为航模界的新锐力量。到今天，四轴飞行器已经应用到各个领域，如军事打击、公安追捕、灾害搜救、农林业调查、输电线巡查、广告宣传航拍、航模玩具等。 目前应用广泛的飞行器有：固定翼飞行器和单轴的直升机。与固定翼飞行器相比，四轴飞行器机动性好，动作灵活，可以垂直起飞降落和悬停，缺点是续航时间短得多、飞行速度不快；而与单轴直升机比，四轴飞行器的机械简单，无需尾桨抵消反力矩，成本低。 本文就小型电动四轴飞行器，介绍四轴飞行器的一种实现方案，讲解四轴飞行器的原理和用到的算法，并对几种姿态算法进行比较。 2.飞行器的构成 四轴飞行器的实现可以分为硬件和软件两部分。比起其他类型的飞行器，四轴飞行器的硬件比较简单，而把系统的复杂性转移到软件上，所以本文的主要内容是软件的实现。 2.1.硬件构成 飞行器由机架、电机、螺旋桨和控制电路构成。 2.1.1.机械构成 机架呈十字状，是固定其他部件的平台，本项目采用的是碳纤维材料的机架。电机采用无刷直流电机，固定在机架的四个端点上，而螺旋桨固定在电机转子上，迎风面垂直向下。螺旋桨按旋转方向分正桨和反桨，从迎风面看逆时针转的为正桨，四个桨的中心连成的正方形，正桨反桨交错安装。 CA D设计机架如图：

空间飞行器动力学与控制

Nanjing University of Aeronautics and Astronautics Spacecraft Dynamics and Control Teacher：Han-qing Zhang College of Astronautics

Spacecraft Dynamics and Control Text book: Spacecraft Dynamics and Control：A Practical Engineering Approach https://www.wendangku.net/doc/5715637573.html,/s/1o6BF32U (1) Wertz, J. R. Spacecraft Orbit and Attitude Systems, Springer. 2001 (2) 刘墩.空间飞行器动力学，哈尔滨工业大学出版社，2003. (3) 章仁为.卫星轨道姿态动力学与控制，北京航空航天大学出版社，2006. (4) 基于MATLAB/Simulink的系统仿真技术与应用，清华大学出版社，2002。 2014年4月22日星期二Spacecraft Dynamics and Control

Spacecraft Dynamics and Control 1. Introduction Space technology is relatively young compared to other modern technologies, such as aircraft technology. In only forty years this novel domain has achieved a tremendous level of complexity and sophistication. The reason for this is simply explained: most satellites, once in space, must rely heavily on the quality of their onboard instrumentation and on the design ingenuity of the scientists and engineers. 2014年4月22日星期二Spacecraft Dynamics and Control

临近空间飞行器

临近空间飞行器 一、临近空间飞行器的基本概念 临近空间(Near space) 通常是指距地表20～100千米处的空域，其下面的空域我们通常称为“天空”，是传统航空器的主要活动空间；其上面的空域就是我们平常说的“太空”，是航天器的运行空间。临近空间区域包括大气平流层（高度12-50千米）的大部分区域，中间大气层区域（高度50-80千米）和部分电离层区域（高度60-100千米）。 临近空间的显著特点包括：空气相对稀薄；环境压力低；环境温度变化复杂；臭氧和太阳辐射强；20-40千米区域平均风速最小。目前“临近空间”这个词只是一个学术概念，还没有公认的“官方定义”，对其的称呼也有很多种，如“近空间”、“亚轨道”或“空天过渡区”，美国也有人称之为“横断区”，而我国学术界过去则有“亚太空”、“超高空”、“高高空”等称呼。 临近空间飞行器是指高于普通飞行器飞行空间，而低于轨道飞行器运行空间区域的飞行器，主要包括能在近空间作长期、持续飞行的低动态飞行器，和具有高动态（马赫数大于1.0）的亚轨道飞行器或在临近空间飞行的高超声速巡航飞行器。 临近空间飞行器具有航空、航天飞行器所不具有的作用，特别是在通信保障、情报收集、电子压制、预警等方面极具发展潜力。 二、临近空间飞行器的特点 临近空间飞行器的应用前景十分广阔。在民用上可以进行高空大气研究、天气预报、环境及灾害监测、交通管制监测、电信和电视服务。在军事上可用于国界巡逻、侦察、通信中继、电子对抗等，在空间攻防和信息对抗中能发挥重要作用，进一步促进空天一体化的发展，

特殊的战略位置将为未来战争开辟了一个新的战场。其发展和应用将可能对未来整个作战体系和作战思维产生重大而深远的影响。 临近空间飞行器在应用上不同于一般的飞机和卫星，具有一些显著的特点，主要表现在以下几个方面： （1）与传统飞机相比，临近空间飞行器持续工作时间长。传统飞机的留空时间以小时为单位，临近空间飞行器的留空时间则以天为单位，目前正在研制的临近空间平台预定留空时间长达6个月，规划中的后续平台预定留空时间可达1年以上，易于长期、不间断地获得情报和数据，可对紧急事件迅速做出响应，而且人员保障少、后勤负担轻。 （2）覆盖范围广。临近空间飞行器的飞行高度在传统飞机之上，其侦察覆盖范围比传统飞机要广得多。 （3）生存能力强。气球或软式飞艇的囊体采用非金属材料而且低速运行，雷达和热反射截面很小，传统的跟踪和瞄准办法不易发现。与传统飞机相比，气球或软式飞艇的缺点是：充灌氦气的时间较长，在充气时需要保持稳固，有时还需要占用机库；在放飞、通过平流层上升、下降、回收和放气的过程中，由于其庞大的体积，容易受到风和湍流的影响。 （4）飞行高度适中。临近空间飞行器由于飞行高度介于飞机和卫星之间，因此在对地观察分辨率、电子对抗效果等方面优于卫星，而在通信服务覆盖范围、侦察视场范围等方面优于飞机。 （5）部署速度快、机动能力强。卫星的发射准备周期长，约40天，机动变轨次数有限。而临近空间飞行器结构简单，可大量部署，准备时间往往不超过一天，实时性好，威胁作用大。（6）低速临近空间飞行器大量采用全复合材料，没有大尺寸高温部件，具有低可探测性，而且飞行速度较高，目前世界上尚缺乏有效对抗临近空间飞行器的武器。 （7）低速临近空间飞行器飞行高度高，视场大；高速临近空间飞行器不仅飞行高度高，而且速度快，突防能力强。因而临近空间飞行器在战场信息控制和快速精确打击等方面具有很强的威慑作用。可实现局部快速响应和持久部署。一些低速临近空间飞行器处于区域气流稳定，平均风速小，可实现红外凝视的监视侦察，在局部区域的时间分辨率方面，是飞机和卫星不可比拟的。 （8）载荷能力强，效费比高。临近空间飞行器可作为卫星廉价的替代品。用于中继通信和侦察。临近空间飞行器的制作和使用费用远低于现有的无人驾驶飞机和卫星。飞行平台的载荷能力大，飞行器可返回，可重复使用，载荷可维修，可更换。与卫星相比，临近空间飞行器具有效费比高、机动性好、有效载荷技术难度小、易于更新和维护。此种飞行器距目标的距离一般只是低轨卫星的1／10～1／20，可收到卫星不能监听到的低功率传输信号，容易实现

无线电导航原理和机载设备简介及使用

★无线电导航原理和机载设备简介★ 导航概述 早期的飞行器在空中飞行仅依靠地标导航--飞行中盯着公路、铁路、河流等线状地标；山峰、灯塔、公路交汇点等点状地标；湖泊、城镇等面状地标。后来，空勤人员利用航空地图、磁罗盘、计算尺、时钟等工具和他们的天文、地理、数学知识，根据风速、风向计算航线角，结合地标修正航线偏差，这种工作叫做“空中领航”。这种方法虽然“原始”，但航空先驱林伯当年就是依靠这些东西驾驶一架活塞式单发动机飞机“圣路易斯精神号”独自由美国西海岸起程，直接飞越大西洋到达巴黎的，他飞越茫茫大西洋时还通过观察海上的洋流、夜空中的星座来辨别方向、确定位置。空中领航学是飞行员的一门必修课，其核心是用矢量合成原理修正风对飞行航迹的影响。 随着无线电技术的发展，各式各样的电子设备为飞行器提供精确的导航信息：有用于洲际导航的奥米加导航系统（OMEGA）、适用于广阔海面的罗兰系统（LORAN-A，LORAN-C）、用于近距导航的甚高频全向无线电信标导航系统（VORTAC），另外还有一些专为军事用途开发的导航信标和雷达系统。现在，利用同步卫星工作的全球定位系统（GPS）已开始广泛使用。但 VORTAC 仍是近距导航的主流，绝大多数现代军民用飞机，包括民航客机、小型通用飞机都配备有VOR接收机（VOR，very high frequency ommi-directional range）。 VORTAC是VOR/DME和TACAN的统称。VOR/DME是民用系统，TACAN是为适应舰载、移动台站而开发的军用战术空中导航系统（即塔康导航系统）。两者的工作原理和技术规范都不同，但使用上它们是完全一样的。事实上，有的VOR/DME和TACAN发射台站是建在一起、使用同一个频率的，对空勤人员来说，只是一个VOR信标。 VOR信标是世界上最多、最主要的无线电导航点。许许多多的VOR台站相隔一定距离成网络状散点分布，当飞机上的接收机收到VOR信标的信号，飞行人员就可通过专用仪表判断飞机与该发射台站的相对位置，如果台站信号是带测距的（DME，distance measuring equitment），还可知道飞机与台站的距离，从而确定飞机当前的位置，并知道应以多少度的航线角飞抵目的地。 VOR/DME/NDB基本原理 VOR：very high frequency ommi-directional range，甚高频全向无线电信标 VOR信号发射机和接收机的工作频率在108.0-117.95 MHz 之间。VOR台站发射机发送的信号有两个：一个是相位固定的基准信号；另一个信号的相位是变化的，同时象灯塔的旋转探照灯一样向360度的每一个角度发射，而向各个角度发射的信号的相位都是不同的，它们与基准信号的相位差自然就互不相同。向360度发射的信号（指向磁北极）与基准信号是同相的，而向180度发射的信号（指向磁南极）与基准信号相位差180度。飞机上的VOR接收机根据所收到的两个信号的相位差就可判断飞机处于台站向哪一个角度发射的信号上。也就是说，可以判断飞机在以台站发射机为圆心的哪一条“半径”上。 VOR台站发送的信号形成360条“半径”，辐射状向各个方向传送，每条“半径”就是一条航道，称为“Radial”。假如：飞机位于平州VOR台站（该台站代号为POU）的正东南方，朝台站飞去，飞越台站时即改航向，往正西南方飞去。用导航术语来说就是：飞机沿POU的 135 Radial（R-135），飞向（inbound）台站，即其磁航向为315度，到达POU后，沿R-225，飞离（outbound）台站，即其磁航向为225度。注意：当飞机沿某条Radial飞离台站，其磁航向就是该条Radial号数；但当飞机沿某条Radial飞向台站，其磁航向就与该条Radial的号数差180。 由于VOR的无线电信号与电视广播、收音机的FM广播一样，是直线传播的，会被山峰等障碍物阻隔，所以即使距离很近，在地面也很少能接收到VOR信号，通常要飞高至

(完整版)航空知识手册全集3

第三章 - 飞行空气动力学 飞行空气动力学介绍作用于飞机上的力的相互关系和由相关力产生的效应。作用于飞机的力 至少在某些方面，飞行中飞行员做的多好取决于计划和对动力使用的协调以及为改变推力，阻力，升力和重力的飞行控制能力。飞行员必须控制的是这些力之间的平衡。对这些力和控制他们的方法的理解越好，飞行员执行时的技能就更好。 下面定义和平直飞行(未加速的飞行)相关的力。 推力是由发动机或者螺旋桨产生的向前力量。它和阻力相反。作为一个通用规则，纵轴上的力是成对作用的。然而在后面的解释中也不总是这样的情况。 阻力是向后的阻力，由机翼和机身以及其他突出的部分对气流的破坏而产生。阻力和推力相反，和气流相对机身的方向并行。 重力由机身自己的负荷，乘客，燃油，以及货物或者行礼组成。由于地球引力导致重量向下压飞机。和升力相反，它垂直向下地作用于飞机的重心位置。 升力和向下的重力相反，它由作用于机翼的气流动力学效果产生。它垂直向上的作用于机翼的升力中心。 在稳定的飞行中，这些相反作用的力的总和等于零。在稳定直飞中没有不平衡的力(牛顿第三定律)。无论水平飞行还是爬升或者下降这都是对的。也不等于说四个力总是相等的。这仅仅是说成对的反作用力大小相等，因此各自抵消对方的效果。这点经常被忽视，而导致四个力之间的关系经常被错误的解释或阐明。例如，考虑下一页的图3－1。在上一幅图中的推力，阻力，升力和重力四个力矢量大小相等。象下一幅图显示的通常解释说明(不保证推力和阻力就不等于重力和升

力)推力等于阻力，升力等于重力。必须理解这个基本正确的表述，否则可能误解。一定要明白在直线的，水平的，非加速飞行状态中，相反作用的升力和重力是相等的，但是它们也大于相反作用的推力和阻力。简而言之，非加速的飞行状态下是推力和阻力大小相等，而不是说推力和阻力的大小和升力重力相等，基本上重力比推力更大。必须强调的是，这是在稳定飞行中的力平衡关系。总结如下： ?向上力的总和等于向下力的总和 ?向前力的总和等于向后力的总和 对旧的“推力等于阻力，升力等于重力”公式的提炼考虑了这样的事实，在爬升中，推力的一部分方向向上，表现为升力，重力的一部分方向向后，表现为阻力。在滑翔中，重力矢量的一部分方向向前，因此表现为推力。换句话说，在飞机航迹不水平的任何时刻，升力，重力，推力和阻力每一个都会分解为两个分力。如图3－2

临近空间飞行器表面波等离子体推进新原理

临近空间飞行器表面波等离子体推进新原理 荆志波，江滨浩 哈尔滨工业大学电气工程系，哈尔滨（150001） E-mail: jingzhiboqust@https://www.wendangku.net/doc/5715637573.html, 摘要：针对临近空间大气容易实现放电形成等离子体的天然环境条件，根据流体力学伯努利原理、等离子体中的粒子和波之间共振效应和表面波与定向运动等离子体流之间存在着自恰的耦合关系，本文提出临近空间飞行器表面波等离子体推进的新原理。该原理具有响应速度快、推力可调、机动性强等特点。 关键词：临近空间；伯努利原理；表面波等离子体；波－粒子共振效应 中图分类号：O53 1引言 近年来，临近空间特殊的战略价值受到了许多国家的重视。飞艇类浮空器具有驻空时间长、载重量大、生存能力强、预警功能强、侦察视野广、效费比高等优点，各航天大国纷纷开展以飞艇为主的浮空器平台的研究和应用[1]。飞艇所处的平流层环境比较特殊和复杂，一方面大气稀薄，另一方面风速、风向变化频繁[2]。面向我国未来临近空间信息作战平台的需求，为了使飞艇以较高精度实现定点悬停或低速飞行，从而完成较长时间（半年以上）的预警侦察任务，要求推进装置能克服大气阻力，并能根据周围气流变化情况实现推力的连续可调；升浮控制装置能以较快的响应速度使飞艇升降及时避开强气流区；姿控装置能以较高的精度调整飞艇的姿态，以精确调节飞艇的航向及太阳能电池帆板的接收角度。 目前，美国、日本和以色列在平流层飞艇的推进技术等关键技术研究方面处于世界领先地位[3]。所设计的飞艇几乎都采用电动螺旋桨作为主推进器来抵消风力，实现位置修正、姿态调整和巡航飞行；飞艇升浮控制则都是通过调节气囊中主、副舱之间氦气和空气的体积比来实现。如美国洛克希德·马丁公司的高空飞艇采用了四台电动马达驱动的推力矢量大型双螺旋桨作为推进器[4]；日本与美国合作于2005年升空的高空通信平台上的充氦飞艇则采用了由尾部和两舷的螺旋桨提供的驱动力来做位置保持[5]；以色列飞机工业公司(IAI)研制的巨型侦察飞艇也已经在21km高度试飞成功，通过艇身后部的电动机带动螺旋桨进行巡航飞行[6]。最近，NASA从未来发展的角度发表了论证报告[7]，提出在“临近空间”的相对较低高度采用螺旋桨推进比较合适，但是当进一步提高工作高度时使用等离子推进器就相对比较合适，图1表明等离子体推进的适用空域要高于电动螺旋桨的高度，其根本原因在于，当海拔越来越高时，大气变得越来越稀薄，容易实现电离，采用空气动力学的方式推进不如等离子体推进有效。 驻空类临近空间飞行器的主要特点有以下三个： （1）翼展大、表面积大，因而其表面覆盖的太阳能电池帆板供给的电能相对充足，如美国MDA公司设计的试验型高空飞艇表面积约23550m2，提供的最大电功率为75kW，因此其产生的电能供飞艇内部的有效载荷使用后还有较多的剩余[4]。 （2）周围的空气介质非常稀薄，如在30km高空，气压约1200Pa；在40km高空，气压则降到约280Pa[8]；低气压条件下容易放电形成等离子体。 （3）相比大气层内飞行器，其工作时间很长，通常达半年以上，平台自重很大。

第六届华中地区大学生数学建模邀请赛问题1.飞行器空间坐标修正

第六届华中地区大学生数学建模邀请赛 题目：飞行器空间坐标修正 【摘要】 飞行器的导航问题越来越受到人们的重视，它对精度的要求非常之高，我国通过激光引导和北斗导航系统来提高导弹等的定位导航精度然而由于噪声干扰和仪器精度问题使得飞行器的坐标观测值存在一定误差，随着时间的推移，误差逐渐积累会变得越来越大，这会严重影响飞行器的导航精度，因此修正坐标误差非常必要。 本文在分析了各物理量的关系的基础上，经过严密地推导，得出各个轴方向上的位移与其对应速度的修正之后的函数关系，据此建立了相关的数学模型并通过评价说明了模型的合理性和科学性。 对于问题一：噪声信号的干扰对飞行器空间坐标的观测值造成误差，通常采用联邦卡尔曼滤波的方法或者通过坐标变换用雅各比行列式来修正噪声干扰带来的误差。 对于问题二：另外观测数据的仪器误差可以均值法或者迭代均值法来消减。 关键词：联邦卡尔曼，坐标变换，雅各比行列式，迭代均值

目录 一问题重述 (3) 1.1问题背景 (3) 1.2问题提出 (3) 二模型假设 (4) 三符号说明与名词解释 (4) 四问题分析 (4) 4.1问题一分析 (4) 4.2问题二分析 (6) 五模型建立与求解 (7) 5.1问题一模型 (7) 5.2问题二模型 (11) 六模型评价 (13) 七模型的改进 (13) 参考文献 (14)

一问题重述 1.1问题背景 飞行器的导航精度问题一直是航空航天领域研究的重要课题，惯性导航系统是一种不依赖于任何外部信息的自主式导航系统，在航空航天领域起着越来越重要的作用。由于其系统结构误差、惯性测量部件误差、标度系数误差等因素的影响，惯性导航系统的积累误差随着时间的推移而逐渐增大，这一问题严重影响到航空航天技术的发展。目前关于定位精度的研究成果主要是从物理技术(例如红外测距)方面来提高定位的精度，近年来，围绕定位坐标精度问题的相关研究也渐渐展开。因此进一步研究飞行器空间坐标修正方法有重要的理论意义和应用价值。本题的目标是利用数学的方法对飞行器的误差进行修正，并利用结果进行飞行器的仿真。 1.2问题提出 某一观测站测得飞行器空间位置(假设观测站为坐标原点)X(x、y、z)，飞行器的飞行速度V(x轴、y轴、z轴),飞行器与观测站之间的偏向角α，俯仰角θ以及观测数据的时间间隔t。所给的各项数据均含有一定的误差，其中观测站的坐标 (0,0,0)不含误差，飞行器的坐标（观测值）可能含有较大误差。请根据所给数据进行如下工作：问题一：飞行器坐标的数据为观测值，由于电子仪器的精度和噪声干扰等，含有一定的误差波动，建立数学模型对飞行器坐标观测值的随机波动误差进行修正。 问题二：由于观测数据的仪器误差，飞行器坐标在长时间的飞行中，坐标数据的观测值由于误差的累积发生漂移，建立数学模型，对飞行器的坐标的这种误差进行修正。(提示：在短时间内，可以视为飞行器坐标含有一定的常量误差，或者飞行器的这种误差是线性变化的)。 问题三：结合具体的飞行器给出误差修正方案。

航空器和航天器分类

航空器是怎样分类的，各类航空器又是如何细分的？航天器是怎样分类的？各类航天器又是如何细分的？ 答：一、航空器根据产生向上力的基本原理的不同，航空器可划分为两大类：轻于空气的航空器和重于空气的航空器，前者靠空气静浮力升空，又称浮空器；后者靠空气动力克服自身重力升空。 根据构造特点还可进一步分为下列几种类型：（1）轻于空气的航空器。分为气球和飞艇。轻于空气的航空器的主体是一个气囊，其中充以密度较空气小得多的气体（氢或氦），利用大气的浮力使航空器升空。①气球②飞艇（2）重于空气的航空器。重于空气的航空器。重于空气航空器的升力是由其自身与空气相对运动产生的，分为固定翼航空器、旋翼航空器、扑翼机以及倾转旋翼机.①固定翼航空器。固定翼航空器又分为飞机和滑翔机。飞机是最主要的、应用范围最广的航空器。它的特点是装有提供拉力或推力的动力装置，产生升力的固定，控制飞行姿态的操纵面；滑翔机与飞机的根本区别是，它升高以后不用动力而靠自身重力在飞行方向的分力向前滑翔，虽然有些滑翔机装有小型发动机（称为动力滑翔机），但主要是在滑翔飞行前用来获得初始高度。②旋翼航空器主要由旋转的产生升力，分为直升机和旋翼机。直升机的旋翼是由发动机驱动的，升力和水平运动所需的拉力都由旋翼产生。而旋翼机是一种利用前飞行时的相对气流吹动旋翼自转以产生升力的旋翼航空器。③扑翼机。扑翼机又名振翼机。它是人类早期试图模仿鸟类飞行而制造的一种航空器。它用像飞鸟翅膀那样扑动的翼面产生升力和拉力。④倾转旋翼机，倾转旋翼机是一种同时具有旋翼和固定翼，并在机翼两侧翼梢处各装有一套可在水平与垂直位置之间转动的旋翼倾转系统组件的飞机。 二、航天器是指在地球大气层以外的宇宙空间，基本按照天体力学的规律运动的各类飞行器，又称空间飞行器。航天器分为无人航天器和载人航天器。 按照各自的用途和结构形式，航天器还可以进一步细分。（1）无人航天器。无人航天器包括人造地球卫星和空间探测器。①人造地球卫星。人造地球卫星是数量最多的航天器。按照卫星的用途，又可分为科学卫星、应用卫星和技术试验卫星。②空间探测器。空间探测器是指对月球和月球以外的天体和空间进行探测的无人探测器，也称深空探测器。分为月球探测器以及行星和行星际探测器。（2）载人航天器。载人航天器分为载人飞机、空间站、航天飞机、空天飞机。①载人飞机。载人飞机是载乘航天员的航天器，又称宇宙飞船。按照运行方式的不同，分为卫星式载人飞船和登月载人飞船两类。②空间站。空间站是航天员在太空轨道上生活和工作的基地，又称轨道站和航天站③航天飞机。航天飞机是是世界上第一种也是唯一一种可重复使用的航天运载器，还是一种多用途的载人航天器④空天飞机。 1

四旋翼飞行器的姿态解算小知识点

1、惯性测量单元IMU(InertialMeasurement Unit) 姿态航向参考系统AHRS(Attitude and Heading Reference System) 地磁角速度重力MARG(Magnetic, Angular Rate, and Gravity) 微机电系统MEMS(Micro Electrical Mechanical Systems) 自由度维数DOF(Dimension Of Freedom) 无人驾驶飞行器UAV(Unmanned Aerial Vehicle) 扩展卡尔曼滤波EKF(Extended Kalman Filter) 无损卡尔曼滤波UKF(Unscented Kalman Filter) 惯性导航系统INS(Inertial Navigation System) 全球导航卫星系统GNSS(Global Navigation Satellite System) 天文导航系统CNS(Celestial Navigation System) 可垂直起降VTOL(Vertical Take-off and Landing) 2、常见的导航系统：惯性导航、天文导航、卫星导航、路标导航、无线电导航、推算导航、组合导航。 3、有两个基本坐标系：“地理”坐标系和“载体”坐标系。”地理”坐标系指的就是地球上的“东北天（ENU）”坐标系，而“载体”坐标系值的就是四轴自己的坐标系。 4、在“地理”坐标系中，重力的值始终是（0，0，1g），地磁的值始终是（0，1，x）。这些值就是由放置在四轴上的传感器测量出来的。 5、“地理”坐标系和“载体”坐标系是两个不同的坐标系，需要转化。转化的方法就是坐标系的转换，目前有三种方式：四元数（q0123）、欧拉角（yaw（Z轴）/ pitch（Y轴）/roll（X 轴）属于其中一种旋转顺序Z-Y-Xà航空次序欧拉角）、方向余弦矩阵（9个系数）。 6、所谓的姿态，就是公式+系数。比如：欧拉角公式和欧拉角的系数（翻滚、倾仰、偏航） 7、姿态的数据来源有5个：重力、地磁、陀螺仪、加速度计、电子罗盘。其中前两个来 自“地理”坐标系，后三个来自“载体”坐标系。 8、导航的基本原则就是保证两个基本坐标系的正确转化，没有误差。只有实现了这个原则，载体才可以在自己的坐标系中完成一系列动作而被转换到地理坐标系中看起来是正确的。为了达到这个目标，需要对两个坐标系进行实时的标定和修正。因为坐标系有三个轴，偏航yaw修正由电子罗盘（基于载体）、地磁（基于地理）对比修正误差补偿得到。倾仰pitch 和翻滚roll上的修正由加速度计（基于载体）、重力（基于地理）对比修正误差得到。在完成了基本原则的基础之后，即保证两个坐标系的正确转化后，利用基于载体上的陀螺仪进行积分运算，得到基于载体坐标系的姿态数据，经过一系列PID控制，给出控制量，完成基 于载体坐标系上的稳定控制后，反应到地理坐标系上的稳定控制，从而达到我们观察到的定高、偏航、翻滚、倾仰等动作。 对于上述论述可以看出，导航姿态从理论上讲只用陀螺仪是可以完成任务的。但是由于陀螺仪在积分过程中会产生误差累计，外加上白噪声、温度偏差等会造成导航姿态的解算随着时

飞行力学部分知识要点

空气动力学及飞行原理课程 飞行力学部分知识要点 第一讲：飞行力学基础 1.坐标系定义的意义 2.刚体飞行器的空间运动可以分为两部分：质心运动和绕质心的转 动。描述任意时刻的空间运动需要六个自由度：三个质心运动和三个角运动 3.地面坐标系, O 地面任意点，OX 水平面任意方向，OZ 垂直地面 指向地心，OXY 水平面（地平面），符合右手规则在一般情况下。 4.机体坐标系, O 飞机质心位置，OX 取飞机设计轴指向机头方向， OZ 处在飞机对称面垂直指向下方，OY 垂直面指向飞机右侧，符合右手规则 5.气流（速度）坐标系, O 飞机质心位置，OX 取飞机速度方向且重 合，OZ 处在飞机对称面垂直指向下方，OY 垂直面指向飞机右侧，符合右手规则 6.航迹坐标系, O取在飞机质心处，坐标系与飞机固连，OX轴与飞 行速度V重合一致，OZ轴在位于包含飞行速度V在内的铅垂面内，与OX轴垂直并指向下方，OY轴垂直于OXZ平面并按右手定则确定 7.姿态角, 飞机的姿态角是由机体坐标系和地面坐标系之间的关系 确定的：

8. 俯仰角—机体轴OX 与地平面OXY 平面的夹角，俯仰角抬头为正； 9. 偏航角—机体轴OX 在地平面OXY 平面的投影与轴OX 的夹角，垂直于地平面，右偏航为正； 10. 滚转角—机体OZ 轴与包含机体OX 轴的垂直平面的夹角，右滚转为正 11. 气流角, 是由飞行速度矢量与机体坐标系之间的关系确定的 12. 迎角—也称攻角，飞机速度矢量在飞机对称面的投影与机体OX 轴的夹角，以速度投影在机体OX 轴下为正； 13. 侧滑角—飞机速度矢量与飞机对称面的夹角 14. 常规飞机的操纵机构主要有三个：驾驶杆、脚蹬、油门杆，常规气动舵面有三个升降舵、副翼、方向舵 15. 作用在飞机上的外力,重力，发动机推力，空气动力 16. 重力，飞机质量随燃油消耗、外挂投放等变化，性能计算中，把飞机质量当作已知的常量 17. 空气动力中，升力，阻力，的计算公式，动压的概念。 18. 随迎角增大，升力曲线非线性，迎角分别经历抖动迎角，失速迎角，临界迎角等过程 19. 喷气发动机工作原理f k p ()P m V V =-， 20. 台架推力Pf ，发动机在试车台上测得的推力 21. 可用推力Pky ，飞行中发动机能够实际供给的用以推动飞机前进的推力 22. 推重比γfd ，耗油量qh ，单位时间消耗的燃油质量