機(jī)電設(shè)備概論-第2版3.3任務(wù)三教學(xué)設(shè)計(jì)(無人機(jī))

項(xiàng)目名稱典型民生類機(jī)電設(shè)備任務(wù)名稱無人機(jī)課題無人機(jī)的分類、應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)學(xué)時(shí)2學(xué)時(shí)教學(xué)目標(biāo)1.熟悉無人機(jī)的分類標(biāo)準(zhǔn)2掌握無人機(jī)不同標(biāo)準(zhǔn)下的分類3.了解無人機(jī)的應(yīng)用和發(fā)展趨勢(shì)重難點(diǎn)重點(diǎn)：熟悉無人機(jī)的分類標(biāo)準(zhǔn)難點(diǎn)：掌握無人機(jī)不同標(biāo)準(zhǔn)下的分類主要教學(xué)內(nèi)容無人機(jī)有狹義和廣義之分，狹義上的無人機(jī)是指無人駕駛航空器，（簡(jiǎn)稱，UAV）也叫無人航空器，廣義上的無人機(jī)是指所有不需要駕駛員登機(jī)駕駛的各式遙控或自主智能航空器。無人機(jī)系統(tǒng)主要包括無人機(jī)機(jī)體、飛控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)、發(fā)射回收系統(tǒng)、電源系統(tǒng)等。如圖3-3-1所示。圖3-3-1無人機(jī)系統(tǒng)無人機(jī)系統(tǒng)駕駛員,是指無人機(jī)實(shí)際操作人員,在飛行期間全程負(fù)責(zé)操作起降、飛行、發(fā)送指令的人。運(yùn)營人指對(duì)無人機(jī)的運(yùn)行負(fù)有必不可少職責(zé)并在飛行期間適時(shí)操縱飛行的人。無人機(jī)系統(tǒng)的機(jī)長,是指在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間內(nèi)負(fù)責(zé)整個(gè)無人機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行和安全的駕駛員。無人系統(tǒng)駕駛員、運(yùn)營人及無人機(jī)系統(tǒng)機(jī)長在無人機(jī)運(yùn)行過程中共同承擔(dān)起無人機(jī)安全運(yùn)行及順利實(shí)現(xiàn)工作任務(wù)的責(zé)任。機(jī)電設(shè)備概論教學(xué)設(shè)計(jì)

主要教學(xué)內(nèi)容一、無人機(jī)的分類近年來，國內(nèi)外無人機(jī)相關(guān)技術(shù)飛速發(fā)展，無人機(jī)系統(tǒng)種類繁多、用途廣泛、特點(diǎn)鮮明,致使其在尺寸、質(zhì)量、航程、航時(shí)、飛行高度、飛行速度、性能以及任務(wù)等多方面都有較大差異。由于無人機(jī)的多樣性，出于不同的考量會(huì)有不同的分類方法,且不同的分類方法相互交叉、邊界模糊。無人機(jī)可按飛行平臺(tái)構(gòu)型、用途、尺度、活動(dòng)半徑、任務(wù)高度等不同方法進(jìn)行分類。1.按不同平臺(tái)構(gòu)型來分類：無人機(jī)可主要有固定翼無人機(jī)（如圖3-3-2所示）、無人直升機(jī)（如圖3-3-3所示）和多旋翼無人機(jī)（如圖3-3-4所示）三大平臺(tái)，其它小種類無人機(jī)平臺(tái)還包括傘翼無人機(jī)、撲翼無人機(jī)和無人飛船等。圖3-3-2固定翼無人機(jī)圖3-3-3無人直升機(jī)固定翼無人機(jī)是軍用和多數(shù)民用無人機(jī)的主流平臺(tái)，最大特點(diǎn)是飛行速度較快；無人直升機(jī)是靈活性最強(qiáng)的無人機(jī)平臺(tái)，可以原地垂直起飛和懸停；

主要教學(xué)內(nèi)容多旋翼（多軸）無人機(jī)是消費(fèi)級(jí)和部分民用用途的首選平臺(tái)，靈活性介于固定翼和直升機(jī)中間（起降需要推力），但操縱簡(jiǎn)單、成本較低。圖3-3-4多旋翼無人機(jī)2.按用途分類分為軍用無人機(jī)和民用無人機(jī)。軍用無人機(jī)可分為偵察無人機(jī)、誘餌無人機(jī)、電子對(duì)抗無人機(jī)、通信中繼無人機(jī)、無人戰(zhàn)斗機(jī)以及靶機(jī)等;民用無人機(jī)可分為巡查/監(jiān)視無人機(jī)、農(nóng)用無人機(jī)、氣象無人機(jī)、勘探無人機(jī)以及測(cè)繪無人機(jī)等。3.按尺度分類(民航法規(guī))根據(jù)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)大小,民用無人機(jī)分為微型、輕型、小型、中型、大型。圖3-3-5撲翼式微型無人機(jī)圖3-3-6航測(cè)輕型無人機(jī)4.按活動(dòng)半徑分類無人機(jī)可分為超近程無人機(jī)、近程無人機(jī)、短程無人機(jī)、中程無人機(jī)和遠(yuǎn)程無人機(jī)。

主要教學(xué)內(nèi)容超近程無人機(jī)活動(dòng)半徑在15km以內(nèi)，近程無人機(jī)活動(dòng)半徑在15~50km之間，短程無人機(jī)活動(dòng)半徑在50~200km之間，中程無人機(jī)活動(dòng)半徑在200~800km之間，遠(yuǎn)程無人機(jī)活動(dòng)半徑大于800km。5.按任務(wù)高度分類分為超低空無人機(jī)、低空無人機(jī)、中空無人機(jī)、高空無人機(jī)和超高空無人機(jī)。超低空無人機(jī)任務(wù)高度一般在0~100m之間，低空無人機(jī)任務(wù)高度一般在100~1000m之間，中空無人機(jī)任務(wù)高度一般在1000~7000m之間,高空無人機(jī)任務(wù)高度一般在7000~18000m之間，超高空無人機(jī)任務(wù)高度一般大于18000m。二、無人機(jī)的應(yīng)用目前無人機(jī)正在世界范圍內(nèi)廣泛被采用，尤其是在軍事領(lǐng)域、商業(yè)領(lǐng)域及個(gè)人生產(chǎn)生活領(lǐng)域應(yīng)用的更為廣泛。1.軍事無人機(jī)技術(shù)軍用無人機(jī)在當(dāng)今世界正被廣泛使用，它們可充當(dāng)目標(biāo)誘餌，并執(zhí)行作戰(zhàn)、研發(fā)以及偵查等任務(wù)，無人機(jī)已經(jīng)成為世界軍事力量的重要組成部分。2.商業(yè)無人機(jī)技術(shù)商用無人機(jī)正獲得穩(wěn)定的的發(fā)展勢(shì)頭，并已成為人們談?wù)摰闹匾掝}，因?yàn)槎鄠€(gè)行業(yè)正在使用無人機(jī)作為日常業(yè)務(wù)功能的一部分。比如自動(dòng)為農(nóng)田施肥，監(jiān)測(cè)交通事故，測(cè)量難以到達(dá)的地方，甚至遞送比薩餅等。3.個(gè)人無人機(jī)技術(shù)隨著社會(huì)的不斷發(fā)展進(jìn)步，普通技術(shù)愛好者們購買、用于拍攝電影、錄音、靜物攝影以及游戲的個(gè)人無人機(jī)將逐漸增多，同時(shí)市場(chǎng)也會(huì)迅速擴(kuò)大。三、無人機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)無人機(jī)技術(shù)發(fā)展迅猛，目前正處于突破性改進(jìn)狀態(tài)。從技術(shù)發(fā)展情況看，可以分為七代，而當(dāng)前的技術(shù)多數(shù)處于第五代和第六代之間。第一代：各種形式的基本遙控飛機(jī)；第二代：靜態(tài)設(shè)計(jì)，固定攝像頭安裝，錄像和靜態(tài)照片，手動(dòng)駕駛控制；第三代：靜態(tài)設(shè)計(jì)，雙軸萬向節(jié)，高清視頻，基本安全模式，輔助駕駛；第四代：革命性設(shè)計(jì)，三軸萬向節(jié)，1080p高清視頻或更高價(jià)值的儀器，改進(jìn)的安全模式，自動(dòng)駕駛模式；

主要教學(xué)內(nèi)容第五代：革命性設(shè)計(jì)，360度萬向節(jié)，4K視頻或更高價(jià)值的儀器，智能駕駛模式；第六代：商業(yè)適用性，符合安全與監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)，平臺(tái)和有效載荷適應(yīng)性，自動(dòng)安全模式，智能駕駛模型和完全自主性，空域意識(shí)；下一代無人機(jī)，也就是第七代無人機(jī)正在被設(shè)計(jì)研發(fā)中，他將具有完整的商業(yè)性、自動(dòng)安全模式和良好的隱身性能，完全符合安全和監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)，可以完成自動(dòng)起飛、安全著陸等各項(xiàng)工作任務(wù)?！鞠胍幌搿渴裁词菬o人機(jī)？你所見過的無人機(jī)按照活動(dòng)半徑來分屬于哪種類型？

項(xiàng)目名稱典型民生類機(jī)電設(shè)備任務(wù)名稱無人機(jī)課題多旋翼無人機(jī)的定義、結(jié)構(gòu)組成及分類學(xué)時(shí)2學(xué)時(shí)教學(xué)目標(biāo)1.掌握多旋翼無人機(jī)的定義及特點(diǎn)2了解多旋翼無人機(jī)的結(jié)構(gòu)組成3.熟悉多旋翼無人機(jī)的分類重難點(diǎn)重點(diǎn)：多旋翼無人機(jī)的定義及特點(diǎn)難點(diǎn)：多旋翼無人機(jī)的結(jié)構(gòu)組成主要教學(xué)內(nèi)容一、多旋翼無人機(jī)的定義及特點(diǎn)多旋翼無人機(jī)是一種具有三個(gè)及以上旋翼軸的特殊的無人駕駛直升機(jī)。如圖3-3-7所示。圖3-3-7航測(cè)式多旋翼無人機(jī)多旋翼無人機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是：可定點(diǎn)懸停，操作簡(jiǎn)單，起降場(chǎng)地要求不高；多旋翼無人機(jī)的缺點(diǎn)是：但是續(xù)航時(shí)間短，一般不超過30分鐘，航程也短。二、多旋翼無人機(jī)的結(jié)構(gòu)組成多旋翼無人機(jī)的機(jī)身部件構(gòu)成包括機(jī)臂、機(jī)身、任務(wù)部件和腳架。具體如圖3-3-8所示。主機(jī)身是多旋翼無人機(jī)的主體框架，需要注意的是機(jī)身裝有各種電子設(shè)備，所以應(yīng)避免進(jìn)水，保持外殼封閉，尤其是植保機(jī)工作環(huán)境相對(duì)嚴(yán)酷，在平常使用時(shí)應(yīng)格外注意檢查外殼是否封閉。機(jī)電設(shè)備概論教學(xué)設(shè)計(jì)

主要教學(xué)內(nèi)容圖3-3-8多旋翼無人機(jī)的機(jī)身構(gòu)成圖3-3-9植保機(jī)主機(jī)身內(nèi)部機(jī)臂是連接無人機(jī)主體與電機(jī)座的機(jī)身部件，根據(jù)多旋翼軸數(shù)的不同而擁有相應(yīng)數(shù)量的機(jī)臂，同時(shí)在一些Y型結(jié)構(gòu)的多旋翼結(jié)構(gòu)當(dāng)中，還存在主臂與小臂。如圖3-3-10所示。

主要教學(xué)內(nèi)容圖3-3-10獨(dú)立機(jī)臂和大臂接小臂多旋翼無人機(jī)腳架主要作用在于支撐機(jī)身重量和提高槳葉離地距離，方便多旋翼起降時(shí)消耗和吸收多旋翼在著陸時(shí)的撞擊力量。通常腳架的接地部分都會(huì)安裝有減震材料。圖3-3-11MG-1腳架三、多旋翼無人機(jī)的分類目前常見的多旋翼無人機(jī)包括四旋翼（也稱四軸）無人機(jī)、六旋翼無人機(jī)和八旋翼無人機(jī)。

主要教學(xué)內(nèi)容四旋翼無人機(jī)（如圖3-3-12所示）是一種具有四個(gè)螺旋槳的飛行器，并且四個(gè)螺旋槳呈十字形交叉結(jié)構(gòu)，相對(duì)的四旋翼具有相同的旋轉(zhuǎn)方向，分兩組，兩組的旋轉(zhuǎn)方向不同。四旋翼直升機(jī)通過改變螺旋槳的速度來實(shí)現(xiàn)各種動(dòng)作。四旋翼無人機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，是小型無人機(jī)最常見的結(jié)構(gòu)。但是沒有動(dòng)力冗余，任何一個(gè)電機(jī)出現(xiàn)問題停轉(zhuǎn)都將無法控制。圖3-3-12四旋翼無人機(jī)六旋翼無人機(jī)（如圖3-3-14所示）和四軸無人機(jī)相比，可在一電機(jī)停轉(zhuǎn)情況下懸停，安全系數(shù)高。圖3-3-13森林火災(zāi)防護(hù)六旋翼無人機(jī)八旋翼無人機(jī)（如圖3-3-14所示），最多可在不相鄰兩電機(jī)停轉(zhuǎn)情況下懸停，安全系數(shù)更高。

主要教學(xué)內(nèi)容圖3-3-14八旋翼無人機(jī)【想一想】請(qǐng)說一說身邊見過的無人機(jī)是不是屬于多旋翼，如果是多旋翼屬于幾旋翼？

機(jī)電設(shè)備概論教學(xué)設(shè)計(jì)項(xiàng)目名稱典型民生類機(jī)電設(shè)備任務(wù)名稱無人機(jī)課題多旋翼無人機(jī)的飛行原理及應(yīng)用學(xué)時(shí)2學(xué)時(shí)教學(xué)目標(biāo)1.掌握多旋翼無人機(jī)的飛行原理2.了解多旋翼無人機(jī)的應(yīng)用重難點(diǎn)重點(diǎn)：多旋翼無人機(jī)的飛行原理難點(diǎn)：多旋翼無人機(jī)的飛行原理主要教學(xué)內(nèi)容一、多旋翼無人機(jī)的飛行原理多旋翼無人機(jī)是通過每個(gè)軸上的電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)旋翼旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生推力，并通過改變不同旋翼之間的相對(duì)轉(zhuǎn)速，改變每根單軸的推進(jìn)力大小，進(jìn)而改變飛行器的運(yùn)行軌跡，同時(shí)通過多組旋翼之間的相對(duì)旋轉(zhuǎn)來互相抵消反扭力，從而完成規(guī)定軌跡的飛行任務(wù)。如圖3-3-15所示，M1是逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，則M2必定是順時(shí)針旋轉(zhuǎn)；M3是逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，則M4必定是順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，多旋翼相鄰螺旋槳轉(zhuǎn)向相反。圖3-3-15多旋翼無人機(jī)相鄰螺旋槳轉(zhuǎn)向相反飛行方式：多旋翼無人機(jī)通過各個(gè)旋翼之間的轉(zhuǎn)速差別實(shí)現(xiàn)以下飛行方式，如圖3-3-16所示。垂直（上升、下降）方式；偏航（順、逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)）方式俯仰（前進(jìn)、后退）方式；橫滾（左右平移）方式

主要教學(xué)內(nèi)容圖3-3-16多旋翼無人機(jī)的飛行方式操縱搖桿：多旋翼無人機(jī)通過操縱搖桿，實(shí)現(xiàn)對(duì)無人機(jī)動(dòng)作的控制，搖桿模式主要分為美國手（如圖3-3-17所示）和日本手（如圖3-3-18所示）。美國手是多旋翼無人機(jī)最為常見的搖桿模式，油門在遙控器左側(cè)。日本手油門在遙控器右側(cè)。在操作嶄新或陌生的多旋翼無人機(jī)之前一定要確認(rèn)搖桿模式，否則在操作過程中會(huì)出現(xiàn)很嚴(yán)重的安全問題。圖3-3-17美國手

主要教學(xué)內(nèi)容圖3-3-18日本手總體框架：多旋翼無人機(jī)總體框架，由鏈路系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)、飛行器平臺(tái)和任務(wù)設(shè)備組成（如圖3-3-19所示）。圖3-3-19多旋翼無人機(jī)總體框架二、多旋翼無人機(jī)的鏈路通訊系統(tǒng)鏈路通訊系統(tǒng)主要用于多旋翼飛行器系統(tǒng)傳輸控制和載荷通訊的無線電鏈路，是飛行器與地面操縱人員之間溝通的橋梁。通訊鏈路的主要構(gòu)成包括地面端與天空端。地面端需要將控制信號(hào)以及任務(wù)指令發(fā)到飛行器（天空端），飛行器則需將飛行器的狀態(tài)以及任務(wù)設(shè)備的狀態(tài)發(fā)送到地面端。地面端與天空端之間的聯(lián)系如圖3-3-20所示。

主要教學(xué)內(nèi)容圖3-3-20地面端與天空端之間的聯(lián)系鏈路系統(tǒng)的注意事項(xiàng)是天線必須展開，天線如不展開，將會(huì)降低傳輸效果以及傳輸距離。另外，天線必須不能指向多旋翼無人機(jī)，天線頂端與底端的信號(hào)最差，天線應(yīng)與飛行器保持平行(手握遙控器時(shí)是指向天空），如圖所示3-3-21所示。圖3-3-21天線的展開方式三、多旋翼無人機(jī)的飛控系統(tǒng)飛行控制系統(tǒng)的主要功能是控制飛機(jī)達(dá)到期望姿態(tài)和空間位置，所以這部分的感知技術(shù)主要測(cè)量飛機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相關(guān)的物理量，涉及的模塊包括陀螺儀、加速度計(jì)、磁羅盤、氣壓計(jì)、GNSS模塊以及光流模塊等（如圖3-3-22所示）。其核心部件包括：GPS（全球定位系統(tǒng)）：通過衛(wèi)星獲得經(jīng)緯度位置信息。磁羅盤（Compass）：通過地球磁場(chǎng)獲得方向信息。IMU（慣性導(dǎo)航單元）：感知無人機(jī)姿態(tài)。

主要教學(xué)內(nèi)容主控：是電腦的CPU、人類的大腦，是實(shí)現(xiàn)無人機(jī)控制的關(guān)鍵設(shè)備、實(shí)現(xiàn)無人機(jī)所有功能的核心中樞。圖3-3-22飛控系統(tǒng)的工作原理四、多旋翼無人機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)多旋翼無人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)由電機(jī)、電調(diào)和螺旋槳充電器和鋰電池構(gòu)成（如圖3-3—23所示），其基本原理是由電調(diào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)螺旋槳旋轉(zhuǎn)，螺旋槳產(chǎn)生向上的拉力，帶動(dòng)無人機(jī)向上飛行。圖3-3-23動(dòng)力系統(tǒng)組成

主要教學(xué)內(nèi)容電調(diào)和電機(jī)是無人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的核心，對(duì)于無人機(jī)的整體穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)特性起著關(guān)鍵的作用。電調(diào)是電子調(diào)速器的簡(jiǎn)稱，英文簡(jiǎn)稱ESC（ElectronicSpeed

Control），作用是控制電機(jī)的運(yùn)行，根據(jù)電機(jī)是否帶物理換向器，分為有刷