無人機(jī)駕駛基礎(chǔ)及應(yīng)用課件：合格的理論知識

合格的理論知識

主要內(nèi)容一、無人機(jī)系統(tǒng)組成二、無人機(jī)升力來源三、嚴(yán)重影響飛行的氣象四、無人機(jī)飛行管理一、無人機(jī)系統(tǒng)組成一、無人機(jī)系統(tǒng)組成

——常見的多旋翼無人機(jī)結(jié)構(gòu)組成機(jī)架機(jī)架是多旋翼無人機(jī)的主體。根據(jù)機(jī)臂個(gè)數(shù)不同，機(jī)架可分為三軸、四軸、六軸、八軸等，常見軸距（對角兩軸的電機(jī)安裝位中心點(diǎn)距離）有250mm，450mm，600mm，1000mm等。出于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和重量考慮，機(jī)架一般采用塑料或碳纖維材質(zhì)，部分連接件和緊固件可能選用鋁合金或鋼鐵材質(zhì)。馬達(dá)馬達(dá)，或稱電機(jī)，是多旋翼無人機(jī)的主要?jiǎng)恿C(jī)構(gòu)，主要提供升力和調(diào)整飛行姿態(tài)。無刷電機(jī)的機(jī)身上常常標(biāo)有2216、4108等四位數(shù)字，用以代表電機(jī)的基本型號。無刷電機(jī)另一個(gè)重要指標(biāo)是KV值，如電機(jī)表面會標(biāo)注980KV，480KV。所謂KV值是衡量電機(jī)轉(zhuǎn)速的指標(biāo)，表示施加1V電壓時(shí)電機(jī)空轉(zhuǎn)每分鐘可以達(dá)到的轉(zhuǎn)速。電調(diào)全稱為電子調(diào)速器，英文縮寫為BEC。多旋翼無人機(jī)沒有方向舵等飛行控制面，其姿態(tài)的改變?nèi)侩姍C(jī)的轉(zhuǎn)速差來實(shí)現(xiàn)，電子調(diào)速器就是用來改變電機(jī)轉(zhuǎn)速從而改變多旋翼無人機(jī)的飛行姿態(tài)。電池動力電池是電動多旋翼無人機(jī)的供電裝置，給電機(jī)和機(jī)載電子設(shè)備供電。常見的電池種類有鉛蓄、鎳鎘、鐵鎳、鋅鎳、氫鎳、鋰聚合物電池等。目前無人機(jī)最常用的動力電池為鋰聚合物電池，主要優(yōu)點(diǎn)為重量輕、能量密度大、放電能力強(qiáng)，主要缺點(diǎn)為溫度適應(yīng)區(qū)間窄、有燃爆風(fēng)險(xiǎn)。螺旋槳是多旋翼無人機(jī)直接的升力來源，通常被直接安裝在動力設(shè)備延伸軸上，也有通過傳動裝置間接驅(qū)動的。輕微型多旋翼無人機(jī)常用定距螺旋槳，通過螺紋或緊固件安裝在電機(jī)上，定距螺旋槳主要的性能指標(biāo)有效率、尺寸、螺距、材質(zhì)和槳葉數(shù)量等。飛控飛行控制器的簡稱，相當(dāng)于無人機(jī)的大腦。飛控可以實(shí)時(shí)感知無人機(jī)的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)或接受控制終端上傳的上行控制命令或數(shù)據(jù)，通過計(jì)算和處理，輸出指令給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對無人機(jī)飛行姿態(tài)的控制和任務(wù)設(shè)備的管理，也可以將無人機(jī)運(yùn)行參數(shù)、任務(wù)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)等傳送給機(jī)載無線數(shù)據(jù)終端，經(jīng)下行信道傳送給地面。飛控由不同功能的子系統(tǒng)集成在一起，一般包含主控制模塊、信號調(diào)理和接口模塊、傳感器模塊和伺服設(shè)備模塊。傳感器輔助飛控感知無人機(jī)飛行信息或周邊環(huán)境信息的設(shè)備。部分傳感器集成在飛控上，如IMU慣性測量單元（陀螺儀、加速度計(jì)、氣壓計(jì)、地磁感應(yīng)器），可以感知無人機(jī)姿態(tài)、高度和方向信息，能夠輔助無人機(jī)完成基礎(chǔ)飛行任務(wù)。更為復(fù)雜或智能化的任務(wù)則需要更多外接傳感器來輔助。伺服設(shè)備多旋翼無人機(jī)上最常見的伺服設(shè)備是各種形態(tài)的舵機(jī)，舵機(jī)可以直接或間接驅(qū)動其他設(shè)備完成指令動作。伺服設(shè)備可以用來控制無人機(jī)飛行平臺設(shè)備（如收放腳架），也可以用來控制任務(wù)設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)。遙控裝置能向無人機(jī)傳輸行動指令的設(shè)備，常見的遙控裝置有地面站和遙控器。地面站是一套硬件和安裝于硬件內(nèi)的軟件組成的系統(tǒng)，能夠向無人機(jī)發(fā)送行動指令，同時(shí)能接受無人機(jī)返回信息，是無人機(jī)實(shí)現(xiàn)自主任務(wù)執(zhí)行的主要控制手段，對于一般飛行任務(wù)，使用遙控器手動駕駛無人機(jī)也可實(shí)現(xiàn)。完整的遙控器設(shè)備包括發(fā)射機(jī)和接收機(jī)，接收機(jī)裝在無人機(jī)上，一端與飛控連接，另一端通過通信鏈路與發(fā)射機(jī)連接，無人機(jī)駕駛員通過遙感或撥鈕發(fā)出指令。任務(wù)設(shè)備無人機(jī)飛行平臺主要實(shí)現(xiàn)飛行能力，工作能力基本是通過任務(wù)設(shè)備獲得的。比如軍用無人機(jī)就需要搭載偵查和打擊設(shè)備，遙感無人機(jī)搭載帶可見光、紅外、雷達(dá)等遙感設(shè)備，植保無人機(jī)要搭載農(nóng)藥噴灑設(shè)備等。最常見的無人機(jī)任務(wù)設(shè)備是光學(xué)相機(jī)，也就是常說的照相機(jī)，在航拍領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，高性能的照相機(jī)也能滿足的行業(yè)應(yīng)用需求。無人機(jī)任務(wù)設(shè)備也可以被當(dāng)作獨(dú)立系統(tǒng)看待，不作為無人機(jī)系統(tǒng)的一部分。數(shù)據(jù)鏈路無人機(jī)與遙控裝置進(jìn)行通信、無人機(jī)與定位設(shè)備進(jìn)行通信、無人機(jī)內(nèi)部通信都會形成數(shù)據(jù)鏈。數(shù)據(jù)鏈有上行、下行和雙向三種。比如一般遙控器只能向無人機(jī)發(fā)送信息，不能接收信息，為上行數(shù)據(jù)鏈；一般圖傳或OSD只能傳輸信息到監(jiān)視屏，不能接收信息，為下行數(shù)據(jù)鏈。數(shù)傳即可以向下傳輸無人機(jī)飛行狀態(tài)信息，也可以接收信息，稱為雙向數(shù)據(jù)鏈。輔助設(shè)備輔助設(shè)備不是無人機(jī)的一部分，但對無人機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行有重要支持作用，可根據(jù)無人機(jī)系統(tǒng)的工作需求配置。這里試舉幾例：用于維修、保養(yǎng)、檢測無人機(jī)的基礎(chǔ)工具，用于運(yùn)輸無人機(jī)系統(tǒng)的車輛，用于充電的充電器或燃料加注設(shè)備，用于保存動力電池的電池防爆箱，用于保護(hù)駕駛員的防曬、防雨、防蟲等勞保物資，用于防止螺旋槳割傷的槳保護(hù)架，用于調(diào)查飛行環(huán)境的風(fēng)速儀、望遠(yuǎn)鏡等設(shè)備。二、無人機(jī)升力來源

二、無人機(jī)升力來源

——升力來源示意圖常規(guī)布局的固定翼無人機(jī)的升力主要來源于作用在機(jī)翼上的空氣壓差。固定翼無人機(jī)受發(fā)動機(jī)推力作用加速前進(jìn)，與空氣形成相對運(yùn)動，一部分空氣從機(jī)翼上表面流過，另一部分從下表面流過。如果將機(jī)翼做成上凸下平的形狀，流經(jīng)機(jī)翼上表面的氣流會因壓縮而增加流速，如圖4-1所示，流速增加導(dǎo)致作用于機(jī)翼上表面的壓力降低，與下表面受到的空氣壓力產(chǎn)生壓力差，形成向上的升力，當(dāng)升力大于或等于飛行器的重力后，飛行器就能飛行了。二、無人機(jī)升力來源

——迎角使飛行器獲得升力對稱的機(jī)翼也能飛行，只需要給機(jī)翼一個(gè)與氣流相對的夾角，這樣的夾角我們稱為迎角或攻角。對稱性機(jī)翼要產(chǎn)生迎角就需要以一定角度安裝在飛機(jī)上，非對稱的機(jī)翼或者說有彎度機(jī)翼則相當(dāng)于自帶了這種迎角，即使相對于氣流水平安裝，仍然可以改變上下表面的氣流流動。對稱的機(jī)翼并無凹凸的構(gòu)型也能獲得飛行的升力二、無人機(jī)升力來源

——直升機(jī)升力的來源不同形態(tài)的直升機(jī)了解了固定翼升力的來源后，直升機(jī)升力的來源相對來說就比較好理解了。直升機(jī)，也稱直升飛機(jī)，是一類由旋翼旋轉(zhuǎn)提供升力的飛行器，常見的直升機(jī)形態(tài)有單旋翼、共軸雙旋翼、傾旋翼、多旋翼、縱列雙旋翼等二、無人機(jī)升力來源

——直升機(jī)升力的來源從飛行原理出發(fā)，多旋翼屬于直升機(jī)大類，但因多旋翼在民用無人機(jī)領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，一般可以被單列出來。直升機(jī)螺旋槳可以看做是旋轉(zhuǎn)的機(jī)翼，其升力的來源機(jī)理與固定翼的機(jī)翼相似，螺旋槳的橫截面與機(jī)翼的橫截面也有很多相似之處。不同的是直升機(jī)的螺旋槳可以同時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)大的向下氣流，通過反作用力抬升機(jī)體。三、嚴(yán)重影響飛行的氣象

三、嚴(yán)重影響飛行的氣象

——對流沖擊力

使原來靜止的大氣產(chǎn)生垂直運(yùn)動的作用力稱為對流沖擊力，這種力的來源有熱力作用和動力作用兩個(gè)原因，分別稱為熱力對流和動力對流。上文提到的地形雨和對流雨分別就是由動力和熱力抬升引起的。白天在太陽輻射作用下，巖石、沙地、城市地區(qū)升溫快，附近空氣增溫快，因而體積膨脹、密度減少，產(chǎn)生上升運(yùn)動。在水面、植被下墊面、農(nóng)村等區(qū)域情形則相反，會產(chǎn)生下沉運(yùn)動。氣流受到高山等高大地形阻擋，也有可能被迫抬升或下降，產(chǎn)生垂直運(yùn)動。飛行器飛行高度不高，則有可能受垂直氣流運(yùn)動影響，產(chǎn)生顛簸。如果是近地飛行，上升的對流沖擊力會產(chǎn)生漂浮效應(yīng)，導(dǎo)致飛行員飛過預(yù)期的著陸點(diǎn)；下降的對流沖擊力則會產(chǎn)生一個(gè)下沉效應(yīng)，導(dǎo)致飛行員達(dá)不到預(yù)期的著陸點(diǎn)，情況嚴(yán)重時(shí)還可能被下沉氣流拍向地面，造成飛機(jī)失事。三、嚴(yán)重影響飛行的氣象

——雷暴

由對流旺盛的積雨云引起的，伴有電閃雷鳴的局地風(fēng)暴，稱為雷暴。形成雷暴需要三個(gè)條件：深厚而明顯的不穩(wěn)定氣層；充沛的水汽；足夠的沖擊力。三、嚴(yán)重影響飛行的氣象

——積冰

飛機(jī)積冰指的是飛機(jī)表面某些部位聚集冰層的現(xiàn)象。在寒冷季節(jié)，地面停放的飛機(jī)會形成積冰。而在飛行過程中，不管是否在寒冷的季節(jié)，只要大氣條件合適也能形成積冰。飛行中的積冰主要由于云中過冷水滴或降水中的過冷雨碰到飛行器機(jī)體表面凝結(jié)而成，也可以由水汽直接在機(jī)體表面凝華而成。三、嚴(yán)重影響飛行的氣象

——能見度

能見度是反應(yīng)大氣透明度的一個(gè)指標(biāo)。氣象學(xué)中，能見度用氣象光學(xué)視程表示，是指白熾燈發(fā)出色溫為2700K的平行光束的光通量，在大氣中削弱至初始值的5%所通過的路徑長度。在航空學(xué)中，定義所有不同，能見度被認(rèn)為是以暗色作為背景時(shí)1000燭光能夠被識別的最遠(yuǎn)距離。三、無人機(jī)飛行管理

（一）無人機(jī)飛行風(fēng)險(xiǎn)（二）無人機(jī)飛行管理三、無人機(jī)飛行管理

（一）無人機(jī)飛行風(fēng)險(xiǎn)常用四旋翼無人機(jī)重約1500g=3斤60米1.5L的飲料被從約20層的高樓扔下無人機(jī)飛行風(fēng)險(xiǎn)無人機(jī)飛行風(fēng)險(xiǎn)新聞2017年9月，昆明交警一架無人機(jī)在執(zhí)行正常巡邏任務(wù)返航過程中墜落在城市道路二環(huán)高架橋面，造成無人機(jī)損壞，幸未造成人員和車輛受損，昆明交警立即啟動無人機(jī)巡航處置應(yīng)急預(yù)案，并及時(shí)向公眾進(jìn)行了情況通報(bào)。無人機(jī)飛行風(fēng)險(xiǎn)新聞無人機(jī)飛行風(fēng)險(xiǎn)新聞2017年1月，浙江杭州一位飛手使用大疆“御”四旋翼無人機(jī)對蕭山機(jī)場的民航飛機(jī)進(jìn)行了近距離拍攝，引起了社會廣泛關(guān)注，飛手被公安機(jī)關(guān)處以拘留處罰。無人機(jī)飛行風(fēng)險(xiǎn)新聞斗魚TV一名主播攜帶無人機(jī)進(jìn)入校園，直播偷拍女生宿舍，被直播平臺關(guān)停直播，警方接報(bào)案后也介入處理三、無人機(jī)飛行管理

（二）無人機(jī)飛行管理級別空機(jī)重量（千克）起飛全重（千克）Ⅰ0＜W≤0.25Ⅱ0.25＜W≤41.5＜W≤7Ⅲ4＜W≤157＜W≤25Ⅳ15＜W≤11625＜W≤150Ⅴ植保類無人機(jī)Ⅵ無人飛艇Ⅶ超視距運(yùn)行的Ⅰ、Ⅱ無人機(jī)Ⅺ116＜W≤5700150＜W≤5700ⅫW>5700注1:實(shí)際運(yùn)行中，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅺ類分類有交叉時(shí)，按照較高要求的一類分類。注2:對于串、并列運(yùn)行或者編隊(duì)運(yùn)行的無人機(jī)，按照總重量分類。注3:地方政府（例如當(dāng)?shù)毓膊块T）對于Ⅰ、Ⅱ類無人機(jī)重量界限低于本表規(guī)定的，以地方政府的具體要求為準(zhǔn)。注4：分布式操作的無人機(jī)系統(tǒng)或者集群，其操作者個(gè)人無需取得無人機(jī)駕駛員執(zhí)照。注5：分類等級排列順序由低到高依次為：Ⅶ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅺ、Ⅻ，高分類等級執(zhí)照可行使低分類等級執(zhí)照權(quán)利（Ⅴ、Ⅵ分類等級不按重量級別劃分）。分類管理國家無人機(jī)：軍隊(duì)、海事、警察等國家機(jī)關(guān)的無人機(jī)；民用無人機(jī)：國家機(jī)關(guān)以外運(yùn)行的無人機(jī)，營業(yè)和個(gè)人。駕駛執(zhí)照管理250g以上、超視距飛行，在有人\風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域飛行的民用無人機(jī)需要駕駛執(zhí)照；駕駛執(zhí)照從2018年9月1日起由中國民航局管理。實(shí)名注冊2017年8月31日起，單位和個(gè)人的無人機(jī)均需要在民航局網(wǎng)站進(jìn)行注冊，獲得注冊編號運(yùn)營資質(zhì)管理從事經(jīng)營性無人機(jī)活動的單位需要取得經(jīng)營資質(zhì)：1、資質(zhì)2、保險(xiǎn)3、飛行申報(bào)飛行空域申請適航管理從事經(jīng)營性活動的，作業(yè)無人機(jī)應(yīng)當(dāng)買足適航管理要求，即要用可靠的商品機(jī)，不能使用自制的未經(jīng)適航認(rèn)證的組裝機(jī)飛行風(fēng)險(xiǎn)較大的區(qū)域以《廣東省使用民用無人駕駛航空器治安管理辦法》為例：三、嚴(yán)禁在以下區(qū)域的上空飛行無人機(jī)等“低慢小”航空器：(一)機(jī)場凈空保護(hù)區(qū)（機(jī)場跑道中心線兩側(cè)各10公里、跑道兩端各20公里范圍）以及民航航路、航線，高速和普通鐵路、公路以及水上等交通工具運(yùn)行沿線、區(qū)域；(二)黨政