機電設備概論-第2版3.3任務三教學設計(無人機)

項目名稱典型民生類機電設備任務名稱無人機課題無人機的分類、應用及發(fā)展趨勢學時2學時教學目標1.熟悉無人機的分類標準2掌握無人機不同標準下的分類3.了解無人機的應用和發(fā)展趨勢重難點重點：熟悉無人機的分類標準難點：掌握無人機不同標準下的分類主要教學內(nèi)容無人機有狹義和廣義之分，狹義上的無人機是指無人駕駛航空器，（簡稱，UAV）也叫無人航空器，廣義上的無人機是指所有不需要駕駛員登機駕駛的各式遙控或自主智能航空器。無人機系統(tǒng)主要包括無人機機體、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無人機系統(tǒng)無人機系統(tǒng)駕駛員,是指無人機實際操作人員,在飛行期間全程負責操作起降、飛行、發(fā)送指令的人。運營人指對無人機的運行負有必不可少職責并在飛行期間適時操縱飛行的人。無人機系統(tǒng)的機長,是指在系統(tǒng)運行時間內(nèi)負責整個無人機系統(tǒng)運行和安全的駕駛員。無人系統(tǒng)駕駛員、運營人及無人機系統(tǒng)機長在無人機運行過程中共同承擔起無人機安全運行及順利實現(xiàn)工作任務的責任。機電設備概論教學設計

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

主要教學內(nèi)容多旋翼（多軸）無人機是消費級和部分民用用途的首選平臺，靈活性介于固定翼和直升機中間（起降需要推力），但操縱簡單、成本較低。圖3-3-4多旋翼無人機2.按用途分類分為軍用無人機和民用無人機。軍用無人機可分為偵察無人機、誘餌無人機、電子對抗無人機、通信中繼無人機、無人戰(zhàn)斗機以及靶機等;民用無人機可分為巡查/監(jiān)視無人機、農(nóng)用無人機、氣象無人機、勘探無人機以及測繪無人機等。3.按尺度分類(民航法規(guī))根據(jù)運行風險大小,民用無人機分為微型、輕型、小型、中型、大型。圖3-3-5撲翼式微型無人機圖3-3-6航測輕型無人機4.按活動半徑分類無人機可分為超近程無人機、近程無人機、短程無人機、中程無人機和遠程無人機。

主要教學內(nèi)容超近程無人機活動半徑在15km以內(nèi)，近程無人機活動半徑在15~50km之間，短程無人機活動半徑在50~200km之間，中程無人機活動半徑在200~800km之間，遠程無人機活動半徑大于800km。5.按任務高度分類分為超低空無人機、低空無人機、中空無人機、高空無人機和超高空無人機。超低空無人機任務高度一般在0~100m之間，低空無人機任務高度一般在100~1000m之間，中空無人機任務高度一般在1000~7000m之間,高空無人機任務高度一般在7000~18000m之間，超高空無人機任務高度一般大于18000m。二、無人機的應用目前無人機正在世界范圍內(nèi)廣泛被采用，尤其是在軍事領域、商業(yè)領域及個人生產(chǎn)生活領域應用的更為廣泛。1.軍事無人機技術軍用無人機在當今世界正被廣泛使用，它們可充當目標誘餌，并執(zhí)行作戰(zhàn)、研發(fā)以及偵查等任務，無人機已經(jīng)成為世界軍事力量的重要組成部分。2.商業(yè)無人機技術商用無人機正獲得穩(wěn)定的的發(fā)展勢頭，并已成為人們談論的重要話題，因為多個行業(yè)正在使用無人機作為日常業(yè)務功能的一部分。比如自動為農(nóng)田施肥，監(jiān)測交通事故，測量難以到達的地方，甚至遞送比薩餅等。3.個人無人機技術隨著社會的不斷發(fā)展進步，普通技術愛好者們購買、用于拍攝電影、錄音、靜物攝影以及游戲的個人無人機將逐漸增多，同時市場也會迅速擴大。三、無人機的發(fā)展趨勢無人機技術發(fā)展迅猛，目前正處于突破性改進狀態(tài)。從技術發(fā)展情況看，可以分為七代，而當前的技術多數(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；第二代：靜態(tài)設計，固定攝像頭安裝，錄像和靜態(tài)照片，手動駕駛控制；第三代：靜態(tài)設計，雙軸萬向節(jié)，高清視頻，基本安全模式，輔助駕駛；第四代：革命性設計，三軸萬向節(jié)，1080p高清視頻或更高價值的儀器，改進的安全模式，自動駕駛模式；

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

項目名稱典型民生類機電設備任務名稱無人機課題多旋翼無人機的定義、結構組成及分類學時2學時教學目標1.掌握多旋翼無人機的定義及特點2了解多旋翼無人機的結構組成3.熟悉多旋翼無人機的分類重難點重點：多旋翼無人機的定義及特點難點：多旋翼無人機的結構組成主要教學內(nèi)容一、多旋翼無人機的定義及特點多旋翼無人機是一種具有三個及以上旋翼軸的特殊的無人駕駛直升機。如圖3-3-7所示。圖3-3-7航測式多旋翼無人機多旋翼無人機的優(yōu)點是：可定點懸停，操作簡單，起降場地要求不高；多旋翼無人機的缺點是：但是續(xù)航時間短，一般不超過30分鐘，航程也短。二、多旋翼無人機的結構組成多旋翼無人機的機身部件構成包括機臂、機身、任務部件和腳架。具體如圖3-3-8所示。主機身是多旋翼無人機的主體框架，需要注意的是機身裝有各種電子設備，所以應避免進水，保持外殼封閉，尤其是植保機工作環(huán)境相對嚴酷，在平常使用時應格外注意檢查外殼是否封閉。機電設備概論教學設計

主要教學內(nèi)容圖3-3-8多旋翼無人機的機身構成圖3-3-9植保機主機身內(nèi)部機臂是連接無人機主體與電機座的機身部件，根據(jù)多旋翼軸數(shù)的不同而擁有相應數(shù)量的機臂，同時在一些Y型結構的多旋翼結構當中，還存在主臂與小臂。如圖3-3-10所示。

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

主要教學內(nèi)容四旋翼無人機（如圖3-3-12所示）是一種具有四個螺旋槳的飛行器，并且四個螺旋槳呈十字形交叉結構，相對的四旋翼具有相同的旋轉方向，分兩組，兩組的旋轉方向不同。四旋翼直升機通過改變螺旋槳的速度來實現(xiàn)各種動作。四旋翼無人機結構簡單，是小型無人機最常見的結構。但是沒有動力冗余，任何一個電機出現(xiàn)問題停轉都將無法控制。圖3-3-12四旋翼無人機六旋翼無人機（如圖3-3-14所示）和四軸無人機相比，可在一電機停轉情況下懸停，安全系數(shù)高。圖3-3-13森林火災防護六旋翼無人機八旋翼無人機（如圖3-3-14所示），最多可在不相鄰兩電機停轉情況下懸停，安全系數(shù)更高。

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

機電設備概論教學設計項目名稱典型民生類機電設備任務名稱無人機課題多旋翼無人機的飛行原理及應用學時2學時教學目標1.掌握多旋翼無人機的飛行原理2.了解多旋翼無人機的應用重難點重點：多旋翼無人機的飛行原理難點：多旋翼無人機的飛行原理主要教學內(nèi)容一、多旋翼無人機的飛行原理多旋翼無人機是通過每個軸上的電動機的轉動，帶動旋翼旋轉，從而產(chǎn)生推力，并通過改變不同旋翼之間的相對轉速，改變每根單軸的推進力大小，進而改變飛行器的運行軌跡，同時通過多組旋翼之間的相對旋轉來互相抵消反扭力，從而完成規(guī)定軌跡的飛行任務。如圖3-3-15所示，M1是逆時針旋轉，則M2必定是順時針旋轉；M3是逆時針旋轉，則M4必定是順時針旋轉，多旋翼相鄰螺旋槳轉向相反。圖3-3-15多旋翼無人機相鄰螺旋槳轉向相反飛行方式：多旋翼無人機通過各個旋翼之間的轉速差別實現(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、逆時針旋轉）方式俯仰（前進、后退）方式；橫滾（左右平移）方式

主要教學內(nèi)容圖3-3-16多旋翼無人機的飛行方式操縱搖桿：多旋翼無人機通過操縱搖桿，實現(xiàn)對無人機動作的控制，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最為常見的搖桿模式，油門在遙控器左側。日本手油門在遙控器右側。在操作嶄新或陌生的多旋翼無人機之前一定要確認搖桿模式，否則在操作過程中會出現(xiàn)很嚴重的安全問題。圖3-3-17美國手

主要教學內(nèi)容圖3-3-18日本手總體框架：多旋翼無人機總體框架，由鏈路系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)、飛行器平臺和任務設備組成（如圖3-3-19所示）。圖3-3-19多旋翼無人機總體框架二、多旋翼無人機的鏈路通訊系統(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。通訊鏈路的主要構成包括地面端與天空端。地面端需要將控制信號以及任務指令發(fā)到飛行器（天空端），飛行器則需將飛行器的狀態(tài)以及任務設備的狀態(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)的注意事項是天線必須展開，天線如不展開，將會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，天線頂端與底端的信號最差，天線應與飛行器保持平行(手握遙控器時是指向天空），如圖所示3-3-21所示。圖3-3-21天線的展開方式三、多旋翼無人機的飛控系統(tǒng)飛行控制系統(tǒng)的主要功能是控制飛機達到期望姿態(tài)和空間位置，所以這部分的感知技術主要測量飛機運動狀態(tài)相關的物理量，涉及的模塊包括陀螺儀、加速度計、磁羅盤、氣壓計、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）：通過地球磁場獲得方向信息。IMU（慣性導航單元）：感知無人機姿態(tài)。

主要教學內(nèi)容主控：是電腦的CPU、人類的大腦，是實現(xiàn)無人機控制的關鍵設備、實現(xiàn)無人機所有功能的核心中樞。圖3-3-22飛控系統(tǒng)的工作原理四、多旋翼無人機的動力系統(tǒng)多旋翼無人機動力系統(tǒng)由電機、電調(diào)和螺旋槳充電器和鋰電池構成（如圖3-3—23所示），其基本原理是由電調(diào)驅動電機帶動螺旋槳旋轉，螺旋槳產(chǎn)生向上的拉力，帶動無人機向上飛行。圖3-3-23動力系統(tǒng)組成

主要教學內(nèi)容電調(diào)和電機是無人機動力系統(tǒng)的核心，對于無人機的整體穩(wěn)定性和動態(tài)特性起著關鍵的作用。電調(diào)是電子調(diào)速器的簡稱，英文簡稱ESC（ElectronicSpeed

Control），作用是控制電機的運行，根據(jù)電機是否帶物理換向器，分為有刷