机电设备概论-第2版3.3任务三教学设计(无人机)

项目名称典型民生类机电设备任务名称无人机课题无人机的分类、应用及发展趋势学时2学时教学目标1.熟悉无人机的分类标准2掌握无人机不同标准下的分类3.了解无人机的应用和发展趋势重难点重点：熟悉无人机的分类标准难点：掌握无人机不同标准下的分类主要教学内容无人机有狭义和广义之分，狭义上的无人机是指无人驾驶航空器，（简称，UAV）也叫无人航空器，广义上的无人机是指所有不需要驾驶员登机驾驶的各式遥控或自主智能航空器。无人机系统主要包括无人机机体、飞控系统、数据链系统、发射回收系统、电源系统等。如图3-3-1所示。图3-3-1无人机系统无人机系统驾驶员,是指无人机实际操作人员,在飞行期间全程负责操作起降、飞行、发送指令的人。运营人指对无人机的运行负有必不可少职责并在飞行期间适时操纵飞行的人。无人机系统的机长,是指在系统运行时间内负责整个无人机系统运行和安全的驾驶员。无人系统驾驶员、运营人及无人机系统机长在无人机运行过程中共同承担起无人机安全运行及顺利实现工作任务的责任。机电设备概论教学设计

主要教学内容一、无人机的分类近年来，国内外无人机相关技术飞速发展，无人机系统种类繁多、用途广泛、特点鲜明,致使其在尺寸、质量、航程、航时、飞行高度、飞行速度、性能以及任务等多方面都有较大差异。由于无人机的多样性，出于不同的考量会有不同的分类方法,且不同的分类方法相互交叉、边界模糊。无人机可按飞行平台构型、用途、尺度、活动半径、任务高度等不同方法进行分类。1.按不同平台构型来分类：无人机可主要有固定翼无人机（如图3-3-2所示）、无人直升机（如图3-3-3所示）和多旋翼无人机（如图3-3-4所示）三大平台，其它小种类无人机平台还包括伞翼无人机、扑翼无人机和无人飞船等。图3-3-2固定翼无人机图3-3-3无人直升机固定翼无人机是军用和多数民用无人机的主流平台，最大特点是飞行速度较快；无人直升机是灵活性最强的无人机平台，可以原地垂直起飞和悬停；

主要教学内容多旋翼（多轴）无人机是消费级和部分民用用途的首选平台，灵活性介于固定翼和直升机中间（起降需要推力），但操纵简单、成本较低。图3-3-4多旋翼无人机2.按用途分类分为军用无人机和民用无人机。军用无人机可分为侦察无人机、诱饵无人机、电子对抗无人机、通信中继无人机、无人战斗机以及靶机等;民用无人机可分为巡查/监视无人机、农用无人机、气象无人机、勘探无人机以及测绘无人机等。3.按尺度分类(民航法规)根据运行风险大小,民用无人机分为微型、轻型、小型、中型、大型。图3-3-5扑翼式微型无人机图3-3-6航测轻型无人机4.按活动半径分类无人机可分为超近程无人机、近程无人机、短程无人机、中程无人机和远程无人机。

主要教学内容超近程无人机活动半径在15km以内，近程无人机活动半径在15~50km之间，短程无人机活动半径在50~200km之间，中程无人机活动半径在200~800km之间，远程无人机活动半径大于800km。5.按任务高度分类分为超低空无人机、低空无人机、中空无人机、高空无人机和超高空无人机。超低空无人机任务高度一般在0~100m之间，低空无人机任务高度一般在100~1000m之间，中空无人机任务高度一般在1000~7000m之间,高空无人机任务高度一般在7000~18000m之间，超高空无人机任务高度一般大于18000m。二、无人机的应用目前无人机正在世界范围内广泛被采用，尤其是在军事领域、商业领域及个人生产生活领域应用的更为广泛。1.军事无人机技术军用无人机在当今世界正被广泛使用，它们可充当目标诱饵，并执行作战、研发以及侦查等任务，无人机已经成为世界军事力量的重要组成部分。2.商业无人机技术商用无人机正获得稳定的的发展势头，并已成为人们谈论的重要话题，因为多个行业正在使用无人机作为日常业务功能的一部分。比如自动为农田施肥，监测交通事故，测量难以到达的地方，甚至递送比萨饼等。3.个人无人机技术随着社会的不断发展进步，普通技术爱好者们购买、用于拍摄电影、录音、静物摄影以及游戏的个人无人机将逐渐增多，同时市场也会迅速扩大。三、无人机的发展趋势无人机技术发展迅猛，目前正处于突破性改进状态。从技术发展情况看，可以分为七代，而当前的技术多数处于第五代和第六代之间。第一代：各种形式的基本遥控飞机；第二代：静态设计，固定摄像头安装，录像和静态照片，手动驾驶控制；第三代：静态设计，双轴万向节，高清视频，基本安全模式，辅助驾驶；第四代：革命性设计，三轴万向节，1080p高清视频或更高价值的仪器，改进的安全模式，自动驾驶模式；

主要教学内容第五代：革命性设计，360度万向节，4K视频或更高价值的仪器，智能驾驶模式；第六代：商业适用性，符合安全与监管标准的设计，平台和有效载荷适应性，自动安全模式，智能驾驶模型和完全自主性，空域意识；下一代无人机，也就是第七代无人机正在被设计研发中，他将具有完整的商业性、自动安全模式和良好的隐身性能，完全符合安全和监管标准，可以完成自动起飞、安全着陆等各项工作任务。【想一想】什么是无人机？你所见过的无人机按照活动半径来分属于哪种类型？

项目名称典型民生类机电设备任务名称无人机课题多旋翼无人机的定义、结构组成及分类学时2学时教学目标1.掌握多旋翼无人机的定义及特点2了解多旋翼无人机的结构组成3.熟悉多旋翼无人机的分类重难点重点：多旋翼无人机的定义及特点难点：多旋翼无人机的结构组成主要教学内容一、多旋翼无人机的定义及特点多旋翼无人机是一种具有三个及以上旋翼轴的特殊的无人驾驶直升机。如图3-3-7所示。图3-3-7航测式多旋翼无人机多旋翼无人机的优点是：可定点悬停，操作简单，起降场地要求不高；多旋翼无人机的缺点是：但是续航时间短，一般不超过30分钟，航程也短。二、多旋翼无人机的结构组成多旋翼无人机的机身部件构成包括机臂、机身、任务部件和脚架。具体如图3-3-8所示。主机身是多旋翼无人机的主体框架，需要注意的是机身装有各种电子设备，所以应避免进水，保持外壳封闭，尤其是植保机工作环境相对严酷，在平常使用时应格外注意检查外壳是否封闭。机电设备概论教学设计

主要教学内容图3-3-8多旋翼无人机的机身构成图3-3-9植保机主机身内部机臂是连接无人机主体与电机座的机身部件，根据多旋翼轴数的不同而拥有相应数量的机臂，同时在一些Y型结构的多旋翼结构当中，还存在主臂与小臂。如图3-3-10所示。

主要教学内容图3-3-10独立机臂和大臂接小臂多旋翼无人机脚架主要作用在于支撑机身重量和提高桨叶离地距离，方便多旋翼起降时消耗和吸收多旋翼在着陆时的撞击力量。通常脚架的接地部分都会安装有减震材料。图3-3-11MG-1脚架三、多旋翼无人机的分类目前常见的多旋翼无人机包括四旋翼（也称四轴）无人机、六旋翼无人机和八旋翼无人机。

主要教学内容四旋翼无人机（如图3-3-12所示）是一种具有四个螺旋桨的飞行器，并且四个螺旋桨呈十字形交叉结构，相对的四旋翼具有相同的旋转方向，分两组，两组的旋转方向不同。四旋翼直升机通过改变螺旋桨的速度来实现各种动作。四旋翼无人机结构简单，是小型无人机最常见的结构。但是没有动力冗余，任何一个电机出现问题停转都将无法控制。图3-3-12四旋翼无人机六旋翼无人机（如图3-3-14所示）和四轴无人机相比，可在一电机停转情况下悬停，安全系数高。图3-3-13森林火灾防护六旋翼无人机八旋翼无人机（如图3-3-14所示），最多可在不相邻两电机停转情况下悬停，安全系数更高。

主要教学内容图3-3-14八旋翼无人机【想一想】请说一说身边见过的无人机是不是属于多旋翼，如果是多旋翼属于几旋翼？

机电设备概论教学设计项目名称典型民生类机电设备任务名称无人机课题多旋翼无人机的飞行原理及应用学时2学时教学目标1.掌握多旋翼无人机的飞行原理2.了解多旋翼无人机的应用重难点重点：多旋翼无人机的飞行原理难点：多旋翼无人机的飞行原理主要教学内容一、多旋翼无人机的飞行原理多旋翼无人机是通过每个轴上的电动机的转动，带动旋翼旋转，从而产生推力，并通过改变不同旋翼之间的相对转速，改变每根单轴的推进力大小，进而改变飞行器的运行轨迹，同时通过多组旋翼之间的相对旋转来互相抵消反扭力，从而完成规定轨迹的飞行任务。如图3-3-15所示，M1是逆时针旋转，则M2必定是顺时针旋转；M3是逆时针旋转，则M4必定是顺时针旋转，多旋翼相邻螺旋桨转向相反。图3-3-15多旋翼无人机相邻螺旋桨转向相反飞行方式：多旋翼无人机通过各个旋翼之间的转速差别实现以下飞行方式，如图3-3-16所示。垂直（上升、下降）方式；偏航（顺、逆时针旋转）方式俯仰（前进、后退）方式；横滚（左右平移）方式

主要教学内容图3-3-16多旋翼无人机的飞行方式操纵摇杆：多旋翼无人机通过操纵摇杆，实现对无人机动作的控制，摇杆模式主要分为美国手（如图3-3-17所示）和日本手（如图3-3-18所示）。美国手是多旋翼无人机最为常见的摇杆模式，油门在遥控器左侧。日本手油门在遥控器右侧。在操作崭新或陌生的多旋翼无人机之前一定要确认摇杆模式，否则在操作过程中会出现很严重的安全问题。图3-3-17美国手

主要教学内容图3-3-18日本手总体框架：多旋翼无人机总体框架，由链路系统、动力系统、飞控系统、飞行器平台和任务设备组成（如图3-3-19所示）。图3-3-19多旋翼无人机总体框架二、多旋翼无人机的链路通讯系统链路通讯系统主要用于多旋翼飞行器系统传输控制和载荷通讯的无线电链路，是飞行器与地面操纵人员之间沟通的桥梁。通讯链路的主要构成包括地面端与天空端。地面端需要将控制信号以及任务指令发到飞行器（天空端），飞行器则需将飞行器的状态以及任务设备的状态发送到地面端。地面端与天空端之间的联系如图3-3-20所示。

主要教学内容图3-3-20地面端与天空端之间的联系链路系统的注意事项是天线必须展开，天线如不展开，将会降低传输效果以及传输距离。另外，天线必须不能指向多旋翼无人机，天线顶端与底端的信号最差，天线应与飞行器保持平行(手握遥控器时是指向天空），如图所示3-3-21所示。图3-3-21天线的展开方式三、多旋翼无人机的飞控系统飞行控制系统的主要功能是控制飞机达到期望姿态和空间位置，所以这部分的感知技术主要测量飞机运动状态相关的物理量，涉及的模块包括陀螺仪、加速度计、磁罗盘、气压计、GNSS模块以及光流模块等（如图3-3-22所示）。其核心部件包括：GPS（全球定位系统）：通过卫星获得经纬度位置信息。磁罗盘（Compass）：通过地球磁场获得方向信息。IMU（惯性导航单元）：感知无人机姿态。

主要教学内容主控：是电脑的CPU、人类的大脑，是实现无人机控制的关键设备、实现无人机所有功能的核心中枢。图3-3-22飞控系统的工作原理四、多旋翼无人机的动力系统多旋翼无人机动力系统由电机、电调和螺旋桨充电器和锂电池构成（如图3-3—23所示），其基本原理是由电调驱动电机带动螺旋桨旋转，螺旋桨产生向上的拉力，带动无人机向上飞行。图3-3-23动力系统组成

主要教学内容电调和电机是无人机动力系统的核心，对于无人机的整体稳定性和动态特性起着关键的作用。电调是电子调速器的简称，英文简称ESC（ElectronicSpeed

Control），作用是控制电机的运行，根据电机是否带物理换向器，分为有刷