《无人机飞行控制技术》无人机应用技术专业全套教学课件

无人机飞行控制技术全套可编辑PPT课件项目1飞行状态感知与传感器应用项目2执行器控制项目3飞行控制算法实现与软件应用项目4导航与自主飞行项目5飞行控制系统调试飞行状态感知与传感器应用项目1项目导读传感器作为感知单元，是飞行控制系统闭环控制回路的起点。它负责为飞行控制系统提供姿态角、飞行速度、飞行高度、位置等飞行状态参数。深入理解这些参数的基本概念和测量方法，熟悉无人机中搭载的各类常见传感器，是掌握无人机飞行控制技术的重要前提。本项目将系统介绍无人机中常见传感器的相关知识，帮助学生全面认识飞行控制系统的感知单元，为后续深入学习飞行控制系统奠定坚实基础。技能目标知识目标素质目标能够关联传感器功能与无人机的飞行状态，判断传感器故障对无人机飞行状态的影响。能够根据飞行控制需求合理选用传感器。厚植科技报国情怀，增强社会责任感与使命感。培养严谨细致、求真务实的工匠精神。了解飞行状态参数的获取方式和输出形式。熟悉关键飞行状态参数的基本概念和测量方法。熟悉无人机中搭载的各类常见传感器。学习目标案例引入某物流公司使用无人机向山区村落配送生活物资。当无人机沿预设航线穿越峡谷时，受山体遮挡，定位信号突然中断。面对这一突发状况，无人机并未失控，而是切换为自主推算模式，依托机载传感器采集的数据继续沿预设航线飞行。案例引入多个传感器协同工作，为飞行控制系统提供了足够的飞行状态信息，确保无人机在定位信号中断期间依然能够平稳飞行。磁力计锁定地磁场方向，为飞行控制系统提供稳定的航向基准。IMU持续感知无人机的姿态变化，使飞行控制系统能够据此精确控制无人机的飞行姿态。气压计实时测量大气压力并推算飞行高度，防止无人机因高度信息丢失而撞山。案例引入无人机飞出峡谷后，定位信号恢复正常，飞行控制系统迅速将自主推算的位置信息与卫星定位结果进行融合校正。随后，无人机恢复正常导航功能，继续前往目的地执行配送任务。除了案例中提到的传感器，无人机还会搭载哪些传感器？1.1飞行状态参数测量基础1.2常见的传感器项目1飞行状态感知与传感器应用1.1飞行状态参数测量基础1.1飞行状态参数测量基础飞行状态参数是反映无人机飞行姿态、空间位置、动力响应等状态的核心指标。实时、准确地获取与输出无人机的各项飞行状态参数是实现稳定、精准飞行控制的前提。1.1飞行状态参数测量基础1.1.1飞行状态参数的获取方式无人机的飞行状态参数一般可通过直接测量和间接解算两种方式获取。1．直接测量直接测量是指通过无人机搭载的传感器直接获取飞行状态参数的测量方式。整个过程没有复杂的数学推导。优点响应速度快原理直观……适用场景对时效性要求较高的场景。1.1飞行状态参数测量基础1.1.1飞行状态参数的获取方式1．直接测量易受环境干扰而导致数据失真；传感器自身存在的温度漂移、噪声等误差也会叠加到直接测量结果中。在实际应用中需要定期对传感器进行校准，以维持直接测量结果的精度。注意事项因此1.1飞行状态参数测量基础1.1.1飞行状态参数的获取方式温度漂移是指传感器的输出信号随环境温度变化而产生非预期偏移的现象。温度漂移产生的误差通常与真实信号叠加在一起，难以区分，且随温度波动持续变化，会导致测量精度下降甚至系统失稳。在工程中，常通过定期对传感器进行校准、选用低漂移器件或内置温度传感器来抑制温度漂移。知识拓展1.1飞行状态参数测量基础1.1.1飞行状态参数的获取方式2．间接解算间接解算是指通过对多个传感器采集的原始数据进行数学建模、滤波或融合算法处理等，从而解算出无人机飞行状态参数的测量方式。间接解算可弥补直接测量存在的误差，获取无法由单一传感器直接测得的数据。适用场景复杂环境下的综合参数解算。1.1飞行状态参数测量基础1.1.1飞行状态参数的获取方式2．间接解算间接解算依赖复杂的数学模型，对处理器的计算能力要求较高且容易引入模型误差。在实际应用中需要持续优化数学模型，同时升级飞行控制系统的软硬件设备，以确保解算精度。注意事项因此间接解算是指通过对多个传感器采集的原始数据进行数学建模、滤波或融合算法处理等，从而解算出无人机飞行状态参数的测量方式。 （）√随堂小测1.1飞行状态参数测量基础1.1飞行状态参数测量基础1.1.2飞行状态参数的输出形式传感器感知到的无人机飞行状态信息最终都会以电信号的形式传递给飞行控制系统，根据取值特征不同1．模拟信号2．数字信号模拟信号是指在一定范围内连续变化的信号，如连续变化的电压、电流等。在无人机中，传感器直接输出的原始信号通常为模拟信号。模拟信号具有无限多个取值，可以动态反映被测参数的实际变化情况，但其在传输和处理过程中容易受到电磁干扰、线缆噪声和温度漂移等影响，导致信号失真。1.1飞行状态参数测量基础1.1.2飞行状态参数的输出形式传感器感知到的无人机飞行状态信息最终都会以电信号的形式传递给飞行控制系统，根据取值特征不同1．模拟信号2．数字信号模拟信号难以直接由飞行控制计算机进行存储和运算处理。在飞行控制系统中，基本上不存在单纯由模拟信号建立的信号链路。通常情况下，模拟信号仅作为传感器的原始输出，需要通过模数转换器转换成数字信号后，才能送入飞行控制计算机进行存储和运算处理。1.1飞行状态参数测量基础1.1.2飞行状态参数的输出形式传感器感知到的无人机飞行状态信息最终都会以电信号的形式传递给飞行控制系统，根据取值特征不同1．模拟信号2．数字信号数字信号是指在一定范围内离散变化的信号，它通常用二进制数表示。优点抗干扰能力强便于存储和处理可实现远距离精确传输对数字信号精度影响较大的因素是什么？1.1飞行状态参数测量基础1.1.2飞行状态参数的输出形式传感器感知到的无人机飞行状态信息最终都会以电信号的形式传递给飞行控制系统，根据取值特征不同1．模拟信号2．数字信号数字信号精度受采样率影响较大。采样率设置过高会产生较大的数据量，这就需要飞行控制计算机具备更高的处理性能和存储能力。采样率设置过低会产生频谱混叠，影响数据精度。1.1飞行状态参数测量基础1.1.3关键飞行状态参数01姿态角03飞行高度02飞行速度04位置1.1飞行状态参数测量基础1.1.3关键飞行状态参数1．姿态角姿态角是反映无人机相对地面姿态的参数，是保证无人机稳定悬停、平稳飞行和精确导航的关键数据。几乎所有的控制律解算都以姿态角的实时估计为基础。在进一步认识姿态角之前，我们先来了解什么是机体坐标系。1.1飞行状态参数测量基础1.1.3关键飞行状态参数1．姿态角机体坐标系是指固定在无人机上，且遵循右手法则的三维正交直角坐标系。机体坐标系的原点位于无人机的质心。OX轴位于无人机纵向对称面内，平行于机身轴线并指向无人机前方。OY轴垂直于无人机纵向对称面并指向无人机右方。OZ轴位于无人机纵向对称面内，垂直于XOY平面并指向无人机下方。机体坐标系与无人机的转动形式1.1飞行状态参数测量基础1.1.3关键飞行状态参数1．姿态角1）姿态角的组成无人机绕机体坐标系各轴的转动包括滚转、俯仰和偏航三种形式。相应地，姿态角包括滚转角、俯仰角和偏航角。机体坐标系与无人机的转动形式1.1飞行状态参数测量基础1.1.3关键飞行状态参数1．姿态角1）姿态角的组成（1）滚转角

机体坐标系与无人机的转动形式1.1飞行状态参数测量基础1.1.3关键飞行状态参数1．姿态角1）姿态角的组成（2）俯仰角

机体坐标系与无人机的转动形式1.1飞行状态参数测量基础1.1.3关键飞行状态参数1．姿态角1）姿态角的组成（3）偏航角

机体坐标系与无人机的转动形式1.1飞行状态参数测量基础1.1.3关键飞行状态参数除了机体坐标系，常见的用于描述无人机空间运动的坐标系还有地面坐标系。地面坐标系是指相对于地球表面固定，且遵循右手法则的三维正交直角坐标系。如图所示，地面坐标系的原点O可取地面任意选定点；OX轴位于地面平面内，指向任意选定方向（通常为正北方）；OZ轴铅锤向下；OY轴位于地面平面内，垂直于XOZ平面。当忽略地球自转和地球质心的曲线运动时，该坐标系可被视为惯性坐标系。知识拓展地面坐标系1.1飞行状态参数测量基础1.1.3关键飞行状态参数1．姿态角2）姿态角的测量方法（1）角速度积分法（2）矢量投影法角速度积分法是指通过获取无人机绕机体坐标系各轴转动的瞬时角速度，并对其进行时间积分，从而得到姿态角的方法。特点该方法具有较高的动态精度，能捕捉无人机的瞬时姿态变化。注意事项利用角速度积分法测量姿态角时，测量误差会随时间不断累积，导致姿态角持续漂移，因此测量前需要对设备进行初始校准。1.1飞行状态参数测量基础1.1.3关键飞行状态参数1．姿态角2）姿态角的测量方法（1）角速度积分法（2）矢量投影法由于无人机所受重力的方向始终竖直向下，而地磁场的指向也相对固定，因此可以采用矢量投影法，利用重力矢量和地磁矢量在机体坐标系中的投影分量解算出姿态角。特点该方法具有较高的静态精度，不存在误差累积的问题。注意事项由于该方法的动态精度较低，因此当无人机加速、转弯或抖动时，姿态角可能估计错误。1.1飞行状态参数测量基础1.1.3关键飞行状态参数1．姿态角2）姿态角的测量方法想一想，在实际应用中，如何利用这两种方法来测量姿态角？在实际应用中，通常将上述两种方法融合，利用角速度积分法获得动态姿态角，利用矢量投影法不断修正累积误差，从而获得高精度、实时的无人机姿态角数据。1.1飞行状态参数测量基础1.1.3关键飞行状态参数2．飞行速度飞行速度是指无人机在单位时间内飞行的距离。根据参考系不同，飞行速度可分为空速和地速。1.1飞行状态参数测量基础1.1.3关键飞行状态参数2．飞行速度1）空速空速是指无人机相对于周围气流的飞行速度，它主要反映无人机在气流中的运动状态。根据误差修正内容不同，空速可分为指示空速、校正空速、当量空速和真空速。空速类型定义应用场景指示空速又称表速，是由仪表直接测得并基于海平面标准大气条件换算得到的空速，未经过任何修正在无人机起飞、着陆、失速等状态下，作为操控员和飞行控制系统判断无人机气动性能的主要依据校正空速是在指示空速的基础上，修正了仪表误差和安装位置误差后的空速用于无人机爬升率、燃油效率等飞行性能参数的计算，或作为机载系统的输入参数当量空速是在校正空速的基础上，修正了空气压缩性误差后的空速用于确定无人机的设计速度，如巡航速度、俯冲速度，或用于无人机高速飞行性能分析真空速是在当量空速的基础上，考虑了空气相对密度影响的空速，是无人机相对于周围气流的真实飞行速度用于导航、飞行计划制订和地速计算，是飞行管理和任务规划中最关键的参数之一空速的定义和应用场景1.1飞行状态参数测量基础1.1.3关键飞行状态参数2．飞行速度1）空速空速可以如何测量？测量空速时，可先测量无人机飞行时气流的总压和静压之差，再结合空气密度，利用伯努利方程进行求解。1.1飞行状态参数测量基础1.1.3关键飞行状态参数2．飞行速度2）地速地速是指无人机相对于地面的飞行速度，是真空速与风速的矢量和。当无人机顺风飞行时，地速为真空速与风速之和；当无人机逆风飞行时，地速为真空速与风速之差。常用场景无人机导航续航时间估算航测任务执行返航与降落规划……地速是实现无人机精确飞行控制与飞行任务执行的关键参数。1.1飞行状态参数测量基础1.1.3关键飞行状态参数2．飞行速度2）地速测量地速的方法先测量无人机沿机体坐标系各轴的瞬时加速度，剔除重力加速度分量后，再对其进行时间积分求解。发射无线电信号并接收回波信号，对比收发频率的偏移量或信号传播时间差并进行解算。01021.1飞行状态参数测量基础1.1.3关键飞行状态参数

知识拓展1.1飞行状态参数测量基础1.1.3关键飞行状态参数3．飞行高度根据选取的基准面不同，无人机的飞行高度可分为标准气压高度、相对高度、绝对高度和真实高度。无人机的飞行高度（1）标准气压高度无人机与标准气压等压面之间的垂直距离。1.1飞行状态参数测量基础1.1.3关键飞行状态参数3．飞行高度根据选取的基准面不同，无人机的飞行高度可分为标准气压高度、相对高度、绝对高度和真实高度。无人机的飞行高度（2）相对高度无人机与某一固定机场平面之间的垂直距离。1.1飞行状态参数测量基础1.1.3关键飞行状态参数3．飞行高度根据选取的基准面不同，无人机的飞行高度可分为标准气压高度、相对高度、绝对高度和真实高度。无人机的飞行高度（3）绝对高度无人机与平均海平面之间的垂直距离。1.1飞行状态参数测量基础1.1.3关键飞行状态参数3．飞行高度根据选取的基准面不同，无人机的飞行高度可分为标准气压高度、相对高度、绝对高度和真实高度。无人机的飞行高度（4）真实高度无人机与地面目标之间的垂直距离。1.1飞行状态参数测量基础1.1.3关键飞行状态参数3．飞行高度飞行高度的测量方法利用大气压力随高度的变化规律，根据标准大气模型换算出标准气压高度。01通过发射电磁波或声波并接收回波信号，测量收发时间差，从而解算出真实高度。02通过引入机场标准气压高度、机场标高、地点标高等参数，结合国际标准大气模型，换算出相对高度、绝对高度、真实高度。031.1飞行状态参数测量基础1.1.3关键飞行状态参数4．位置根据选取的参考基准不同，无人机的位置可分为绝对位置和相对位置。1.1飞行状态参数测量基础1.1.3关键飞行状态参数4．位置1）绝对位置绝对位置是指无人机在地理空间中的唯一位置，其参考基准是固定不变的、全球统一的坐标系，如地理坐标系等。绝对位置通常用经度、纬度和绝对高度来描述，可反映无人机相对于地球的固定位置，是进行全局导航、跨区域任务规划等的核心参数。思考一下，如何得到无人机的绝对位置？1.1飞行状态参数测量基础1.1.3关键飞行状态参数4．位置1）绝对位置在有卫星信号的情况下，可通过测量无人机与多颗卫星之间信号传播的时间差，结合卫星的精确轨道参数解算得到无人机的绝对位置。01在无卫星信号的情况下，则可利用加速度和姿态角数据计算出无人机相对于初始位置的偏移量，并结合初始位置和外部参考对结果进行修正，最终得到无人机的绝对位置。021.1飞行状态参数测量基础1.1.3关键飞行状态参数4．位置2）相对位置相对位置是指无人机相对于人为选定局部参照物的位置。参考基准：局部固定参照物（如起飞点、地面固定标靶等）动态运动参照物（如飞行的其他无人机、移动舰船等）相对位置通常用距离、方位角、高度差等指标描述，可反映无人机在局部空间中的相对运动情况，是进行编队飞行、近距离协同作业、精准避障、目标跟踪等的核心参数。1.1飞行状态参数测量基础1.1.3关键飞行状态参数4．位置2）相对位置相对位置可通过分析无人机与参照物或周围环境的空间关系来确定。例如，将无人机不同时刻的运动状态或环境特征数据与预存的航拍图像或卫星正射影像进行匹配，可以推算出无人机的相对位置。绝对位置是指无人机相对于某一参照物的位置，相对位置是指无人机在地理空间中的唯一坐标定位。

（）×随堂小测1.1飞行状态参数测量基础1.1飞行状态参数测量基础1.1.3关键飞行状态参数以上介绍的无人机绝对位置和相对位置的确定方法是较为经典的无人机定位方法。近年来，随着计算机视觉技术的突破，基于摄像头的视觉定位迅速发展。视觉定位是指通过无人机搭载的摄像头获取环境图像，并利用计算机视觉和图像处理算法来确定无人机位置的技术。视觉定位不依赖卫星信号，适用于室内、地下、密林、峡谷、隧道等场景。传统视觉定位依赖人工设计的算法来寻找图像的特征点，图像识别精度较低，而AI技术的融入赋予无人机自主识别和理解能力。例如，基于卷积神经网络模型和单阶段目标检测算法，无人机能够依靠普通摄像头实时构建三维环境地图，实现厘米级定位精度；基于多模态感知融合技术，无人机能够将不同传感器获取的数据与视觉特征深度耦合，提高识别精度，在弱纹理、低光照的环境中也能精准定位。AI赋能1.2常见的传感器1.2常见的传感器无人机中搭载的传感器主要包括：姿态传感器速度传感器高度传感器位置传感器……1.2常见的传感器1.2.1姿态传感器你知道的姿态传感器有哪些？他们可以直接测量姿态角吗？1.2常见的传感器1.2.1姿态传感器常见的姿态传感器有陀螺仪、加速度计、磁力计和IMU（惯性测量单元）。这些传感器均无法直接测量无人机的姿态角，而是通过测量无人机的角速度、加速度或地磁场矢量沿机体坐标系各轴的磁场强度分量，再经积分运算、坐标变换、多源融合等处理后，间接解算出姿态角。1.2常见的传感器1.2.1姿态传感器1．陀螺仪陀螺仪是用于测量无人机角速度的传感器。常见的陀螺仪机械陀螺仪MEMS陀螺仪光学陀螺仪1.2常见的传感器1.2.1姿态传感器1．陀螺仪1）机械陀螺仪 （a）实物

（b）工作原理机械陀螺仪机械陀螺仪的内部有一个可高速旋转的转子，该转子通过内环和外环安装在无人机上，并能够绕自转轴、内转轴和外框轴旋转。1.2常见的传感器1.2.1姿态传感器1．陀螺仪1）机械陀螺仪机械陀螺仪基于角动量守恒定律工作当机械陀螺仪不发生偏转时，转子绕自转轴高速旋转；当机械陀螺仪受到外力矩作用发生偏转时，其支承随之偏转，而由于角动量的存在，转子并不会沿外力矩方向直接偏转，而是会产生一个垂直于外力矩与自转轴所构成平面的进动，进而带动内环绕内转轴、外环绕外框轴偏转。

通过测量转子、内环和外环的偏转或进动情况，即可解算出角速度。优点技术成熟、可靠性强不足结构复杂、体积大、易磨损且造价高，已基本被MEMS陀螺仪和光学陀螺仪取代。1.2常见的传感器1.2.1姿态传感器1．陀螺仪2）MEMS陀螺仪MEMS陀螺仪是基于MEMS（微机电系统）技术制造的传感器。与机械陀螺仪不同，MEMS陀螺仪的核心是一组振动结构。MEMS陀螺仪基于科里奥利力工作你了解什么是科里奥利力吗？1.2常见的传感器1.2.1姿态传感器1．陀螺仪2）MEMS陀螺仪科里奥利力以首先研究它的法国数学家科里奥利命名，主要用于描述旋转体系中进行直线运动的质点因惯性相对于旋转体系产生直线运动偏移的现象。以旋转体系为参照系，这种质点的直线运动偏离原有方向的倾向被归结为一个外加惯性力的作用，该外加惯性力就是科里奥利力。当一个物体做周期运动（振荡或旋转）时，如果其在正交平面内发生旋转，则在与物体周期运动垂直的方向上会产生科里奥利力。1.2常见的传感器1.2.1姿态传感器1．陀螺仪2）MEMS陀螺仪（a）MEMS陀螺仪的简化图（b）MEMS陀螺仪不发生旋转（c）MEMS陀螺仪发生旋转MEMS陀螺仪的工作原理MEMS陀螺仪基于科里奥利力工作当MEMS陀螺仪不发生旋转时，其中的微质量块进行高频往复振动；当MEMS陀螺仪发生旋转时，其中的微质量块会在科里奥利力的作用下，产生垂直于振动方向的微小位移，通过测量这个微小位移，即可解算出角速度。1.2常见的传感器1.2.1姿态传感器1．陀螺仪2）MEMS陀螺仪优点体积小重量轻造价低功耗低易于集成……不足由于MEMS陀螺仪的精度和稳定性相对较弱，其性能易受温度变化和内部应力的影响，因此在实际应用时需要借助复杂算法进行误差补偿。已成为无人机、手机等设备中搭载的主流产品。1.2常见的传感器1.2.1姿态传感器1．陀螺仪3）光学陀螺仪光学陀螺仪基于萨奈克效应工作在一个任意几何形状的闭合光路中，从同一光源同时出发的两束光沿相反方向运行一周后又回到原点时，这两束光经历的光程差与闭合光路相对惯性空间的转动角速率成正比，这就是萨奈克效应。什么是萨奈克效应？1.2常见的传感器1.2.1姿态传感器1．陀螺仪3）光学陀螺仪根据光源和核心结构不同（1）激光陀螺仪（2）光纤陀螺仪激光陀螺仪的工作原理激光陀螺仪的核心结构是一个三角形激光谐振腔。工作时，激光器同时产生顺时针和逆时针传播的两束激光。当激光陀螺仪发生旋转时，这两束激光会在激光谐振腔内因萨奈克效应产生光程差。从激光谐振腔中引出这两束激光，使其在合光处形成干涉，通过测量干涉条纹即可解算出角速度。1.2常见的传感器1.2.1姿态传感器1．陀螺仪3）光学陀螺仪根据光源和核心结构不同（1）激光陀螺仪（2）光纤陀螺仪光纤陀螺仪的工作原理光纤陀螺仪的工作原理如图所示。它用长光纤线圈替代激光陀螺仪的激光谐振腔，通过检测光程差（干涉式）或共振频率差（谐振式）来解算角速度。1.2常见的传感器1.2.1姿态传感器1．陀螺仪3）光学陀螺仪优点有使用寿命长可靠性和精度高启动时间短动态范围宽……不足由于其体积大、造价高，因此主要应用于军事、航空航天等领域的大型无人机。1.2常见的传感器1.2.1姿态传感器2．加速度计加速度计是测量无人机加速度的传感器。加速度计的基本工作原理基于牛顿第二定律，通过测量与加速度相关的物理量（如力、位移、形变或光信号变化等）解算出无人机的加速度。常见的加速度计机械加速度计MEMS加速度计光纤加速度计MEMS陀螺仪的精度和稳定性相对较弱，其性能易受温度变化和内部应力的影响。 （）√随堂小测1.2常见的传感器1.2常见的传感器1.2.1姿态传感器2．加速度计1）机械加速度计机械加速度计的工作原理机械加速度计内部设置有可活动的质量块与弹性支承，如果将其简化成如图所示的结构，那么当机械加速度计向上运动时，质量块会因惯性产生向下的位移，通过测量该位移，即可解算出加速度。优点结构简单可靠性高……不足体积、重量和功耗较大，无法满足现代无人机小型化、集成化的需求，目前已基本被淘汰。1.2常见的传感器1.2.1姿态传感器2．加速度计2）MEMS加速度计MEMS加速度计采用微加工技术，将质量块、弹性支承等关键部件集成于芯片内。当MEMS加速度计受到加速度作用时，其内部的质量块会因惯性产生位移或发生形变，进而改变其与固定电极的间距或相对位置（电容变化），从而引起电压变化。通过测量电压信号，即可解算出无人机的加速度。优点体积小重量轻造价低功耗低易于集成……是绝大多数民用无人机与工业级无人机的核心传感器之一。不足MEMS加速度计的测量范围相对有限，且易受温度漂移的影响，因此在实际应用中必须对其进行严格标定和温度补偿，以保障测量精度。1.2常见的传感器1.2.1姿态传感器对于MEMS加速度计，温度漂移主要体现在两个方面：一是零点漂移，即在静止状态下，MEMS加速度计的输出值会随着温度变化而偏离零点；二是灵敏度漂移，即MEMS加速度计的灵敏度会随温度发生变化。因此，MEMS加速度计必须通过温度补偿（如在芯片内集成温度传感器并建立补偿模型）实时修正温度漂移，从而获得准确的加速度数据。知识拓展1.2常见的传感器1.2.1姿态传感器2．加速度计3）光纤加速度计光纤加速度计是利用光在光纤中的传输特性来测量加速度的。常见的光纤加速度计（1）光强调制型加速度计内部有一个对加速度敏感的机械结构。当光强调制型加速度计受到加速度作用时，光纤或相关结构（如质量块、反射镜）会产生位移或发生形变，进而导致光强改变，通过测量光强变化即可解算出加速度。（2）相位调制型加速度计内部有参考光路和敏感光路两条光路。当相位调制型加速度计受到加速度作用时，敏感光路的光纤产生位移或发生形变，从而改变内部光的相位，而参考光路中光的相位则不会变化。当两束光最终合束时，会因相位差而产生干涉，通过测量干涉条纹即可解算出加速度。1.2常见的传感器1.2.1姿态传感器2．加速度计3）光纤加速度计优点灵敏度高抗电磁干扰能力强耐高温耐腐蚀……不足由于其结构复杂、体积大、造价高、功耗大，因此主要应用于高端军用无人机，以及执行特殊测绘、科学探测任务的专业无人机。1.2常见的传感器1.2.1姿态传感器3．磁力计磁力计主要利用地磁场的矢量特性，将无人机所在位置的地磁场强度与方向转换为相应比例的电压信号，从而推算出地磁场矢量沿机体坐标系各轴的磁场强度分量。常见的磁力计1）磁阻式磁力计2）霍尔效应磁力计3）磁通门磁力计工作原理磁阻式磁力计利用磁阻元件的电阻随外部磁场变化的特性采集地磁场信息。当无人机姿态发生变化时，地磁场在磁阻元件上的投影分量随之改变，导致磁阻元件的电阻发生变化，磁阻式磁力计将电阻变化转换为电压信号，并根据电压信号解算出地磁场矢量沿机体坐标系各轴的磁场强度分量。1.2常见的传感器1.2.1姿态传感器3．磁力计磁力计主要利用地磁场的矢量特性，将无人机所在位置的地磁场强度与方向转换为相应比例的电压信号，从而推算出地磁场矢量沿机体坐标系各轴的磁场强度分量。常见的磁力计1）磁阻式磁力计2）霍尔效应磁力计3）磁通门磁力计优点磁阻式磁力计是无人机中最常见的磁力计之一，具有精度高、功耗低、体积小、造价低等优点，非常适合集成在小型无人机中。不足磁阻式磁力计对温度变化敏感，且容易受到环境磁场的干扰，需要对其进行定期校准。1.2常见的传感器1.2.1姿态传感器3．磁力计磁力计主要利用地磁场的矢量特性，将无人机所在位置的地磁场强度与方向转换为相应比例的电压信号，从而推算出地磁场矢量沿机体坐标系各轴的磁场强度分量。常见的磁力计1）磁阻式磁力计2）霍尔效应磁力计3）磁通门磁力计工作原理霍尔效应磁力计利用半导体元件中载流子在磁场中受洛伦兹力会发生偏转的原理，使得半导体元件两端产生霍尔电压，从而感知地磁场信息。当无人机姿态发生变化时，穿过霍尔效应磁力计中半导体元件的地磁场投影分量随之改变，使得半导体元件两端产生的霍尔电压发生改变。测量该霍尔电压的大小，即可解算出地磁场矢量沿机体坐标系各轴的磁场强度分量。1.2常见的传感器1.2.1姿态传感器3．磁力计磁力计主要利用地磁场的矢量特性，将无人机所在位置的地磁场强度与方向转换为相应比例的电压信号，从而推算出地磁场矢量沿机体坐标系各轴的磁场强度分量。常见的磁力计1）磁阻式磁力计2）霍尔效应磁力计3）磁通门磁力计优点霍尔效应磁力计具有响应速度快、结构简单、功耗低、造价低等优点。不足其精度较低、抗干扰能力较弱，多应用于低成本无人机。1.2常见的传感器1.2.1姿态传感器3．磁力计磁力计主要利用地磁场的矢量特性，将无人机所在位置的地磁场强度与方向转换为相应比例的电压信号，从而推算出地磁场矢量沿机体坐标系各轴的磁场强度分量。常见的磁力计1）磁阻式磁力计2）霍尔效应磁力计3）磁通门磁力计工作原理磁通门磁力计是利用高磁导率材料的磁饱和非线性特性工作的。磁通门磁力计中的磁芯在交变激励电流的驱动下周期性饱和。当无人机发生姿态变化时，地磁场在磁芯上的投影分量也随之变化，使得上述饱和过程发生偏移，感应线圈随即输出相应的二次谐波电压信号。对该信号进行解调，即可得到地磁场矢量沿机体坐标系各轴的磁场强度分量。1.2常见的传感器1.2.1姿态传感器3．磁力计磁力计主要利用地磁场的矢量特性，将无人机所在位置的地磁场强度与方向转换为相应比例的电压信号，从而推算出地磁场矢量沿机体坐标系各轴的磁场强度分量。常见的磁力计1）磁阻式磁力计2）霍尔效应磁力计3）磁通门磁力计优点磁通门磁力计具有精度高、稳定性好等优点。不足体积和功耗较大、成本较高，通常搭载在用于地磁测绘与勘探、考古调查、地质研究等工作的大型无人机上。1.2常见的传感器1.2.1姿态传感器4．IMUIMU并非一个单一的传感器，而是集成多种传感器的组合测量装置，其核心是三轴陀螺仪和三轴加速度计。用于测量无人机绕机体坐标系各轴转动的角速度。用于测量无人机沿机体坐标系各轴运动的加速度。部分高性能IMU还会集成温度传感器，用于补偿环境温度对传感器精度的影响。通过对IMU测得的角速度和加速度数据进行解算，不仅能得到无人机的姿态角，还能得到无人机的飞行速度、位置等信息。1.2常见的传感器1.2.2速度传感器你知道的速度传感器有哪些？常见的速度传感器有空速传感器和马赫数传感器。1.2常见的传感器1.2.2速度传感器1．空速传感器空速传感器的结构如下图。空速管在正对气流开口处开有一个总压孔，同时在侧面设有若干个圆形静压孔，气流从总压孔和静压孔进入空速管，并分别从总压管和静压管引入开口膜盒内部和密封的空速传感器壳体内部。当无人机飞行时，开口膜盒内部为总压，壳体内部为静压，二者的压强差就是动压。动压作用于开口膜盒使其变形，该变形经放大传动机构转换成较大的位移，驱动电位计输出与位移成比例的电信号，测量该电信号即可解算出空速。1.2常见的传感器在静压和气温一定的情况下，动压的大小取决于空速的大小，所以开口膜盒的变形量可以反映无人机当时的指示空速。在实际应用中，由于气温和大气的静压并不是恒定不变的，它们会因飞行高度、地理位置、天气而发生变化，因此需要对指示空速进行修正才能得到真空速。知识拓展1.2.2速度传感器1.2常见的传感器1.2.2速度传感器2．马赫数传感器马赫数传感器由多种设备集成空速传感器用于测量气流的总压和静压，为马赫数的计算提供核心数据。总温探头用于测量实际气流温度，以修正声速，避免因温度误差导致马赫数偏差。大气数据计算机用于接收和处理总压、静压、气流温度数据，并输出马赫数。……1.2常见的传感器1.2.3高度传感器常见的高度传感器名称气压计超声波传感器激光传感器工作原理根据大气压力随高度升高而减小的规律，按国际标准大气模型换算飞行高度发射超声波脉冲并接收反射回波，利用声波往返的时间差解算飞行高度发射激光束并接收反射回波，利用激光往返时间差或相位差解算飞行高度测量的

飞行高度类型标准气压高度、相对高度、绝对高度相对高度、真实高度相对高度、真实高度优点体积小、功耗低、造价低、稳定性强、量程大、受障碍物影响小造价低、低空测距精度高、抗电磁干扰能力强精度高、响应快、指向性好，抗光、抗电磁干扰能力强缺点易受天气、气压波动和温度影响；精度有限，需要进行温度补偿与场压修正；无法测量真实高度量程小，易受空气介质、风、雨、雪、灰尘与超声噪声的影响体积大、造价高；在浓雾、大雨等极端天气条件下，或面对强吸光物体时可能失效适用场景作为消费级、工业级无人机的基础高度传感器，用于巡航定高、辅助定位时的高度测量在消费级无人机中用于低空悬停、精准降落时的高度测量；在植保无人机中用于仿地飞行时的高度测量在军用无人机、专业测绘无人机中，用于精准地形跟随等对精度和响应要求极高的场景气压计可以测量无人机的真实高度。 （）×随堂小测1.2常见的传感器1.2常见的传感器1.2.4位置传感器你知道的位置传感器有哪些？常见的位置传感器有GNSS模块和激光雷达。1.2常见的传感器1.2.4位置传感器1．GNSS模块GNSS模块是确定无人机精准位置的核心设备。（a）实物（b）工作原理

GNSS模块工作时，GNSS模块接收至少4颗卫星发射的无线电信号，每颗卫星都提供了自身的精确位置信息。GNSS模块通过测量无线电信号的传播时间差计算出无人机与每颗卫星之间的距离，并结合卫星轨道数据，通过三边定位算法解算出无人机的三维坐标（经度、纬度和高度）等信息。GNSS全称为globalnavigationsatellitesystem，即全球导航卫星系统，它是指利用人造卫星在全球范围内进行导航定位的各种系统的总称。1.2常见的传感器1.2.4位置传感器1．GNSS模块优点能够提供全天候、全球范围的位置信息其通过多频多系统兼容技术可实现高精度动态定位，为无人机在开阔环境下执行长距离飞行任务时提供准确的位置信息不足在信号易受遮挡的峡谷、密林或室内等场景下，GNSS模块的定位精度会降低，甚至会出现定位中断的情况。GNSS模块不受信号遮挡的影响，适合无人机在峡谷、密林或室内等场景下执行长距离飞行任务。 （）×随堂小测1.2常见的传感器1.2常见的传感器1.2.4位置传感器2．激光雷达（a）实物

（b）构造激光雷达激光雷达以激光器为辐射源，向目标物体发射激光脉冲并接收反射回波，探测器将接收到的回波信号转换为电信号，通过时间测量电路精确计算激光往返时间，从而解算出无人机与目标物体的距离。1.2常见的传感器1.2.4位置传感器2．激光雷达（a）实物

（b）构造激光雷达此外，激光雷达上还配备有扫描镜与旋转电机，使激光脉冲能够按照设定逐点扫描，形成一系列带有方位、俯仰角度与距离的点云数据。无人机将实时扫描得到的点云数据与预先加载或同步构建的高精度点云地图进行对比和匹配，即可得到自身的精确位置。1.2常见的传感器1.2.4位置传感器2．激光雷达优点不依赖外部信号，能主动发射激光脉冲精确测距能生成高分辨率点云数据，细致感知周围环境不受光照变化的影响，在夜晚、阴影等弱光条件下仍能实现实时可靠定位不足激光雷达的局限性比较突出，它在雨雾、浓烟、扬尘等环境中性能容易受影响，且其体积、重量和功耗较大，对无人机的载荷能力和续航能力要求较高。通过对本项目的学习，同学们认识了无人机中常见的传感器，它们共同构成了无人机飞行控制的基础。然而，随着无人机应用场景的不断扩展，越来越多功能强大的新型传感器被搭载到了无人机上，它们的任务不再是仅控制飞行姿态，而是赋予无人机感知和理解外部世界的能力。在中国民航大学，一架搭载特殊“电子鼻”的无人机正在进行飞行测试。这个“电子鼻”是由该校教授陈达及其团队研发的微型化机载气体传感模组（以下简称传感模组）。这个仅硬币大小的装置犹如无人机的“嗅觉神经”，以其为核心构建的“飞-感-算”一体化监测终端不仅能够对大气环境进行智能感知，还能实现锂电池热失控的极早期预警。翱翔筑梦项目1飞行状态感知与传感器应用“通过深入研究锂电池热失控的化学过程，我们发现CO是电池内部电解液在早期分解阶段产生的特征气体之一。团队为无人机配备的传感模组能够灵敏捕捉电池仓内极微量CO浓度异常，及时发现电池隐患，可比传统预警方式提前数十分钟。”陈达教授介绍道。与传统的“无人机+传感器”方案不同，该项技术实现了从硬件到软件的深度融合与智能协同。陈达团队开发了专门的软件协议栈，兼容多个通信协议，实现了传感模组与飞行控制系统的深度耦合，使传感数据能被飞行控制系统实时解析和调用，让传感模组真正成为飞行控制系统的有机组成部分。翱翔筑梦项目1飞行状态感知与传感器应用该技术在实验室验证和初步飞行测试阶段展现出优异的性能稳定性。陈达团队正在积极推进产业化进程，且已与国内多家无人机系统集成商、智慧城市解决方案提供商，以及环保、应急管理部门进行深度对接，为其在应急救援、环保等领域的深度应用提供创新解决方案。“在火灾扑救场景中，无人机可在火灾发生后的黄金救援时间内迅速抵达现场，快速绘制出毒气云团的实时三维扩散图，为救援力量进入、群众疏散提供精确指导。在火灾现场，无人机还可穿透浓烟探测CO浓度，评估燃烧不充分区域和潜在风险，为消防员提供关键安全信息。”陈达教授举例介绍道。科技创新让传感器从“附加组件”进化为“智能器官”，这枚硬币大小的“电子鼻”正是传感器技术驱动智慧城市变革的生动缩影。翱翔筑梦项目1飞行状态感知与传感器应用项目小结项目实施——认识常见的传感器1．项目描述本项目实施重点围绕传感器认知与原理分析、传感器与飞行动作的关联分析、故障假设与分析、成果总结与小组互评等环节展开。通过观看相关视频，学生可以采用小组讨论与归纳总结的方式，进一步认识无人机中常见的传感器，理解感知单元对无人机飞行状态的影响，并培养观察、推理与协作的能力。2．实施准备指导教师根据实际情况准备多媒体设备，学生自备纸和笔。项目实施——认识常见的传感器3．实施过程1）传感器认知与原理分析（1）观看视频“常见的传感器”。学生以小组为单位，观察并记录磁力计、IMU和气压计在飞控板上的位置和外观，以及GNSS模块的外观和结构。项目实施——认识常见的传感器3．实施过程1）传感器认知与原理分析（2）视频结束后，每位组员独立分析视频中各传感器的测量原理及所测量的参数，并将分析结果记录下来。（3）组长组织组员依次发言，汇总每位组员的观点，确保不重、不漏。（4）指导教师根据学生的发言情况，对遗漏的知识点进行必要的补充，并对常见误区进行提示和纠正。例如，磁力计测量的并非无人机的方向，而是地磁场的强度与方向。项目实施——认识常见的传感器3．实施过程2）传感器与飞行动作的关联分析（1）观看视频“无人机的飞行动作”。各小组观察并记录无人机起飞、悬停、围绕旗杆平移和转向、降落等飞行动作。项目实施——认识常见的传感器3．实施过程2）传感器与飞行动作的关联分析（2）视频按飞行动作拆分成4～5个片段，并逐段进行提问。问题示例：无人机完成悬停需要借助哪些传感器？为什么？（3）各小组针对指导教师的提问展开讨论，并派出一名代表进行回答。在此过程中，组员可进行补充，其他小组也可提出疑问或不同的见解。（4）指导教师根据学生的发言情况进行补充和归纳，学生将表《传感器与无人机飞行动作关联记录表》填写完整。项目实施——认识常见的传感器3．实施过程2）传感器与飞行动作的关联分析传感器与无人机飞行动作关联记录表传感器名称测量的参数哪些飞行动作的实现需要它？

（请从视频“无人机的飞行动作”中找出至少一个

飞行动作并说明原因）磁力计

IMU

气压计

GNSS模块

项目实施——认识常见的传感器3．实施过程3）故障假设与分析（1）各小组从视频“无人机的飞行动作”中选择1～2个飞行动作，在此基础上假设无人机在飞行过程中某个传感器出现故障，讨论可能出现的后果。故障假设与分析示例：若气压计故障，则无人机可能忽上忽下，无法稳定悬停。（2）选出3～4个小组展示讨论结果。（3）各小组结合若干个无人机飞行状态异常的情景，反向推测最可能发生故障的传感器，并派出一名代表进行回答。指导教师对每组学生的回答进行点评，必要时进行补充和解释。异常情景示例：无人机转向时偏航角度不稳定。项目实施——认识常见的传感器3．实施过程4）成果展示与小组互评各小组将前3个环节的讨论成果进行整理和总结，制作成PPT并派出一名代表进行展示和汇报。成果展示结束后，各小组进行成果互评。成果互评的参考依据如下。（1）传感器测量原理归纳是否准确，是否存在知识性错误。（2）传感器与无人机飞行动作的关联是否合理，解释是否充分。（3）情景假设中的推理是否有依据，论证是否合理充分。（4）汇报人表达是否流畅，条理是否清晰，汇报内容是否完整。（5）小组分工是否明确，配合是否默契。感谢观看无人机飞行控制技术项目1飞行状态感知与传感器应用项目2执行器控制项目3飞行控制算法实现与软件应用项目4导航与自主飞行项目5飞行控制系统调试执行器控制项目2项目导读执行器作为飞行控制系统的执行单元，负责实现控制指令的要求，完成精确的飞行动作。执行器由舵机和动力装置构成，其中，舵机负责调整无人机姿态，动力装置负责为无人机飞行提供动力。本项目将系统介绍执行器的相关知识，帮助学生全面认识飞行控制系统的执行单元，为深入学习无人机飞行控制技术奠定坚实基础。技能目标知识目标素质目标能够完成舵机的安装与拆卸。能够根据电动机和发动机故障表现，完成常见故障的排查。践行脚踏实地、勤奋求实的工作作风。树立开拓进取、勇于创新的科学精神。掌握舵机的类型和工作原理。掌握舵回路的工作原理和常见的舵回路。熟悉常见的电动机。了解电动机的故障排查方法。熟悉常见的发动机。了解发动机的故障排查方法。学习目标案例引入某农业公司使用植保无人机进行水稻喷药作业。植保无人机进行第3架次飞行作业时，在转弯过程中突然向右侧倾斜。飞行控制系统检测到右副翼舵机响应异常，随即触发紧急保护机制，使植保无人机强制降落。案例引入经排查，技术人员发现植保无人机右副翼的舵机因长期接触农药雾气，其润滑脂受到腐蚀变质，导致齿轮卡滞，无法正常偏转，致使无人机姿态失稳。随后，该农业公司采取了多项举措，有效防止了此类故障的再次发生。更换齿轮组和更耐腐蚀的润滑脂为所有舵机加装防尘防水罩将舵机检查周期从50h缩短至20h案例引入上述案例中舵机的功能是什么？除此之外，无人机中的舵机还有什么样的功能呢？2.1舵机与舵回路2.2动力装置项目2执行器控制2.1舵机与舵回路2.1舵机与舵回路舵机和舵回路是无人机飞行控制系统的关键组成部分，对保障飞行稳定性与机动性至关重要。舵机（又称伺服器）是无人机飞行控制系统的执行元件，负责将控制指令转化为机械动作，直接驱动舵面偏转，其响应速度与精度决定了控制指令能否被快速、准确执行。舵回路（又称伺服系统）则是以舵机为核心的闭环控制系统，它通过反馈机制实时检测并精确调节舵面位置。简单来说，舵机是执行控制指令的“肌肉”，舵回路是精确控制“肌肉”动作的“神经调节系统”。两者相互配合，共同决定了无人机的飞行品质与任务执行能力。2.1舵机与舵回路2.1.1舵机舵机是固定翼无人机、无人直升机不可或缺的部件。固定翼无人机舵机通过驱动舵面（副翼、升降舵、方向舵）偏转，使气流对舵面的反作用力发生改变，从而产生气动力矩，调整固定翼无人机的滚转、俯仰、偏航等飞行姿态。无人直升机舵机通过驱动‌自动倾斜器‌实现主旋翼周期变距‌，改变水平方向的气动力分量，从而实现滚转与俯仰‌控制；同时，舵机通过驱动尾桨变距机构来调节‌尾桨总距‌，改变尾桨推力大小，从而实现‌偏航‌控制。2.1舵机与舵回路2.1.1舵机小贴士多旋翼无人机的飞行姿态控制不依赖舵机，而是通过调节各电动机的转速来产生所需要的气动力矩，从而调整飞行姿态。舵机在多旋翼无人机中主要用于控制云台旋转、收放起落架，或应用于投掷装置（如无人机抓手）中。多旋翼无人机的飞行姿态控制是靠舵机驱动舵面偏转来实现的。 （）×随堂小测2.1舵机与舵回路2.1舵机与舵回路2.1.1舵机1．舵机的类型舵机的类型繁多，不同类型舵机的特点和适用的无人机也各不相同。分类方式1）根据驱动方式分类2）根据控制方式分类3）根据电路类型分类4）根据齿轮材料分类5）根据是否采用冗余设计分类类型驱动方式优点不足

适用情形（1）电动舵机电能结构简单体积小重量轻响应速度快噪声小控制精度高易于维护输出力矩较小各类中小型无人机（2）液压舵机液压输出力矩大系统刚度高结构复杂体积和重量较大响应速度较慢大型无人机或对舵机输出力矩要求较高的无人机，如某些军用大型侦察无人机和无人直升机2.1舵机与舵回路2.1.1舵机1．舵机的类型舵机的类型繁多，不同类型舵机的特点和适用的无人机也各不相同。分类方式1）根据驱动方式分类2）根据控制方式分类3）根据电路类型分类4）根据齿轮材料分类5）根据是否采用冗余设计分类类型驱动方式优点不足

适用情形（3）电液复合舵机由电动机驱动液压泵将电能转化为液压能响应速度快输出力矩大-对灵活性和功率有双重要求的高端无人机（4）气动舵机压缩空气结构简单响应速度快造价低输出力矩有限对功率要求不高但对响应速度有一定要求的无人机，如高速靶机等军用无人机2.1舵机与舵回路2.1.1舵机1．舵机的类型舵机的类型繁多，不同类型舵机的特点和适用的无人机也各不相同。分类方式1）根据驱动方式分类2）根据控制方式分类3）根据电路类型分类4）根据齿轮材料分类5）根据是否采用冗余设计分类类型控制方式优点不足

适用情形（1）PWM舵机通过PWM信号控制接口简单造价低控制精度和响应速度有限对控制精度和响应速度要求不高的无人机，如入门级航模无人机、消费级无人机等（2）总线伺服舵机总线通信协议控制抗干扰能力强能实现多舵机同步控制-对控制精度和可靠性要求较高的无人机，如工业级无人机、军用无人机等2.1舵机与舵回路2.1.1舵机1．舵机的类型舵机的类型繁多，不同类型舵机的特点和适用的无人机也各不相同。分类方式1）根据驱动方式分类2）根据控制方式分类3）根据电路类型分类4）根据齿轮材料分类5）根据是否采用冗余设计分类类型控制方式优点不足

适用情形（1）PWM舵机通过PWM信号控制接口简单造价低控制精度和响应速度有限对控制精度和响应速度要求不高的无人机，如入门级航模无人机、消费级无人机等（2）总线伺服舵机总线通信协议控制抗干扰能力强能实现多舵机同步控制-对控制精度和可靠性要求较高的无人机，如工业级无人机、军用无人机等PWM（脉冲宽度调制）是一种数字调制技术，它以固定频率输出方波信号，通过改变每个周期内高电平的持续时间（即脉宽）来传递控制信息。2.1舵机与舵回路2.1.1舵机1．舵机的类型舵机的类型繁多，不同类型舵机的特点和适用的无人机也各不相同。分类方式1）根据驱动方式分类2）根据控制方式分类3）根据电路类型分类4）根据齿轮材料分类5）根据是否采用冗余设计分类类型电路类型优点不足

适用情形（1）模拟舵机纯模拟电路造价低响应速度较慢控制精度较低控制信号易受外界干扰对性能要求不高的模型无人机（2）数字舵机内置数字信号处理器或微控制器来处理控制信号响应速度快精度高抗干扰能力强造价较高现代无人机绝大多数采用数字舵机2.1舵机与舵回路2.1.1舵机1．舵机的类型舵机的类型繁多，不同类型舵机的特点和适用的无人机也各不相同。分类方式1）根据驱动方式分类2）根据控制方式分类3）根据电路类型分类4）根据齿轮材料分类5）根据是否采用冗余设计分类类型齿轮材料优点不足

适用情形（1）塑料齿舵机塑料齿轮重量轻造价低噪声小强度较低易磨损微型无人机、室内无人机等轻载无人机（2）金属齿舵机金属齿轮强度高耐磨性好重量较重造价较高大型固定翼无人机、无人直升机等高负载无人机2.1舵机与舵回路2.1.1舵机1．舵机的类型舵机的类型繁多，不同类型舵机的特点和适用的无人机也各不相同。分类方式1）根据驱动方式分类2）根据控制方式分类3）根据电路类型分类4）根据齿轮材料分类5）根据是否采用冗余设计分类类型是否冗余设计优点不足

适用情形（1）非余度舵机单通道设计，仅有一套电气通道结构简单造价低单点故障即会导致舵机失效消费级无人机及部分低成本轻小型工业级无人机（2）余度舵机冗余设计，配置多套独立的电气通道以实现故障容错可靠性强结构复杂重量重造价高军用无人机和无人直升机非余度舵机具有可靠性强，但结构复杂、重量重、造价高等特点。 （）×随堂小测2.1舵机与舵回路2.1舵机与舵回路2.1.1舵机2．舵机的工作原理以电动舵机驱动舵面偏转为例（a）实物

（b）基本结构电动舵机电动舵机工作时，其内部的电动机高速旋转，通过齿轮组降低转速、增大转矩后带动输出轴旋转，从而驱动舵面偏转。电动舵机内部常安装有测量部件，一般为位置传感器。位置传感器可将旋转角度转换为电信号反馈至舵机控制板，舵机控制板将其与目标信号进行比较，并根据修正结果调整电动机的旋转速度，最终形成闭环控制。2.1舵机与舵回路2.1.2舵回路舵回路是无人机飞行控制系统的底层执行回路，它通过接收期望舵面偏角或期望电动机转速等控制指令，驱动执行器快速、准确地达到指定偏角或转速。2.1舵机与舵回路2.1.2舵回路1．舵回路的工作原理由于电动舵机在无人机中的应用较为广泛，因此主要以电动舵机为例介绍舵回路的相关知识。电动舵机的驱动过程飞行控制系统发出期望舵面偏角指令，在该指令的控制下，电动舵机两端会被施加相应的输入电压，驱动电动机旋转产生转矩。该转矩经减速机构带动输出轴以一定的角速度转动。该角速度通过传动装置转化为舵面偏角进行输出，进而实现舵面偏转。2.1舵机与舵回路2.1.2舵回路1．舵回路的工作原理将这一过程用微分方程进行描述，可以得到2.1舵机与舵回路2.1.2舵回路1．舵回路的工作原理将这一过程用微分方程进行描述，可以得到2.1舵机与舵回路2.1.2舵回路1．舵回路的工作原理将这一过程用微分方程进行描述，可以得到2.1舵机与舵回路2.1.2舵回路1．舵回路的工作原理将这一过程用微分方程进行描述，可以得到2.1舵机与舵回路2.1.2舵回路1．舵回路的工作原理舵回路的原理图在忽略电动机线圈电感影响的情况下，由上图可得到相应的传递函数为2.1舵机与舵回路2.1.2舵回路2．常见的舵回路常见的舵回路1）硬反馈式舵回路2）软反馈式舵回路3）弹性反馈式舵回路硬反馈式舵回路的原理图2.1舵机与舵回路2.1.2舵回路2．常见的舵回路常见的舵回路1）硬反馈式舵回路2）软反馈式舵回路3）弹性反馈式舵回路硬反馈式舵回路的原理图2.1舵机与舵回路2.1.2舵回路2．常见的舵回路常见的舵回路1）硬反馈式舵回路2）软反馈式舵回路3）弹性反馈式舵回路2.1舵机与舵回路2.1.2舵回路2．常见的舵回路常见的舵回路1）硬反馈式舵回路2）软反馈式舵回路3）弹性反馈式舵回路由此可见，引入位置反馈后，舵回路的传递函数的系数

与无人机的飞行状态无关，仅取决于位置反馈系数的大小；舵回路稳态时，输出舵面偏角与输入电压成正比。2.1舵机与舵回路2.1.2舵回路2．常见的舵回路常见的舵回路1）硬反馈式舵回路2）软反馈式舵回路3）弹性反馈式舵回路软反馈式舵回路的原理图2．常见的舵回路常见的舵回路1）硬反馈式舵回路2）软反馈式舵回路3）弹性反馈式舵回路2.1舵机与舵回路2.1.2舵回路软反馈式舵回路的原理图2.1舵机与舵回路2.1.2舵回路2．常见的舵回路常见的舵回路1）硬反馈式舵回路2）软反馈式舵回路3）弹性反馈式舵回路1）硬反馈式舵回路2）软反馈式舵回路3）弹性反馈式舵回路2.1舵机与舵回路2.1.2舵回路2．常见的舵回路常见的舵回路由此可见，引入速度反馈后，舵回路稳态时，输出轴的角速度与输入电压成正比。由于传动装置的传动比为常数，因此输出舵面偏转角速度与输出轴角速度成正比，故可得，输出舵面偏转角速度与输入电压成正比。2.1舵机与舵回路2.1.2舵回路2．常见的舵回路1）硬反馈式舵回路2）软反馈式舵回路3）弹性反馈式舵回路常见的舵回路弹性反馈式舵回路又称均衡式舵回路，它将位置反馈与均衡环节串联在一起，构成弹性反馈环节。弹性反馈式舵回路的原理图2.1舵机与舵回路2.1.2舵回路2．常见的舵回路1）硬反馈式舵回路2）软反馈式舵回路3）弹性反馈式舵回路常见的舵回路弹性反馈式舵回路又称均衡式舵回路，它将位置反馈与均衡环节串联在一起，构成弹性反馈环节。弹性反馈式舵回路的原理图2.1舵机与舵回路2.1.2舵回路2．常见的舵回路1）硬反馈式舵回路2）软反馈式舵回路3）弹性反馈式舵回路常见的舵回路弹性反馈式舵回路的原理图2.1舵机与舵回路2.1.2舵回路2．常见的舵回路1）硬反馈式舵回路2）软反馈式舵回路3）弹性反馈式舵回路常见的舵回路小贴士2.1舵机与舵回路2.1.2舵回路2．常见的舵回路1）硬反馈式舵回路2）软反馈式舵回路3）弹性反馈式舵回路常见的舵回路弹性反馈式舵回路兼具硬反馈式舵回路和软反馈式舵回路的特性。高频特时，输出舵面偏角稳态值与输入电压成正比；低频时，输出舵面偏转角速度稳态值与输入电压成正比。2.2动力装置动力装置是指为无人机提供飞行动力的一套系统及其附件，直接决定无人机的飞行性能、续航能力和任务适应性。根据采用的能源类型不同，动力装置可分为电动动力装置和油动动力装置。这两种动力装置的核心部件分别为电动机和发动机。2.2动力装置2.2动力装置电动机的主要作用是什么？电动机的主要作用是将电能转化为向无人机提供飞行动力的机械能。电动机是目前消费级无人机和大部分工业级无人机的主流动力装置。2.2.1电动机2.2动力装置2.2.1电动机1．常见的电动机常见的电动机有刷电动机无刷电动机空心杯电动机2.2动力装置2.2.1电动机1．常见的电动机1）有刷电动机（a）外观

（b）基本结构有刷电动机（1）定子是有刷电动机的静止部分，通常为永磁体，主要用来产生磁场和作为机械支承。（2）转子是有刷电动机的转动部分，由电枢绕组与电枢铁芯构成，它是能量转化的枢纽，其主要作用是产生转矩。2.2动力装置2.2.1电动机1．常见的电动机1）有刷电动机（a）外观

（b）基本结构有刷电动机（3）换向器的作用是与电刷配合，将直流电动机输入的直流电流转换成电枢绕组内的交变电流，或是将电枢绕组中的交变电动势转换成直流电压。（4）电刷一般由石墨粉压制而成，通过与换向器表面进行滑动接触，将直流电压、直流电流引入或引出电枢绕组，完成直流与交流的转换。2.2动力装置2.2.1电动机1．常见的电动机1）有刷电动机定子、转子之间存在的间隙称为气隙。气隙不仅能确保定子产生的磁场能有效耦合至转子，使转子持续旋转，还能隔离定子和转子，避免机械摩擦，保障有刷电动机长期稳定运行。知识拓展2.2动力装置2.2.1电动机1．常见的电动机1）有刷电动机有刷电动机工作时，外部电源通过电刷和换向器向转子上的电枢绕组供电，通电的转子因在定子产生的磁场中受到电磁力作用而开始旋转。随着转子旋转，换向器与电刷滑动接触，周期性地切换转子中的电流方向，确保转子在旋转过程中所受电磁力的方向始终一致，进而使得转子能够持续、单向地转动。优点结构简单造价低不足噪声较大易发热使用寿命较短适用情形微型玩具无人机和对可靠性要求不高的DIY模型无人机。2.2动力装置2.2.1电动机1．常见的电动机2）无刷电动机与有刷电动机不同，无刷电动机的定子为电枢绕组，而转子由永磁体和导磁体构成，且连同外壳一起与输出轴相连。此外，无刷电动机还需要专用的电子调速器（简称电调）驱动。内部是否设有位置传感器无感无刷电动机有感无刷电动机2.2动力装置2.2.1电动机1．常见的电动机2）无刷电动机无感无刷电动机内部未设位置传感器，工作时，电调通过检测转子旋转产生的反电动势，间接推算转子的磁极位置，并据此精确控制定子的通电时序与方向，使定子产生不断变化的旋转磁场，从而驱动转子持续旋转。优点结构简单造价较低可靠性较高不足低速启动时反电动势微弱，易出现抖动或启动失败等现象适用情形高速飞行的消费级无人机。2.2动力装置2.2.1电动机1．常见的电动机2）无刷电动机有感无刷电动机内部设有位置传感器，工作时，位置传感器实时监测转子的磁极位置，并将位置信号反馈至电调；电调根据接收到的位置信号精确控制定子的通电时序与方向，使定子产生不断变化的旋转磁场，从而驱动转子持续旋转。优点输出功率大使用寿命长散热性能好噪声小不足结构较复杂造价较高适用情形工业级载重无人机。2.2动力装置2.2.1电动机1．常见的电动机3）空心杯电动机空心杯电动机属于直流永磁电动机，与有刷电动机和无刷电动机的主要区别在于其采用的是无铁芯转子。（a）外观

（b）基本结构有刷空心杯电动机空心杯电动机包括有刷和无刷两种，以有刷空心杯电动机为例，主要结构如图所示。由无铁芯的杯状线圈构成，是有刷空心杯电动机的转子。共同构成了有刷空心杯电动机的定子。2.2动力装置2.2.1电动机1．常见的电动机3）空心杯电动机有刷空心杯电动机工作时，外部电源通过电刷架向转子供电，电刷架确保电刷与换向器紧密接触以维持稳定的电流传输。通电的转子在永磁体建立的静止磁场中受电磁力作用开始旋转。与此同时，换向器随转子转动，与电刷交替接触，使转子的磁场方向始终与永磁体的磁场方向保持最佳作用角度，从而使转子持续旋转。优点无铁芯转子设计，彻底消除了因铁芯流产生的电能损耗，同时大幅度降低了转子的转动惯量，使其具备极高转速和快速启停能力，这赋予了无人机出色的敏捷性和操控性。此外，空心杯电动机还具有结构简单、体积小、重量轻等优点。适用情形微型与轻型消费级无人机。有刷电动机的定子为电枢绕组，而转子由永磁体和导磁体构成，连同外壳一起与输出轴相连。

（

）×随堂小测2.2动力装置2.2动力装置2.2.1电动机1．常见的电动机3）空心杯电动机请同学们查找相关资料，了解无刷空心杯电动机的结构和工作原理，比较其与有刷空心杯电动机的异同点，并在小组内进行总结和讨论。集思广益2.2动力装置2.2.1电动机2．电动机的故障排查电动机的常见故障、故障表现、可能原因和处理方法常见故障故障表现可能原因处理方法无法启动或启动

异常（1）通电后电动机无反应，或转动缓慢，无法带动螺旋桨产生足够动力（2）油门指令正常，但电动机无响应或响应迟缓（1）电池电量不足、插头接触不良、电源模块短路（2）电枢绕组短路或断路、轴承卡死、位置传感器损坏（3）电调与飞行控制系统通信中断、电调参数设置错误（1）检测电池电压、检查电池连接线状态、更换电源模块并排查短路点（2）拆解电动机，检查电枢绕组；手动转动转子，若转子卡死，则应更换轴承或清理内部异物；测试位置传感器，若位置传感器损坏，则应对其进行更换（3）检查电调与飞行控制系统的连接状态，重新校准电调参数2.2动力装置2.2.1电动机2．电动机的故障排查电动机的常见故障、故障表现、可能原因和处理方法常见故障故障表现可能原因处理方法过热（1）短时间飞行后，电动机外壳烫手，远超正常温度范围（2）出现烧焦味，漆包线绝缘层熔化（1）长时间大油门飞行（2）电动机表面积灰或散热风扇损坏导致散热不良（3）电枢绕组局部短路（4）轴承磨损或润滑不足（1）避免长时间大油门飞行（2）清理电动机表面积累的灰尘，检查散热风扇，必要时进行更换（3）拆解电动机，检查电枢绕组绝缘层是否破损，若发现破损，则应进行维修或更换（4）定期检查、养护轴承，若轴承磨损严重，则应进行更换续表2.2动力装置2.2.1电动机2．电动机的故障排查电动机的常见故障、故障表现、可能原因和处理方法常见故障故障表现可能原因处理方法异响

或抖动（1）电动机运行时发出明显的“咔嗒”“嗡嗡”声（2）机身或螺旋桨出现明显抖动，飞行不稳（1）轴承磨损、松动或润滑不足（2）转子因外力撞击或磨损导致偏心（3）电动机内部零件松动（1）定期润滑轴承；手动转动转子，若出现卡滞或异响，则应更换轴承（2）检查转子，若发现明显偏心，则应进行更换（3）拆解电动机，检查其内部结构是否松动，必要时进行紧固或更换续表2.2动力装置2.2.1电动机2．电动机的故障排查电动机的常见故障、故障表现、可能原因和处理方法常见故障故障表现可能原因处理方法转速不稳或异常（1）电动机转速忽高忽低（2）满油门时，无人机无法获得足够的升力或飞行速度（1）电池电压不稳或负载过大导致电流波动（2）电调与主控单元信号线接触不良（3）无线电信号传输中断或飞行控制系统接收到错误指令（4）永磁体磁性减弱（1）检查电池，确保其状态良好（2）校准电调参数，确保输出电流稳定（3）调整无人机遥控器的天线位置，避免其与金属物体或电源设备过近（4）拆解电动机，更换永磁体续表发动机的主要作用是什么？发动机的主要作用是将化学能转化为向无人机提供飞行动力的机械能。发动机主要应用于航时长、载重大的大型军用、民用无人机。2.2动力装置2.2.2发动机2.2动力装置2.2.2发动机1．常见的发动机1）活塞式发动机2）涡轮发动机活塞式发动机的基本结构活塞式发动机完成能量转换的基本工作循环包括进气、压缩、做功、排气4个冲程。2.2动力装置2.2.2发动机1．常见的发动机1）活塞式发动机2）涡轮发动机活塞式发动机的基本