无人机驾驶基础及应用 第2版 课件 模块2合格的理论知识

模块2合格的理论知识主要内容一、无人机系统组成二、无人机升力来源三、严重影响飞行的气象四、无人机飞行管理一、无人机系统组成一、无人机系统组成

——常见的多旋翼无人机结构组成机架机架是多旋翼无人机的主体。根据机臂个数不同，机架可分为三轴、四轴、六轴、八轴、十六轴、十八轴等，常见轴距（对角两轴的电机安装位中心点距离）有250mm，450mm，600mm，1000mm等。出于结构强度和重量考虑，机架一般采用塑料、碳纤维材质或复合材料，部分连接件和紧固件可能选用铝合金或钢铁材质。

马达马达，或称电机，是多旋翼无人机的主要动力机构，主要提供升力和调整飞行姿态。无刷电机的机身上常常标有2216、4108等四位数字，用以代表电机的基本型号。无刷电机另一个重要指标是KV值，如电机表面会标注980KV，480KV。所谓KV值是衡量电机转速的指标，表示施加1V电压时电机空转每分钟可以达到的转速。电调全称为电子调速器，英文缩写为ESC（ElectronicSpeedControl）。多旋翼无人机没有方向舵等飞行控制面，其姿态的改变全靠电机的转速差来实现，电子调速器就是用来改变电机转速从而改变多旋翼无人机的飞行姿态。

电池动力电池是电动多旋翼无人机的供电装置，给电机和机载电子设备供电。常见的电池种类有铅蓄、镍镉、铁镍、锌镍、氢镍、锂聚合物电池等。目前无人机最常用的动力电池为锂聚合物电池，主要优点为重量轻、能量密度大、放电能力强，主要缺点为温度适应区间窄、有燃爆风险。螺旋桨螺旋桨是多旋翼无人机直接的升力来源，通常被直接安装在动力设备延伸轴上，也有通过传动装置间接驱动的。轻微型多旋翼无人机常用定距螺旋桨，通过螺纹或紧固件安装在电机上，定距螺旋桨主要的性能指标有效率、尺寸、螺距、材质和桨叶数量等。飞控飞行控制器的简称，相当于无人机的大脑。飞控可以实时感知无人机的工作状态数据或接收控制终端上传的上行控制命令或数据，通过计算和处理，输出指令给执行机构，实现对无人机飞行姿态的控制和任务设备的管理，也可以将无人机运行参数、任务设备运行参数等传送给机载无线数据终端，经下行信道传送给地面。飞控由不同功能的子系统集成在一起，一般包含主控制模块、信号调理和接口模块、传感器模块和伺服设备模块。传感器辅助飞控感知无人机飞行信息或周边环境信息的设备。部分传感器集成在飞控上，如IMU惯性测量单元（陀螺仪、加速度计、气压计、地磁感应器），可以感知无人机姿态、高度和方向信息，能够辅助无人机完成基础飞行任务。更为复杂或智能化的任务则需要更多外接传感器来辅助。伺服设备多旋翼无人机上最常见的伺服设备是各种形态的舵机，舵机可以直接或间接驱动其他设备完成指令动作。伺服设备可以用来控制无人机飞行平台设备（如收放脚架），也可以用来控制任务设备的运转。遥控装置向无人机传输行动指令的设备，常见的遥控装置有地面站和遥控器。地面站是一套硬件和安装于硬件内的软件组成的系统，能够向无人机发送行动指令，同时能接受无人机返回信息，是无人机实现自主任务执行的主要控制手段，对于一般飞行任务，使用遥控器手动驾驶无人机也可实现。完整的遥控器设备包括发射机和接收机，接收机装在无人机上，一端与飞控连接，另一端通过通信链路与发射机连接，驾驶员通过遥感或拨钮发出指令。数据链路无人机与遥控装置进行通信、无人机与定位设备进行通信、无人机内部通信都会形成数据链。数据链有上行、下行和双向三种。比如一般遥控器只能向无人机发送信息，不能接收信息，为上行数据链；一般图传只能传输信息到监视屏，不能接收信息，为下行数据链。数传既可以向下传输无人机飞行状态信息，也可以接收信息，称为双向数据链。任务设备无人机飞行平台主要实现飞行能力，工作能力基本是通过任务设备获得的。比如军用无人机就需要搭载侦察和打击设备，遥感无人机搭载带可见光、红外、雷达等遥感设备，植保无人机要搭载农药喷洒设备等。最常见的无人机任务设备是光学相机，也就是常说的照相机，在航拍领域有广泛的应用，高性能的照相机也能满足的行业应用需求。无人机任务设备也可以被当作独立系统看待，不作为无人机系统的一部分。辅助设备辅助设备不是无人机的一部分，但对无人机系统的运行有重要支持作用，可根据无人机系统的工作需求配置。这里试举几例：用于维修、保养、检测无人机的基础工具，用于运输无人机系统的车辆，用于充电的充电器或燃料加注设备，用于保存动力电池的电池防爆箱，用于保护驾驶员的防晒、防雨、防虫等劳保物资，用于防止螺旋桨割伤的桨保护架，用于调查飞行环境的风速仪、望远镜等设备。二、无人机升力来源

二、无人机升力来源

——升力来源示意图常规布局的固定翼无人机的升力主要来源于作用在机翼上的空气压力差。固定翼无人机受发动机推力作用加速前进，与空气形成相对运动，一部分空气从机翼上表面流过，另一部分从下表面流过。如果将机翼做成上凸下平的形状，流经机翼上表面的气流会因压缩而增加流速，如左图所示，流速增加导致作用于机翼上表面的压力降低，与下表面受到的空气压力产生压力差，形成向上的升力，当升力大于或等于飞行器的重力后，飞行器就能飞行了。二、无人机升力来源

——迎角使飞行器获得升力对称的机翼也能飞行，只需要给机翼一个与气流相对的夹角，这样的夹角我们称为迎角或攻角。对称性机翼要产生迎角就需要以一定角度安装在飞机上，非对称的机翼或者说有弯度机翼则相当于自带了这种迎角，即使相对于气流水平安装，仍然可以改变上下表面的气流流动。对称的机翼并无凹凸的构型也能获得飞行的升力二、无人机升力来源

——直升机升力的来源不同形态的直升机了解了固定翼升力的来源后，直升机升力的来源相对来说就比较好理解了。直升机，是一类由旋翼旋转提供升力的飞行器，常见的直升机形态有单旋翼、共轴双旋翼、倾旋翼、多旋翼、纵列双旋翼等。二、无人机升力来源

——直升机升力的来源从飞行原理出发，多旋翼属于直升机大类，但因多旋翼在民用无人机领域应用十分广泛，一般可以被单列出来。直升机螺旋桨可以看做是旋转的机翼，其升力的来源机理与固定翼的机翼相似，螺旋桨的横截面与机翼的横截面也有很多相似之处。不同的是直升机的螺旋桨可以同时产生强大的向下气流，通过反作用力抬升机体。三、严重影响飞行的气象

三、严重影响飞行的气象

——对流冲击力

使原来静止的大气产生垂直运动的作用力称为对流冲击力，这种力的来源有热力作用和动力作用两个原因，分别称为热力对流和动力对流。上文提到的地形雨和对流雨分别就是由动力和热力抬升引起的。白天在太阳辐射作用下，岩石、沙地、城市地区升温快，附近空气增温快，因而体积膨胀、密度减少，产生上升运动。在水面、植被下垫面、农村等区域情形则相反，会产生下沉运动。气流受到高山等高大地形阻挡，也有可能被迫抬升或下降，产生垂直运动。飞行器飞行高度不够，则有可能受垂直气流运动影响，产生颠簸。如果是近地飞行，上升的对流冲击力会产生漂浮效应，导致飞行员飞过预期的着陆点；下降的对流冲击力则会产生一个下沉效应，导致飞行员达不到预期的着陆点，情况严重时还可能被下沉气流拍向地面，造成飞机失事。三、严重影响飞行的气象

——雷暴

由对流旺盛的积雨云引起的，伴有电闪雷鸣的局地风暴，称为雷暴。形成雷暴需要三个条件：深厚而明显的不稳定气层；充沛的水汽；足够的冲击力。三、严重影响飞行的气象

——积冰

飞机积冰指的是飞机表面某些部位聚集冰层的现象。在寒冷季节，地面停放的飞机会形成积冰。而在飞行过程中，不管是否在寒冷的季节，只要大气条件合适也能形成积冰。飞行中的积冰主要由于云中过冷水滴或降水中的过冷雨碰到飞行器机体表面凝结而成，也可以由水汽直接在机体表面凝华而成。三、严重影响飞行的气象

——能见度

能见度是反应大气透明度的一个指标。气象学中，能见度用气象光学视程表示，是指白炽灯发出色温为2700K的平行光束的光通量，在大气中削弱至初始值的5%所通过的路径长度。在航空学中，定义所有不同，能见度被认为是以暗色作为背景时1000烛光能够被识别的最远距离。四、无人机飞行管理

（一）无人机飞行风险（二）无人机飞行管理四、无人机飞行管理

（一）无人机飞行风险常用四旋翼无人机重约1500g=3斤60米1.5L的饮料被从约20层的高楼扔下无人机飞行风险无人机飞行风险新闻2017年9月，昆明交警一架无人机在执行正常巡逻任务返航过程中坠落在城市道路二环高架桥面，造成无人机损坏，幸未造成人员和车辆受损，昆明交警立即启动无人机巡航处置应急预案，并及时向公众进行了情况通报。无人机飞行风险新闻无人机飞行风险新闻2017年1月，浙江杭州一位飞手使用大疆“御”四旋翼无人机对萧山机场的民航飞机进行了近距离拍摄，引起了社会广泛关注，飞手被公安机关处以拘留处罚。无人机飞行风险新闻斗鱼TV一名主播携带无人机进入校园，直播偷拍女生宿舍，被直播平台关停直播，警方接报案后也介入处理四、无人机飞行管理

（二）无人机飞行管理无人机分类—《无人驾驶航空器飞行管理暂行条例》微型无人驾驶航空器，是指空机重量小于0.25千克，最大飞行真高不超过50米，最大平飞速度不超过40千米/小时，无线电发射设备符合微功率短距离微功率短距离技术要求，全程可以随时人工介入操控的无人驾驶航空器。轻型无人驾驶航空器，是指空机重量不超过4千克且最大起飞重量不超过7千克，最大平飞速度不超过100千米/小时，具备符合空域管理要求的空域保持能力和可靠被监视能力，全程可以随时人工介入操控的无人驾驶航空器，但不包括微型无人驾驶航空器。小型无人驾驶航空器，是指空机重量不超过15千克且最大起飞重量不超过25千克，具备符合空域管理要求的空域保持能力和可靠被监视能力，全程可以随时人工介入操控的无人驾驶航空器，但不包括微型、轻型无人驾驶航空器。中型无人驾驶航空器，是指最大起飞重量不超过150千克的无人驾驶航空器，但不包括微型、轻型、小型无人驾驶航空器。大型无人驾驶航空器，是指最大起飞重量超过150千克的无人机。空域管理真高120米以上空域，空中禁区、空中限制区及周边空域，军用航空超低空飞行空域，以及下列区域上方的空域应当划设为管制空域：（一）机场及周边一定范围内区域；（二）国界线、实际控制线、边境线向我方一侧一定范围的区域；（三）军事禁区、军事管理区、监管场所等涉密单位以及周边一定范围的区域；（四）重要军工设施保护区域、核设施控制区域、易燃易爆等危险品的生产和仓储区域，以及可燃重要物资的大型仓储区域；（五）发电厂、变电站、加油（气）站、供水厂、公共交通枢纽、航电枢纽、重大水利设施、港口、高速公路、铁路电气化路等公共基础设施以及周边一定范围的区域和饮用水水源保护区；（六）射电天文台、卫星测控（导航）站、航空无线电导航台、雷达站等需要电磁环境特殊保护的设施以及周边一定范围的区域；（七）重要革命纪念地、重要不可移动文物以及周边一定范围的区域；（八）国家空中交通管理领导机构规定的其他区域。管制空域范围以外的空域为微型、轻型、小型无人驾驶航空器的适飞空域（以下简称适飞空域）注册登记无人机实名登记（包括无人机实名和无人机注册）国籍登记无人机运营单位的注册登记国家无人驾驶航空器一体化综合监管服务平台

（UOM）民用无人机驾驶航空器综合管理平台app民用无人机驾驶航空器综合管理平台飞行活动申请按照《民用航空法》第七十四条、第七十九条，以及《无人驾驶航空器飞行管理暂行条例》第二十六条、第三十一条等规定执行飞行活动申请第三十一条组织无人机驾驶航空器实施下列飞行活动，无需向空中交通管理机构提出飞行活动申请：（一）微型、轻型、小型无人驾驶航空器在适飞空域内的飞行活动；（二）常规农用无人驾驶航空器作业飞行活动；（三）警察、海关、应急管理部门辖有的无人驾驶航空器，在其驻地、地面（水面）训练场、靶场等上方不超过真高120米的空域内的飞行活动；但是，需在计划起飞1小时前经空中交通管理机构确认后方可起飞；（四）民用无人驾驶航空器在民用运输机场管制地带内执行巡检、勘察、校验等飞行任务；但是，需定期报空中交通管理机构备案，并在计划起飞1小时前经空中交通管理机构确认后方可起飞。前款规定的飞行活动存在下列情