多旋翼无人机技术基础(第2版)课件 第1章概述

多旋翼无人机技术基础

（第2版-1）符长青博士与多旋翼无人机相关的基本概念1．速度和加速度2．牛顿三大运动定律3．动能、势能和压力4．空气属性5．伯努利方程6．飞行器、飞行力学和空气动力学7．自动控制和自动控制系统8．微机电系统（MEMS）系统论的基本概念1．系统的分类（1）自然系统

（2）人造系统

（3）复合系统（4）静态系统与动态系统

（5）封闭系统与开放系统

（6）实体系统与虚拟系统

2．系统论的基本理论（1）整体的功能不等于各部分功能之总和（2）系统的结构决定系统的功能（3）动态观点（4）最优化观点控制论的基本概念1．控制和控制论的定义

控制是施控者作用于受控对象的一种主动行为，使受控对象按照施控者的意愿行动。2．反馈控制

所谓反馈就是指在完成控制的过程中，收集行动效果的响应信息，并把其响应同目的要求相比较，进行工作调整。这种行动后果的响应信息就称为反馈信息，当行动响应同目标要求一致，控制过程便告完成；当行动响应效果偏离目标甚至背道而驰时，就需要对系统进行调节，使其逐步接近目标，最后使系统能得到合理的发展。3．前馈控制

前馈控制是没有反馈信息的控制系统，只有前馈的控制信息通道，通常只应用于比较简单的场合，在工程建设项目中较少采用。多旋翼无人机的定义1．旋翼驱动方式的分类（1）旋翼由发动机驱动的旋翼机（2）旋翼无发动机驱动的旋翼机2．无人机、航空模型和航模运动（1）无人机

英文为UnmannedAerialVehicle，缩写MAV。（2）航空模型

（3）航模运动

（4）航模级多旋翼无人机

3．多旋翼无人机的定义

多旋翼无人机的英文为MultirotorUnmannedAircraft，缩写MUA，就是多旋翼无人驾驶飞行器，简称为多旋翼无人机或多旋翼无人直升机。多旋翼无人机系统及其飞行机组(1)1．多旋翼无人机系统的定义

多旋翼无人机系统包括旋翼机系统、地面系统、任务载荷和综合保障系统。2．多旋翼无人机飞行机组（1）驾驶员

（2）机长（3）观测员（4）运营人3．载人多旋翼飞行器和旋翼自转状态多旋翼无人机系统及其飞行机组(2)多旋翼无人机的外形结构（1）以旋翼数量划分

根据多旋翼无人机所具有的旋翼数量可分为4、6、8、12、16、18、24、36旋翼等多种类型。（2）以旋翼分布位置划分

根据最前与最后两个旋翼轴的连线与机体前进方向是否在同一直线上，划分为“I”型（或称为“+”型）和“X”型两种。其他类型，包括“V”型，“Y”型和“IY”型等（3）以共轴发动机数量划分（4）以旋翼能否倾转划分多旋翼无人机的用途（1）石油开发服务、输油管路监测和安全保护。（2）消防部门的火情探查、监视、消防灭火、消防抢险、灾害救援。（3）林业部门的护林防火、播种和病虫害防治。（4）物流快递公司送货。（5）交通部门道路交通检测、疏导与控制，海港接送引航员服务。（6）电力部门的输电线路建设、巡查和维护。（7）新闻及电影摄制的航空摄像及照相。（8）农牧业的农作物监测、喷洒农药、牧群监测与驱赶。（9）海岸警卫的海面搜寻、海岸巡逻、海界标监测。（10）环保部门的环境污染及土地状况监测。（11）海关与税收部门的非法走私监视、边界巡逻。（12）海洋渔业部门的渔业保护、海洋资源调查。（13）地方政府的大气参数采集与检测、分析，灾害普查、抢险和救援。（14）警察部门的反恐、失踪人员搜寻、落水人员救生、安全与突发事件现场处理。（15）普查机构的地理、地质、考古勘定。（16）河道管理部门的水路和水情监测、洪水与污染控制。（17）水务部门的水务与水管道监测、维护。（18）实现载人化，搭乘旅客作为便捷的交通运输工具等。多旋翼无人机分类方法1、按动力装置划分

（1）油动多旋翼无人机

（2）电动多旋翼无人机2、按外形结构划分3、按用途划分4、按重量划分5、按控制方式划分6、按市场定位划分7、按有无载客能力划分多旋翼无人机的发展历程1．探索阶段：上世纪90年代初之前2．奠基阶段：上世纪90年代初至2005年3．起步阶段：从2005年至2010年4．大发展阶段：从2010年至今多旋翼无人机市场商机无限（1）娱乐功能（2）航拍功能（3）搜寻功能（4）物流功能（5）消防功能（6）警用功能（7）植保功能（8）巡测及其他功能（9）交通运输功能国内外发展现状的对比分析（1）人才培养①全国航空模型比赛。②亚太机器人国内选拔赛。③中国智能机器人大赛。④全国大学生机器人电视大赛。⑤中国教育机器人大赛。⑥全国青少年科普竞赛。⑦ABB杯自动化大赛。

⑧中国机器人大赛。（2）软件技术（3）硬件成本多旋翼无人机与其他类型无人机对比1．固定翼无人机的特点（1）优点。载重大、飞行速度快、续航时间长、航程远。（2）缺点。起飞和降落需要很长的跑道。2．无人机直升机的特点（1）优点。可垂直起降、空中悬停，树梢高度飞行。（2）缺点。飞行速度低、耗油量高、航程短、载重小。3．多旋翼无人机的特点（1）优点。结构简单，活动机械部件比无人机直升机少。（2）缺点。能量有效利用率非常低，耗能高。多旋翼无人机用户体验（1）操控性方面。多旋翼无人机的操控是最简单的。（2）可靠性方面。多旋翼无人机旋翼系统活动机械部

件少，可靠性高。（3）安全性方面。多旋翼无人机可实现有效控制，安

全性好。（4）维护性方面。多旋翼无人机结构简单，维护性好（5）成本价格方面。多旋翼无人机使用方便、成本低

廉，自学组装容易。（6）飞行效率方面。多旋翼无人机最大的缺点是其载

荷小，续航时间短。开源、闭源、商品软件和硬件（1）开源软件。开源（OpenSource）的概念最早被应用于开源软件。开源软件(OSS)是一种去中心化的软件开发

模式，它公开分发软件源代码以进行开放式协作和对等

生产，称为"开源方式"。（2）闭源软件。闭源软件

(CSS)是不向公众分发的专有软

件。这类软件进行了加密防止用户修改、共享、复制或

重新发布源代码。（3）商品软件。商品软件是指通过交易或贸易方式面向社

会公众发行的各种商品化的软件。（4）开源硬件。开源硬件是指可以通过公开渠道获得的硬

件设计，如电路原理图、电路板布局数据，材料清单，

设计方案和图纸，以及硬件设计的源代码等无人机开源飞控的基本概念

无人机开源飞控就是建立在开源思想基础上的无人机飞控导航系统项目。它包含开源软件和源硬件，软件包含飞控硬件中的固件和地面站软件两部分。广大的无人机爱好者不但可以参与软件的研发，也可以参与硬件的研发，不但可以购买硬件来开发软件，也可以自制硬件。

现今开源协议很多，经过开放源代码促进会（OpenSourceInitiative）批准的开源协议有58种。（1）BSD开源协议：使用者可以自由的使用和修改源代码。（2）GPL开源协议：GPL的出发点是代码的开源/免费使用和引用/修改/衍生代码的开源/免费使用，但不允许修改后和衍生的代码做为闭源的商业软件发布和销售。

无人机开源飞控的发展历程（1）第一代开源飞控：使用Arduino或其他类似的开源电子平台为基础，扩展连接各种MEMS传感器，能够让无人机平稳地飞起来，其主要特点是模块化和可扩展能力。（2）第二代开源飞控：大多拥有自己的开源硬件、开发环境和网络社区，采用全集成的硬件架构，主要特点是高集成性、高可靠性，其功能已经接近商业自动驾驶仪标准。（3）第三代开源飞控：在软件和人工智能方面进行了一些重大革新，加入了集群飞行、图像识别、自主避障、自动跟踪飞行等高级飞行功能，向机器视觉、集群化、开发过程平台化的方向发展。无人机开源飞控的选择方法（1）适配。

目前众多无人机生产厂商中拥有自己的商用飞控技术和品牌的较少，多数生产厂家走了一条设计、研发、生产机体，采购成熟飞控，最后开拓市场渠道的道路，这有利于公司的快速起步。（2）三看。

一看公司产能，二看器件筛选，三看测试环境。（3）服务。在无人机的实际使用中，开源飞控生产厂商的专业服务是一个特别重要的因素。要选择售后技术服务好的厂商。民用航空空域划分（1）飞行情报区（2）管制空域①A类空域②B类空域③C类空域④D类空域（3）禁区（4）限制区（5）危险区（6）航路（7）航线低空空域划分

民用航空飞行高度一般在6000米以上。低空空域指的是1000米以下的飞行区域。我国已经开放低空空域，将低空空域开放给广大老百姓的私人飞行器（包括有人驾驶和无人驾驶的飞行器）使用，以发展繁荣我国的航空业。低空空域划分为三类：（1）管制空域（2）监视空域（3）报告空域无人机飞行空域划分和分类管理（1）无人机飞行空域划分①视距内运行（VisualLineofSightoperations，VLOS）②超视距运行（ExtendedVLOS，EVLOS）③融合空域④隔离空域⑤人口稠密区⑥重点地区⑦机场净空区（2）无人机飞行管理的分类：共分为七类（3）无须证照管理的无人机①Ⅰ类无人机（空机重量和起飞全重小于1.5千克）。②在室内、拦网内等隔离空间运行的无人机。无人机飞行管理的要求①无人机云系统（简称无人机云）②电子围栏③主动反馈系统④被动反馈系统⑤民用无人机驾驶员资格要求⑥禁止洒驾⑦控制能力要求多旋翼无人机飞行相关的法律问题

1．空域限制的法律问题：

国家领空事关主权，因此，国家对于空域管制是非常严格的，并进行统一管理。根据《中华人民共和国飞行基本规则》规定，空域通常划分为航路、航线、空中禁区、空中限制区和空中危险区等。2．民用多旋翼无人机适航法律问题：民用多旋翼无人机当向国务院民用航空主管部门申请领取型号合格证书，并取得适航证书，方可飞行。多旋翼无人机飞行相关的法律问题

3．民用多旋翼无人机安全责任问题我国《侵权责任法》规定“民用航空器造成他人损害的，民用航空器的经营者应当承担侵权责任，但能够证明损害是因受害人故意造成的，不承担责任”。4．民用多旋翼无人机和隐私权问题民用多旋翼无人机编制形成的实景地图，应按照规定送测绘地理信息行政主管部门进行地图审核，经审核批准取得审图号后方可公开使用”。民用多旋翼无人机飞行管理文件

我国民航局已经颁发了多个管理文件，主要涉及空域飞行管制，航空器适航性审定，航空器驾驶人员审核和航空作业许可等四个方面。

1．《通用航空飞行管制条例》2．《民用无人驾驶航空器实名制登记管理规定》3．《无人驾驶航空器飞行管理暂行条例》4．《民用无人机驾驶员管理规定》