无人机-动力系统

无人机动力系统

学习任务1电动机系统的认知与原理1.了解电动机的分类和外形区别。2.掌握电动机的基本结构和相关术语。3.掌握有刷电机和无刷电机的工作原理。4.掌握有刷电调和无刷电调的工作原理。5.掌握电池的各项参数和类别。6.掌握螺旋桨的各项参数和类别。知识目标任务描述学习本部分的内容，是为了了解电动机动力系统组成部分，电动机工作原理、各项参数意义，该部分知识能够使人了解动力系统的重要性和电动机动力系统的特点。电动机是将电能转化为机械能的一种机械装置。现在无人机应用最广数量最多的是无刷电机，它具有结构简单、稳定、效率高、耐用等优点。使用电动机作为无人机的动力系统核心是无人机最广泛的应用方案。该动力系统最大的特点是只需要电力就可以满足飞机的能源需求。主要包括电动机、电子调速器、螺旋桨和电池4个部分。电动机负责将电能转化为机械能，目前，多旋翼无人机的电动机以无刷直流电机为主。电子调速器负责将飞行控制系统的控制信号快速转变为电枢电压和电流，以控制电动机的速度。螺旋桨是直接产生推力的部件，旋转方向分为正反两种。电池是多旋翼无人机的能源，与多旋翼无人机的飞行距离和最大负载重量等重要指标直接相关。对于多旋翼无人机而言，动力系统是其起飞阶段、稳定飞行阶段、降落阶段的核心硬件。目前无人机动力系统所使用的电动机分为有刷电机和无刷电机两个大类。这两种电机在工作方式和性能上都有很大差别。其中无刷电机因为性能更高所以在无人机中应用较为广泛，而有刷电机凭借低廉的价格和简单的构造取得在小型无人机中的一席之地。有刷电机有刷电机是大家最早接触的一类电机，例如很多电动小玩具，或者很多家用的吹风机里面的电机都是有刷电机。有刷电机的主要结构就是定子，转子，电刷，通过旋转磁场获得转动力矩，从而输出动能。电刷与换向器不断接触摩擦，在转动中起到导电和换相作用。有刷电机工作过程是将各组线圈的两个电源输入端，依次排成一个环，相互之间用绝缘材料分隔，组成一个像圆柱体的东西，与电机轴连成一体，电源通过两个碳元素做成的碳刷，在弹簧压力的作用下，从两个特定的固定位置，压在上面线圈电源输入环状圆柱上的两点，给一组线圈通电。随着电机转动，不同时刻给不同线圈或同一个线圈的不同的两极通电，使得线圈产生磁场的N-S极与最靠近的永磁铁定子的N-S极有一个适合的角度差，磁场异性相吸、同性相斥，产生力量，推动电机转动。碳电极在线圈接线头上滑动，像刷子在物体表面刷，因此叫碳“刷”。相互滑动，会摩擦碳刷，造成损耗，需要定期更换碳刷；碳刷与线圈接线头之间通断交替，会发生电火花，产生电磁破，干扰电子设备。相关知识点1:无人机电动机的类型2.无刷电机无刷直流电机由电动机主体和驱动器组成。无刷电机的转子是永磁磁钢，连同外壳一起和输出轴相连，定子是绕组线圈，去掉了有刷电机用来交替变换电磁场的换向电刷，故称之为无刷电机（Brushlessmotor）。依靠改变输入到无刷电机定子线圈上的电流波交变频率和波形，在绕组线圈周围形成一个绕电机几何轴心旋转的磁场，这个磁场驱动转子上的永磁磁钢转动，电机就转起来了。电机的性能和磁钢数量、磁钢磁通强度、电机输入电压大小等因素有关，更与无刷电机的控制性能有很大关系。因为输入的是直流电，电流需要电子调速器将其变成3相交流电，还需要从遥控器接收机那里接收控制信号，控制电机的转速，以满足无人机使用需要。无刷电机采取电子换向，线圈不动，磁极旋转。无刷电机转子的位置确定可以通过霍尔元件，编码器或者其他，感知永磁体磁极的位置。根据这种感知，适时切换线圈中电流的方向，保证产生正确方向的磁力，来驱动电机。这些电路，就是电机控制器。无刷电机的控制器，还可以实现一些有刷电机不能实现的功能，比如调整电源切换角、制动电机、使电机反转、锁住电机、利用刹车信号，停止给电机供电。由于无刷直流电动机是以自控式运行的，所以不会像变频调速下重载启动的同步电机那样在转子上另加启动绕组，也不会在负载突变时产生振荡和失步。差异有刷电机无刷电机适用范围普通的电动设备都可以使用。由于碳刷的磨损，需要定期进行更换电刷，因此有刷电机使用寿命较低常用于对控制要求比较高，转速比较高的设备，如无人机，电动汽车，精密仪器仪表等控制方式有刷电机通过调节供电电压的大小直接控制转速，因此控制电机比较简单一般通过的供电电源的电压不变，改变电调的控制信号，通过微处理器再改变大功率MOS管的开关速率，来实现转速的改变，因此控制电机较为复杂启动电机响应速度快，起动扭矩大，速度从零到最大几乎感觉不到振动，起动时可带动更大的负荷起动电阻大，功率因素小，无刷电机在起动和制动时运行不平稳，起动扭矩相对较小，起动时有嗡嗡声，并伴随着强烈震动，起动时带动负荷较小，振动大，只有在速度恒定时才会平稳精度高精度直流有刷电机通常和减速箱、译码器一起使用，使的电机的输出功率更大，控制精度更高，控制精度可以达到0.01毫米，几乎可以让运动部件停在任何想要的地方无刷电机由于在启动和制动时不平稳，所以运动部件每次都会停到不同的位置上，必须通过定位销或限位器才可以停在想要的位置上效率有刷电机的换相由于只能有电刷决定，而且存在摩擦损耗无刷电机根据转子位置的实际情况，适时切换线圈中电流的方向，即使在不同的负载下，也可以保证时刻产生最大的扭矩保养碳刷电机需要更换碳刷，如果更换不及时会造成电机的损坏使用寿命很长，通常是有刷电机的10倍以上，但是坏了就需要更换电机，但日常维护基本不需要工况碳刷与线圈接线头之间通断交替，会发生电火花，产生电磁破，干扰电子设备，同时还伴随着噪音和震动无刷电机去除了电刷，极大减少了电火花对遥控无线电设备的干扰，运转时摩擦力大大减小，运行顺畅，噪音会低许多，有助于于无人机运行稳定相关知识点2有刷电机和无刷电机的区别相关知识点3:无刷电机的组成部分大多数无人机使用无刷电机，这和它的结构特点有很大关系。无刷电机的前盖、中壳、后盖主要是整体结构件，起到构建电机整体结构的作用。但是外转子无刷电机的外壳同时也是磁铁的磁路通路，所以外壳必须是导磁性的物质构成。内转子的外壳只是结构件，所以不限定材质。但是内转子电机比外转子电机多一个转子铁芯，这个转子铁芯的作用同样也是起到磁路通路的作用。磁铁：是安装在转子上，是无刷电机的重要组成部分，无刷电机的绝大部分性能参数都与磁铁相关，包括功率、转速、扭矩等。硅钢片：是有槽无刷电机的重要组成部分，当然，无槽无刷电机是没有硅钢片的，但是目前绝大多数的无刷电机都是有槽的。它在整个系统中的作用主要是降低磁阻、参与磁路运转。转轴：是电机转子的直接受力部分，转轴的硬度必须能满足转子高速旋转的要求。轴承：是电机运转顺畅的保证，轴承可以分为滑动轴承和滚动轴承，而滚动轴承又可以细分为深沟球轴承、滚针轴承和角接触轴承等十大类，而目前大多数的无刷电机都是采用深沟球轴承。相关知识点4:电调电调全称电子调速器，英文ElectronicSpeedControl，简称ESC。针对电机不同，可分为有刷电调和无刷电调。电调可以通过接收PWM信号来将输入的电源转为不同的电压，并输出到电机，从而达到使电机产生不同的转速的目的。有刷电调可以改变电流方向，从而可以改变电机转动方向。而无刷电调却不能改变电机的转动方向，但是可以将直流电转为三相交流电，从而输出到无刷电机上。电调还有两个比较重要的指标：最高电压和最大电流。最高电压：电调所支持的最高电压。通常在电调上会标有Li-Po3（3节锂电池）、Li-Po4（4节锂电池）或Li-Po6（6节锂电池）等字样，表示电调所支持的最高电压是12.6v、16.8v或25.2v。电调的最高电压并不是越高越好，从直观感受上讲最高电压的越大，电调的体积就越大，重量也就越大，飞机的负载也就越大。所以在飞机设计中通常是选择合适的电调，而不是一味的选择高电压电调。最大电流：流经电调本身的电流的最大值。通常是10A、15A、20A、30A或40A。如果在无人机飞行过程中我们需要电机高速转动，就需要更高的电压和更大的电流。如果电流值超过电调所能承受的最大电流时，就会导致电调过载，电调烧毁，电机停转，进而坠机的情况。所以电调最大电流的选择上也要慎重考虑。电调生产商通常会在最高电压和最大电流的中预留10%的超额范围，以防万一。另外，当实际电流很大时，电调的内阻就不能完全忽略，当电流很大时，电调本身也会消耗掉一部分功率。相关知识点5:电调的分类电调通过搭配的电机来分类，搭配有刷电机的电调就是有刷电调，搭配无刷电机的电调就是无刷电调。不同种类的电调功能不同，外形不同，也不能相互混用。1.有刷电调有刷电调是用于有刷电机的。输入为直流电一正一负两根线，输出也是一正一负两根线。想要改变电机的转动方向，只需要改变其电源的正负极即可，也就是改变电流的方向。有刷电调可以通过内部电路来改变输出电流的方向，从而达到电机不同方向的转动。如果想要改变电机的转速，就需要改变电压和电流的大小。2.无刷电调无刷电调的作用是将直流电源转为三相交流电，并可以通过改变输出电压，从而改变无刷电机转动的速度。与有刷电调不同的是，无刷电调不能改变电机的转动方向，改变无刷电机转动方向只需要将电机的三根电源线的任意两根反接即可。无刷电调使用PWM信号控制电压，从而电机转速，由于无刷电调不能改变电机的转动方向所以PWM占空比由50%到100%逐渐变化的过程就是电机由停转到越转越快的过程，直至达到最大转速。相关知识点6:PWM信号

PWM信号的频率是通常是没有规定的，可以是50hz、100hz、200hz或500hz等等。控制频率越高，其周期越短，控制间隔也就越短，电调和电机响应速度也就越快。反之，控制频率越低，其周期就越长，控制间隔就越长，电调和电机的响应速度就越慢。早期电调响应PWM信号的频率是50hz，但随着科技的发展和对控制流畅度的要求，现在多数电调都支持500hz以上的PWM信号，并且电调内部自带滤波器，可以很好的响应并控制电机的转动。PWM英文全称为（Pulse-widthmodulation）。也称占空比信号，它表示高电平时长占整个信号周期的比例。例如：PWM的整个周期为2ms，而高电平时长为0ms，低电平时长为2ms，那么占空比的值为0%；又如高电平时长为1ms，而低电平时长为1ms，那么占空比信号则为50%；如果高电平时长为2ms，而低电平时长为0ms，那么占空比信号为100%。相关知识点7:螺旋桨靠桨叶在空气中旋转将发动机转动功率转化为推进力或升力的装置，简称螺旋桨。螺旋桨旋转时，桨叶不断把大量空气（推进介质）向后推去，在桨叶上产生一向前的力，即推进力。当该面朝前时，逆时针旋转产生拉力的为正桨，顺时针旋转产生拉力的为反桨。一般情况下，螺旋桨除旋转外还有前进速度。如截取一小段桨叶来看，恰像一小段机翼，其相对气流速度由前进速度和旋转速度合成。相关知识点8:螺旋桨的分类1.定距螺旋桨木制螺旋桨一般都是定距的。它的桨距（或桨叶安装角）是固定的。适合低速的桨叶安装角在高速飞行时就显得过小；同样，适合高速飞行的安装角在低速时又嫌大。所以定距螺旋桨只在选定的速度范围内效率较高，在其他状态下效率较低。定距螺旋桨构造简单，重量轻，在功率很小的无人机上得到广泛应用。2.变距螺旋桨为了解决定距螺旋桨高、低速性能的矛盾，遂出现了飞行中可变桨距的螺旋桨。螺旋桨变距机构由液压或电力驱动。变距螺旋桨广泛应用于固定翼飞机和直升机，虽然两者都在使用变距螺旋桨，但是目的和形状都不尽相同。固定翼飞机使用变距螺旋桨的目的在于通过调节螺旋桨的拉力，使螺旋桨处于最佳工作状态。而直升机使用变距螺旋桨不只是为了调节螺旋桨的拉力，也是为了调节飞机的姿态和运动方向。相关知识点9:螺距螺距的意义是指螺丝钉延螺旋线方向两个相同螺纹之间的距离如下图：而对于螺旋桨来说，我们知道桨的叶片与转动平面是有一个夹角的，所以在转动时才会对空气产生推力。而这正因为这个夹角的存在，我们就可以对这个夹角做度量，为其测量螺距。我们假设螺旋桨与螺丝钉一样延着螺旋线转动并延伸下去，如下图：这样我们就可以清楚的看到螺旋桨在螺旋线方向上两个相邻螺纹之间的距离。通常这个距离用英寸来表示，例如7045、8045、9045、1045这些指标的后两个数字表示其螺距为4.5英寸；7050、8050、9050、1050表示其螺距为5.0英寸。而前两个数字，表示其直径的大小，例如：8045表示桨的直径为8.0英寸，9045表示桨的直径为9.0英寸，1045表示桨的直径是10英寸，而不是1.0英寸。相关知识点10:桨叶的数量桨的直径越长，在相同电机转速下其拉力越大，直径越小拉力越小。在上面我们谈的都是两叶桨，常见的还有三叶桨和四叶桨。在直径、螺距、电机转速相同的情况下，桨叶越多其拉力越大，但是其转动惯量与空气阻力也就越大。电机使三叶桨达到与二叶桨相同转速时，需要的电流就更大，而当电流增加到十几安培乃至几十安培时，电机的内阻和电调的内阻就会消耗掉一定的功率产生热量，而电机对桨产生的动能相对减小了一部分。使用多叶桨达到与两叶桨相同转速需要消耗的功率就更大。因此，通常情况下三叶桨与四叶桨的效率并没有二叶桨的效率高。所以对于多旋翼无人机我们也推荐使用二叶桨。相关知识点11:无人机动力电池对于无人机来说动力电池通常采用锂芯电池，也就是我们日常所说的锂电池，用LiPo表示，每节锂电池的电压通常为3.7v到4.2v，也就是说每一节锂电池的空电电压为3.7满电电压为4.2v。锂电池的放电效果要比普通镍氢电池或镍锂电池好，所以也在无人机上得到广泛应用。锂电池由满电到空电的放电过程电压值并不是线性的，就是说锂电池在放电过程中电压值并不是按比例承时间变化的直线，而是一条曲线

通过曲线我们可以清楚的看到锂电池在刚开始放电时，电压降低的速度比较接近于线性变化，而后逐渐平缓，并持续较长一段时间，而后电压迅速降低。从典型放电曲线图上可以看出，电池放电电流越大，放电容量越小，电压下降更快。但是在实际使用过程中4.2v的电压是不够的，所以人们想到将多节锂电池串联起来提高电压。例如只有1节锂的电池称为LiPo1S电池，由2节锂电池串联起来的电池称为LiPo2S，由3节、4节或6节串联的分别称为LiPo3S、LiPo4S或LiPo6S。对于多数世面上出售的动力电池除了会注明电池节数之外，还会注明其空电电压值，例如：1s3.7v。2s7.4v。3s11.1v。4s14.8v。6s22.2v。动力电池的电压越高就可以驱动动力更强的电机转动。在小型有刷多旋翼无人机上使用的通常都是1s或2s锂电池。而中型多旋翼上使用的通常是3s、4s电池，6s电池通常用在更大的无人机上。相关知识点12:电池的容量和放电倍率在购买动力电池时，我们可以看到电池上还有电量的标注，电量就是我们所常用的3000mah、4000mah、5300mah或10000mah等等。它表示了动力电池能够存储的电能的多少，单位为毫安时。而放电倍率通常是有15C、20C、25C或30C等等。它的意思是说放电的速率。例如：我们有一块10000mah20C的电池。1、按每小时10000毫安的放电速度持续放电1个小时；2、以5倍速度放电，即以每小时50000毫安的放电速度持续放电12分钟（60/5）；3、以10倍速度放电，即以每小时100000毫安的放电速度持续放电6分钟（60/10）；4、以20倍速度放电，即以每小时200000毫安的放电速度持续放电3分钟（60/20）。至于在实际飞行过程中它按多少的倍率放电，主要取决于电调和电机的功率，也就是负载的电流消耗。影响电池容量的因素：1.电电流：电流越大，输出的容量减少；2.电池的放电温度：温度降低，输出容量减少；3.电池的放电截止电压：是由电极材料以及电极反应本身的限定来设定的放电时一般为3.5V或3.2V。4.电池的充放电次数：电池经过多次充放电后，由于电极材料的失效，电池的放电容量会相应减少。5.电池的充电条件：充电倍率、温度、截止电压等影响充入电池的容量，从而决定放电容量。模块2无人机动力系统

学习任务2内燃机系统之活塞发动机的认识1.了解一般无人机所用内燃机的分类和外形区别。2.掌握二冲程发动机的基本结构和相关术语。3.掌握二冲程发动机和四冲程发动机的工作原理。4.掌握燃料的各种差别和用途。5.学会拆装和检修无人机内燃机动力系统。知识目标任务描述学习本部分的内容，是为了了解内燃机动力系统组成部分，二冲程发动机工作原理、各项参数意义，该部分知识能够使人了解动力系统的重要性和内燃机动力系统的特点。内燃机是将化学能转化为机械能的一种机械装置。现在无人机应用最广数量最多的是二冲程发动机，它具有重量轻、动力强、价格低等优点。相关知识点1:内燃机的分类内燃机作为飞机的动力系统有着悠久的历史。在无人机领域里固定翼无人机多采取内燃机作为动力系统。因为其具有续航能力强，成本低，重量轻等优点，也因为只有内燃机引擎可以使飞机超音速飞行。首先按照燃料燃烧位置不同分为外燃机和内燃机。外燃机就是燃料在开放区域（气缸外）燃烧，是用燃料燃烧产生的热量传递给另一种介质，由另一种介质推动活塞运动，蒸汽机就是典型的外燃机，燃料燃烧将水烧开，再由蒸汽推动活塞运动，产生行驶的动力。由于外燃机是在缸体外燃烧，热量的损失较大，热效率不高，但是它有一个优点就是不挑食，它对燃料不挑剔，只要是能（剧烈）燃烧产生热量的物质，都可以成为外燃机的燃料。而内燃机的燃料是直接在（气缸内）燃烧，产生热量推动活塞运动。内燃机的燃料是在缸体内燃烧，热量损失小，热效率更高。全局阈值

是指整幅图像使用同一个阈值做分割处理，适用于背景和前景有明显对比的图像，它是根据整幅图像确定的。但是这种方法只考虑像素本身的灰度值，一般不考虑空间特征，因而对噪声很敏感。常用的全局阈值选取方法有利用图像灰度直方图的峰谷法、最小误差法、最大类间方差法、最大熵自动阈值法以及其它一些方法。自适应阈值是指在许多情况下，物体和背景的对比度在图像中的各处是不一样的，这时很难用一个统一的阈值将物体与背景分开。这时可以根据图像的局部特征分别采用不同的阈值进行分割。实际处理时，需要按照具体问题将图像分成若干子区域分别选择阈值，或者动态地根据一定的邻域范围选择每点处的阈值，进行图像分割。最佳阈值阈值的选择需要根据具体问题来确定，一般通过实验来确定。对于给定的图像，可以通过分析直方图的方法确定最佳的阈值，例如当直方图明显呈现双峰情况时，可以选择两个峰值的中点作为最佳阈值。10.1.1全局阈值分割全局阈值分割即当像素值高于某一阈值时（如127），我们给这个像素赋予一个新值（如白色），否则我们给它赋予另外一种颜色（如黑色）。OpenCV中的实现全局阈值分割的函数是cv2.threshold，其语法格式为：dst=cv2.threshold(src,thresh,maxval,type)其中输入输出参数如下：src：源图像，必须是单通道;thresh：阈值，取值范围0～255;maxval：填充色，取值范围0～255;type：阈值类型如表10-1所示。【例10.1】使用各种阈值分割类型对图像进行处理，程序代码如下：importcv2frommatplotlibimportpyplotasplt

img=cv2.imread('d:/pics/lena.jpg',0)ret,thresh1=cv2.threshold(img,127,255,cv2.THRESH_BINARY)ret,thresh2=cv2.threshold(img,127,255,cv2.THRESH_BINARY_INV)ret,thresh3=cv2.threshold(img,127,255,cv2.THRESH_TRUNC)ret,thresh4=cv2.threshold(img,127,255,cv2.THRESH_TOZERO)ret,thresh5=cv2.threshold(img,127,255,cv2.THRESH_TOZERO_INV)

titles=['OriginalImage','BINARY','BINARY_INV','TRUNC','TOZERO','TOZERO_INV']images=[img,thresh1,thresh2,thresh3,thresh4,thresh5]foriinrange(6):plt.subplot(2,3,i+1),plt.imshow(images[i],'gray')plt.title(titles[i])plt.xticks([]),plt.yticks([])plt.show()10.1.2自适应阈值上节介绍的阈值算法是全局阈值，但一副图像中不同位置的光照情况可能不同，全局阈值会失去很多信息，这种情况下我们需要采用自适应阈值。自适应阈值二值化函数根据图像的小块区域的值来计算对应区域的阈值，从而得到更为合适的图像。OpenCV中实现自适应阈值分割的函数是cv2.adaptiveThreshold，其语法格式为：dst=cv2.adaptiveThreshold(src,maxval,thresh_type,type,BlockSize,C)其中输入输出参数如下：src：源图像，必须是单通道；dst：输出图像；maxval：填充色，取值范围0～255；thresh_type：计算阈值的方法有如下2种：cv2.ADAPTIVE_THRESH_MEAN_C：通过平均的方法取得平均值；cv2.ADAPTIVE_THRESH_GAUSSIAN_C：通过高斯法取得高斯值。type；阈值类型，见表10-1所示；BlockSize：图片中分块的大小；C：阈值计算方法中的常数项。【例10.2】使用自适应选取阈值方法对图像进行处理，程序代码如下：importcv2importnumpyasnpfrommatplotlibimportpyplotasplt

img=cv2.imread('d:/pics/lena.jpg',0)ret,th1=cv2.threshold(img,127,255,cv2.THRESH_BINARY)#设Blocksize=11,C=2th2=cv2.adaptiveThreshold(img,255,cv2.ADAPTIVE_THRESH_MEAN_C,cv2.THRESH_BINARY,11,2)th3=cv2.adaptiveThreshold(img,255,cv2.ADAPTIVE_THRESH_GAUSSIAN_C,cv2.THRESH_BINARY,11,2)titles=['OriginalImage','GlobalThresholding(v=127)','AdaptiveMean','AdaptiveGaussian']

images=[img,th1,th2,th3]foriinrange(4):plt.subplot(2,2,i+1),plt.imshow(images[i],'gray')plt.title(titles[i]),plt.axis('off')plt.show()【10.4】基于初始种子自动选取的区域生长。程序代码如下：importcv2importnumpyasnp

#初始种子选择deforiginalSeed(gray,th):ret,thresh=cv2.threshold(gray,th,250,cv2.THRESH_BINARY)#二值图，种子区域(不同划分可获得不同种子)kernel=cv2.getStructuringElement(cv2.MORPH_ELLIPSE,(3,3))#3×3结构元thresh_copy=thresh.copy()thresh_B=np.zeros(gray.shape,np.uint8)

seeds=[]#为了记录种子坐标#循环，直到thresh_copy中的像素值全部为0whilethresh_copy.any():Xa_copy,Ya_copy=np.where(thresh_copy>0) #thresh_A_copy中值为255的像素的坐标thresh_B[Xa_copy[0],Ya_copy[0]]=255#选取第一个点，并将thresh_B中对应像素值改为255#连通分量算法，先对thresh_B进行膨胀，再和thresh执行“与”操作（取交集）foriinrange(200):dilation_B=cv2.dilate(thresh_B,kernel,iterations=1)thresh_B=cv2.bitwise_and(thresh,dilation_B)

#取thresh_B值为255的像素坐标，并将thresh_copy中对应坐标像素值变为0Xb,Yb=np.where(thresh_B>0)thresh_copy[Xb,Yb]=0

#循环，在thresh_B中只有一个像素点时停止whilestr(thresh_B.tolist()).count("255")>1:thresh_B=cv2.erode(thresh_B,kernel,iterations=1)#腐蚀操作

X_seed,Y_seed=np.where(thresh_B>0)#取此处种子坐标ifX_seed.size>0andY_seed.size>0:seeds.append((X_seed[0],Y_seed[0]))#将种子坐标写入seedsthresh_B[Xb,Yb]=0#将thresh_B像素值置零returnseeds

#区域生长defregionGrow(gray,seeds,thresh,p):seedMark=np.zeros(gray.shape)ifp==8:#八邻域connection=[(-1,-1),(-1,0),(-1,1),(0,1),(1,1),(1,0),(1,-1),(0,-1)]elifp==4:#四邻域connection=[(-1,0),(0,1),(1,0),(0,-1)]

#seeds内无元素时候生长停止whilelen(seeds)!=0:#栈顶元素出栈pt=seeds.pop(0)foriinrange(p):tmpX=pt[0]+connection[i][0]tmpY=pt[1]+connection[i][1]

#检测边界点iftmpX<0ortmpY<0ortmpX>=gray.shape[0]ortmpY>=gray.shape[1]:continueifabs(int(gray[tmpX,tmpY])-int(gray[pt]))<threshandseedMark[tmpX,tmpY]==0:seedMark[tmpX,tmpY]=255seeds.append((tmpX,tmpY))returnseedMark

if__name__=='__main__':img=cv2.imread("d:/pics/rice.png")gray=cv2.cvtColor(img,cv2.COLOR_BGR2GRAY)cv2.imshow('Originalimage',gray)seeds=originalSeed(gray,th=180)seedMark=regionGrow(gray,seeds,thresh=3,p=8)cv2.imshow("seedMark",seedMark)cv2.waitKey(0)cv2.destroyAllWindows()10.2.2区域分裂合并区域分裂合并基本上是区域生长的逆过程：从整个图像出发，不断分裂得到各个子区域，然后再把前景区域合并，实现目标提取。分裂合并的假设是对于一幅图像，前景区域由一些相互连通的像素组成的，因此，如果把一幅图像分裂到像素级，那么就可以判定该像素是否为前景像素。当所有像素点或者子区域完成判断以后，把前景区域或者像素合并就可得到前景目标。区域分裂合并方法中，最常用的方法是四叉树分解法，如图10-5所示。分裂合并法的关键是分裂合并准则的设计，其基本思想是先确定一个分裂合并的准则，即区域特征一致性的测度。当图像中某个区域的特征不一致时就将该区域分裂成4个相等的子区域，当分裂到不能再分的情况时，分裂结束；然后查找相邻区域有没有相似的特征，当相邻的子区域满足一致性特征时则将它们合成一个大区域，直至所有区域不再满足分裂合并的条件为止，最后达到分割的目的。【例10.5】利用区域分裂合并算法分割图像，程序代码如下：importnumpyasnpimportcv2

#判断方框是否需要再次拆分为四个defjudge(w0,h0,w,h):a=img[h0:h0+h,w0:w0+w]ave=np.mean(a)std=np.std(a,ddof=1)count=0total=0foriinrange(w0,w0+w):forjinrange(h0,h0+h):ifabs(img[j,i]-ave)<1*std:count+=1total+=1if(count/total)<0.95:#合适的点还是比较少，接着拆returnTrueelse:returnFalse##将图像将根据阈值二值化处理，在此默认125defdraw(w0,h0,w,h):foriinrange(w0,w0+w):forjinrange(h0,h0+h):ifimg[j,i]>125:img[j,i]=255else:img[j,i]=0defsplitting(w0,h0,w,h):#分裂函数ifjudge(w0,h0,w,h)and(min(w,h)>5):splitting(w0,h0,int(w/2),int(h/2))splitting(w0+int(w/2),h0,int(w/2),int(h/2))splitting(w0,h0+int(h/2),int(w/2),int(h/2))splitting(w0+int(w/2),h0+int(h/2),int(w/2),int(h/2))else:draw(w0,h0,w,h)if__name__=="__main__":img=cv2.imread('d:/pics/lena.jpg',0)img_input=cv2.imread('d:/pics/lena.jpg',0)#备份height,width=img.shape[0:2]splitting(0,0,width,height)cv2.imshow('input',img_input)cv2.imshow('output',img)cv2.waitKey(0)cv2.destroyAllWindows()10.3图像的边缘分割

图像分割的一种重要途径是通过边缘检测，即检测灰度级或者结构具有突变的地方，表明一个区域的终结，也是另一个区域开始的地方。图像中边缘处像素的灰度值不连续，这种不连续性可通过求导数来检测到。对于阶跃状边缘，其位置对应一阶导数的极值点，对应二阶导数的过零点(零交叉点)。因此常用微分算子进行边缘检测。常用的一阶微分算子有Roberts算子、Prewitt算子和Sobel算子，二阶微分算子有Laplace算子和Kirsh算子等。在实际中各种微分算子常用小区域模板来表示，微分运算是利用模板和图像卷积来实现。这些算子对噪声敏感，只适合于噪声较小不太复杂的图像。由于边缘和噪声都是灰度不连续点，在频域均为高频分量，直接采用微分运算难以克服噪声的影响。因此用微分算子检测边缘前要对图像进行平滑滤波。LoG算子和Canny算子是具有平滑功能的二阶和一阶微分算子，边缘检测效果较好。其中LoG算子是采用Laplacian算子求高斯函数的二阶导数，Canny算子是高斯函数的一阶导数，它在噪声抑制和边缘检测之间取得了较好的平衡。相关知识点1:内燃机的分类如果根据燃料的不同，发动机有汽油、柴油之分。汽油发动机（GasolineEngine）是以汽油作为燃料，将内能转化成动能的的发动机。由于汽油粘性小，蒸发快，可以用汽油喷射系统将汽油喷入气缸，经过压缩达到一定的温度和压力后，用火花塞点燃，使气体膨胀做功。汽油机的特点是转速高、结构简单、质量轻、造价低廉、运转平稳、使用维修方便。汽油机在汽车上，特别是小型汽车上大量使用。由于汽油粘性小，蒸发快，可以在气缸外部与空气形成均匀的混合气，然后将混合气吸入气缸，或用汽油喷射系统将汽油喷入气缸，使气体膨胀做功。汽油机的缺点是热效率低于柴油机，泊耗较高，点火系统比柴油机复杂，可靠性和维修的方便性也不如柴油机。柴油发动机是燃烧柴油来获取能量释放的发动机。柴油发动机的优点是扭矩大、经济性能好。柴油发动机的工作过程与汽油发动机有许多相同的地方，每个工作循环也经历进气、压缩、做功、排气四个冲程。但由于柴油机用的燃料是柴油，它的粘度比汽油大，不容易蒸发，而其自燃温度却比汽油低，因此，可燃混合气的形成及点火方式都与汽油机不同。不同之处主要有，柴油发动机的气缸中的混合气是压燃的，而非点燃的。柴油发动机工作时，进入气缸的是空气，气缸中的空气压缩到终点的时候，温度可以达到500-700℃，压力可以达到40—50个大气压。活塞接近上止点时，供油系统的喷油嘴以极高的压力在极短的时间内向气缸燃烧室喷射燃油，柴油形成细微的油粒，与高压高温的空气混合，可燃混合气自行燃烧，猛烈膨胀产生爆发力，推动活塞下行做功，此时温度可达1900-2000℃，压力可达60-100个大气压，产生的扭矩很大，所以柴油发动机广泛的应用于大型柴油设备上。不管是蒸汽机还是后来的单缸（多缸）柴油机、汽油机，都是活塞发动机。相关知识点2:活塞发动机结构活塞发动机通常是指燃油在汽缸里燃烧膨胀，推动活塞下行带动曲轴旋转，以此形式输出动力的发动机，其利用一个或者多个活塞将压力转换成旋转动能。活塞发动机主要由活塞、曲轴、连杆、气缸、进排气们和火花塞等组成，活塞活塞在气缸中做往复运动，其顶面和气缸头内表面之间的空间是燃烧室。活塞发动机上装有数个弹性很强的活塞环，又称涨环，其作用是防止燃烧室内的高温高压燃气向外泄漏，并防止滑油从外部进入燃烧室。曲轴和连杆活塞和曲轴由连杆相连，从而将活塞的直线运动转变为曲轴的旋转运动，并将从每个气缸获得的功传输到螺旋桨。气缸气缸内壁是燃烧室的组成部分，在发动机工作时，汽油与空气的混合物在燃烧室被压缩点燃，转变为高温、高压燃气，通过燃气的膨胀使热能转变为机械能。进、排气门:新鲜的油气混合物通过进气门进入气缸，膨胀做功后的废气经过排气系统排出。进、排气门的开关由气门结构控制。火花塞:火花塞通常被称为电嘴，其功能是适时高压放电，点燃气缸中的新鲜油气混合物。相关知识点3:活塞发动机工作原理发动机的活塞顶部能到达的距曲轴旋转中心最远的位置叫上止点，相应地，活塞顶部能到达的距曲轴旋转中心最近的位置叫下止点，从上止点到下止点的距离叫活塞冲程活塞在气缸内要经过四个冲程，依次是进气冲程、压缩冲程、做功冲程、排气冲程1，进气冲程。这个冲程，进气门开启，排气门关闭。活塞下行，在缸内形成真空，这个冲程的目的是为了将空气或者油气混合物吸入缸内，对于柴油机和直喷式汽油机吸入的是纯空气，而对于非直喷汽油机吸入的是汽油和空气的混合物，这个冲程结束的适合，进气门会关闭。进气结束缸内会形成0.75到0.9个大气压压强。2，压缩冲程这个冲程的目的就是为了可燃混合气可以迅速燃烧，以产生较大的压力，从而增加发动机的输出功率。所以在燃烧前需要将混合气压缩，使其容积减少，密度增大，温度升高。此时混合气会被压缩到一个非常小的空间内，气缸内压力可以达到十几个大气压，温度可以达到300°上下。3，做功冲程这个行程，进，排气门仍然关闭，当活塞接近上止点的时候，火花塞点火，点燃被压缩的可燃气体。可燃混合气燃烧后，放出大量的热能，压力和温度迅速增加，所能达到最高压力5Mpa，约等于50个大气压力，温度可达2500°。高温高压燃气推动活塞从上止点向下止点运动。通过曲柄连杆机构旋转输出机械能，除了飞驰本身运作以外，其余用于对外做工。4.排气冲程可燃气体燃烧后生成的废气，必须从缸内排出，以便进行下一个循环。当做功冲程接近下止点的时候，排气门开启，靠废气压力自行排气，活塞绕过下止点后向上止点移动的时候，继续将废气强制排出到大气中。在排气行程终了，气缸内压力还是会稍稍大于大气压。相关知识点4:二冲程发动机和四冲程发动机①从结构上来看二冲程发动机的结构相对比较简单，主要由气缸盖、气缸、活塞、活塞环等零件组成，在缸体上开有进气孔、排气孔和换气孔；气孔的开启和关闭由活塞的位置决定。与四冲程发动机相比，没有复杂的配气机构和润滑系统，冷却系统一般都采用风冷，结构上大为简化，造价也更便宜。②四冲程发动机有独立的配齐机，通过凸轮轴、正时链条或气门顶杆，来控制气门的开启和关闭，比较精密。进、排气系统比较完善，所以比较省油。二冲程发动机通过活塞在上行和下行的过程中，在不同的阶段打开和关闭位于缸体上的进气口、排气口和扫气口来控制进排气，会造成浪费。四冲程相比于二冲程发动机更省油，而二冲程发动机的污染也比四冲程发动机严重。③从性能上来看，当曲轴转速相同时，二冲程发动机单位时间的作功次数是四冲程发动机的两倍。理论上二冲程发动机的功率应是四冲程发动机的两倍（但实际上只有1.5~1.7倍），发动机的升功率更高，动力性更好，发动机的振动也比较小。综合来看，四冲程发动机应用的更加广泛，绝大多数的汽车和工程机械上搭载的都是四冲程发动机，而二冲程发动机更多的应用在那些不常使用和“推重比”很重要的场合，比如剪草机、油锯、农作机械和无人机等。二冲程发动机是在两个行程内完成一个工作循环的发动机。二冲程发动机曲轴转一圈，发动机对外作功一次。压缩与吸气过程同时进行，做功后立即进行排气。由于完成一个做功循环需要活塞运动两个行程，所以叫二冲程。四冲程发动机会在四个行程内完成一个工作循环。曲轴转两圈，发动机对外做功一次。压缩、吸气、做功、排气四个过程分开进行。由于完成一个做工循环需要活塞运动四个行程，所以叫四冲程。二冲程发动机与四冲程发动机的区别如下:相关知识点5:二冲程发动机结构二冲程发动机气缸体上有三个孔，即进气孔、排气孔和换气孔，这三个孔分别在一定时刻由活塞关闭如图第一冲程：活塞自下止点向上移动，三个气孔同时被关闭后，进入气缸的混合气被压缩；在进气孔露出时，可燃混合气流入曲轴箱。第二冲程：活塞压缩到上止点附近时，火花塞点燃可燃混合气，燃气膨胀推动活塞下移做功。这时进气孔关闭，密闭在曲轴箱内的可燃混合气被压缩；当活塞接近下止点时排气孔开启，废气冲出；随后换气孔开启，受预压的可燃混合气冲入气缸，驱除废气，进行换气行程。模块2无人机动力系统

学习任务3内燃机系统之涡轮发动机的认识1.了解一般无人机所用涡轮喷气式发动机的分类和外形区别。2.掌握涡轮喷气式发动机的基本结构和相关术语。3.掌握涡轮喷气式发动机的工作原理。知识目标任务描述人类航空史上的一切重大成就，几乎都与航空发动机参数及性能的改善或新型动力装置的研制成功有关。自1939年装有涡轮喷气发动机的飞机在德国首次成功飞行以来，飞行器动力装置获得了飞速发展，使飞行器的性能和任务能力都取得了重大突破。学习本部分的内容，是为了了解内燃机中的涡轮喷气式发动机动力系统组成部分工作原理，该部分知识能够使人了解涡轮喷气式发动机动力系统的特点。现在高速大型无人机应用最广数量最多的是涡轮喷气式发动机，它具有体积大、动力强、可超音速等优点。相关知识点1:喷气发动机的分类

火箭发动机也是依靠高速喷射燃烧流体产生动力的发动机，但它不是用空气形成燃烧，而是用火箭本身自带的氧化剂和燃烧剂产生燃气射流。超燃冲压发动机、脉冲爆震发动机等新型发动机也属于喷气发动机，但它们的工作原理与其他空气喷气发动机不同。

与活塞式发动机通过活塞的往复运动或旋转运动产生动力的方式不一样，喷气发动机是通过高速喷射燃烧气体而产生的反冲作用获得动力使飞行器前进的发动机，包括了空气喷气式发动机和火箭发动机。空气喷气发动机燃料燃烧时需要从空气中获得氧气，因而只能在大气中飞行。根据是否有压气机，空气喷气发动机分为有压气机的喷气式发动机和无压气机的，喷气式发动机。有压气机的喷气式发动机主要有涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机、涡轮螺旋桨发动机和涡轮轴发动机，无压气机的喷气式发动机主要有冲压喷气发动机和脉冲喷气发动机。相关知识点2:空气喷气发动机的工作原理空气喷气发动机是以空气和燃油作为混合气体燃烧喷射的喷气发动机，这类发动机在工作时，从前端吸入大量空气，燃烧后高速喷出，相当于发动机给气体施加力使之加速向后喷射，按照作用力与反作用力原理，向后高速喷出的气体也会给发动机一个反作用力，即使飞机前进的推力。从产生输出能量的原理上讲，喷气式发动机和活塞式发动机是相同的，都需要有进气，加压，燃烧和排出的四个过程。不同的是，活塞式发动机的四个阶段是分时依次进行的，而在喷气式发动机中则是连续进行的。相关知识点3:涡轮喷气发动机经过压缩的空气被送入燃烧室与燃油混合燃烧，从燃烧室流出的高温高压燃气流过与压气机装在同一轴线上的涡轮，推动涡轮和压气机高速旋转。燃烧后，涡轮前的燃气