无人机驾驶基础及应用课件：合格的理论知识

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，机架一般采用塑料或碳纤维材质，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BEC。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受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。遥控装置能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，无人机驾驶员通过遥感或拨钮发出指令。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查和打击设备，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。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；一般图传或OSD只能传输信息到监视屏，不能接收信息，为下行数据链。数传即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。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，如图4-1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，也称直升飞机，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。飞行器飞行高度不高，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。三、无人机飞行管理

（一）无人机飞行风险（二）无人机飞行管理三、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三、无人机飞行管理

（二）无人机飞行管理级别空机重量（千克）起飞全重（千克）Ⅰ0＜W≤0.25Ⅱ0.25＜W≤41.5＜W≤7Ⅲ4＜W≤157＜W≤25Ⅳ15＜W≤11625＜W≤150Ⅴ植保类无人机Ⅵ无人飞艇Ⅶ超视距运行的Ⅰ、Ⅱ无人机Ⅺ116＜W≤5700150＜W≤5700ⅫW>5700注1:实际运行中，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅺ类分类有交叉时，按照较高要求的一类分类。注2:对于串、并列运行或者编队运行的无人机，按照总重量分类。注3:地方政府（例如当地公安部门）对于Ⅰ、Ⅱ类无人机重量界限低于本表规定的，以地方政府的具体要求为准。注4：分布式操作的无人机系统或者集群，其操作者个人无需取得无人机驾驶员执照。注5：分类等级排列顺序由低到高依次为：Ⅶ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅺ、Ⅻ，高分类等级执照可行使低分类等级执照权利（Ⅴ、Ⅵ分类等级不按重量级别划分）。分类管理国家无人机：军队、海事、警察等国家机关的无人机；民用无人机：国家机关以外运行的无人机，营业和个人。驾驶执照管理250g以上、超视距飞行，在有人\风险区域飞行的民用无人机需要驾驶执照；驾驶执照从2018年9月1日起由中国民航局管理。实名注册2017年8月31日起，单位和个人的无人机均需要在民航局网站进行注册，获得注册编号运营资质管理从事经营性无人机活动的单位需要取得经营资质：1、资质2、保险3、飞行申报飞行空域申请适航管理从事经营性活动的，作业无人机应当买足适航管理要求，即要用可靠的商品机，不能使用自制的未经适航认证的组装机飞行风险较大的区域以《广东省使用民用无人驾驶航空器治安管理办法》为例：三、严禁在以下区域的上空飞行无人机等“低慢小”航空器：(一)机场净空保护区（机场跑道中心线两侧各10公里、跑道两端各20公里范围）以及民航航路、航线，高速和普通铁路、公路以及水上等交通工具运行沿线、区域；(二)党政