多旋翼无人机教案课程

哈尔滨四通技工学校第三教学站延寿农民工综合培训学校多旋翼无人机操作教案二0一七春季生课程名称：多旋翼无人机操作基础授课教师:张海东课题第一章无人飞行器概述教学目标1、无人飞行器发展简史2、无人飞行器的优缺点3、无人飞行器应用领域教学重点1、什么事无人机2、无人机的应用3、无人机未来的发展趋势教材分析无人机的概述重要性，帮助学员更好的了解无人机。教学方法讲授法授课类型新课课时二课时课程内容一、组织教学二、课前提问三、导入新课四、教学内容：1、1910年，在莱特兄弟所取得的成功的鼓舞下，来自俄亥俄州的年轻军事工程师查尔斯•科特林建议使用没有人驾驶的飞行器：用钟表机械装置控制飞机，使其在预定地点抛掉机翼并象炸弹一样落向敌人。在美国陆军的支持和资助下，他制成并试验了几个模型，取名为“科特林空中鱼雷”、“科特林虫子”。2、二战期间，美国海军首先将无人机作为空面武器使用。1944年，美国海军为了对德国潜艇基地进行打击，使用了由B-17轰炸机改装的遥控舰载机。3、上世纪70-90年代及其以后，以色列军事专家、科学家和设计师对无人驾驶技术装备的发展做出了突出贡献，并使以色列在世界无人驾驶系统的研制和作战使用领域占有重要地位。4、最著名的是“捕食者”可复用无人机，世界上最大的无人机––“全球鹰”，“影子-200”低空无人机，“扫描鹰”小型无人机，“火力侦察兵”无人直升机。5、理论开创阶段，多旋翼无人飞行器理论开创于上世纪10年代，直升机研发之前。几家主要飞机生产商开发出的在多个螺旋桨中搭乘飞行员的机型。这种设计开创了多旋翼飞行器的理论。6、加速发展阶段，2007年以后，装配高性能压电陶瓷陀螺仪和角速度传感器（六轴陀螺仪）的多旋翼无人飞行器开始出现加速发展。7、未来发展阶段，伴随着飞行器技术的进步，多旋翼无人飞行器使用者会急剧增加。这样一来，事故和故障也会相应增加，甚至会发展成社会问题。今后不仅是制造商和商店一级，协会和主管部门面向多旋翼无人飞行器的飞行会和培训班也会增加。8、优点的特性。9、避免牺牲空勤人员，因为飞机上不需要飞行人员，所以最大可能地保障了人的生命安全。10、无人机尺寸相对较小，设计时不受驾驶员生理条件限制，可以有很大的工作强度，不需要人员生存保障系统和应急救生系统等，大大地减轻了飞机重量。11、制造成本与寿命周期费用低，没有昂贵的训练费用和维护费用，机体使用寿命长，检修和维护简单。12、无人机的技术优势是能够定点起飞，降落，对起降场地的条件要求不高，可以通过无线电遥控或通过机载计算机实现远程遥控。课程后记给学生留了上网查询无人机的信息的作业。程名称：多旋翼无人机操作基础授课教师:张海东课题无人飞行器应用领域及分类教学目标1、无人飞行器的应用理解2、无人飞行器的分类识别教学重点多旋翼概述及分类教材分析无人机的种类划分教学方法讲授法授课类型新课课时二课时课程内容一、组织教学二、复习前一节课的内容三、导入新课四、教学内容：1、无人飞行器的种类繁多，主要包括飞艇、固定翼无人机、伞翼无人机、扑翼无人机、变翼无人机、旋翼式无人机等。2、多旋翼飞行器也称为多轴飞行器，是直升机的一种，它通常有3个以上的旋翼。飞行器的机动性通过改变不同旋翼的扭力和转速来实现。相比传统的单水平旋翼直升机，它构造精简，易于维护，操作简便，稳定性高且携带方便。常见的多旋翼飞行器。3、四旋翼，六旋翼和八旋翼，被广泛用于影视航拍、安全监控、农业植保、电力巡线等领域（多旋翼无人机）（航拍无人机）（固定翼无人机）课程后记学员对无人机的用途很有兴趣程名称：多旋翼无人机操作基础授课教师:张海东课题多旋翼飞行器的构造教学目标1、多旋翼飞行器的原件构造和组成。2、多旋翼飞行器各个配件的应用。教学重点多旋翼飞行器组成构造及应用教材分析多旋翼飞行器重要组成构件的理解教学方法讲授法授课类型新课课时四课时课程内容一、组织教学二、复习前一节课的内容三、导入新课四、教学内容：1、多旋翼飞行器主要由机架、电机、电调和桨叶组成，为了满足实际飞行需要，一般还需要配备电池、遥控器及飞行辅助控制系统。（无人机的组成及构造）2、机架：机架是指多旋翼飞行器的机身架，是整个飞行系统的飞行载体。一般使用高强度重量轻的材料，例如碳纤维、PA66+30GF等材料。3、电机是由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。在整个飞行系统中，起到提供动力的作用。4、电调全称电子调速器，英文electronicspeedcontroller,简称ESC。在整个飞行系统中，电调主要提供驱动电机的指令，来控制电机，完成规定的速度和动作等。5、电池是将化学能转化成电能的装置。在整个飞行系统中，电池作为能源储备，为整个动力系统和其他电子设备提供电力来源。目前在多旋翼飞行器上，一般采用普通锂电池或者智能锂电池等。6、遥控系统由遥控器和接收机组成，是整个飞行系统的无线控制终端。7、飞行控制系统集成了高精度的感应器元件，主要由陀螺仪（飞行姿态感知），加速计，角速度计，气压计，GPS及指南针模块（可选配），以及控制电路等部件组成。通过高效的控制算法内核，能够精准地感应并计算出飞行器的飞行姿态等数据，再通过主控制单元实现精准定位悬停和自主平稳飞行。根据机型的不一样，可以有不同类型的飞行辅助控制系统，有支持固定翼、多旋翼及直升机的飞行控制系统。课程后记课程名称：多旋翼无人机操作基础授课教师:张海东课题多旋翼飞行原理教学目标1、多旋翼飞行器的飞行原理详解。2、飞行动作的垂直运动，即升降控制了解。3、飞行动作的俯仰运动，即前后控制了解。教学重点多旋翼飞行器的各种飞行动作的原理教材分析从实际飞行动作来了解无人机的飞行姿态教学方法讲授法授课类型新课课时四课时课程内容一、组织教学二、课前提问三、导入新课四、教学内容：1、多旋翼飞行器是通过调节多个电机转速来改变螺旋桨转速，实现升力的变化，进而达到飞行姿态控制的目的。2、以四旋翼飞行器为例，飞行原理如下图所示，电机1和电机3逆时针旋转的同时，电机2和电机4顺时针旋转，因此飞行器平衡飞行时，陀螺效应和空气动力扭矩效应全被抵消。与传统的直升机相比，四旋翼飞行器的优势：各个旋翼对机身所产生的反扭矩与旋翼的旋转方向相反，因此当电机1和电机3逆时针旋转时，电机2和电机4顺时针旋转，可以平衡旋翼对机身的反扭矩。3、垂直运动，即升降控制，在图（a）中，两对电机转向相反，可以平衡其对机身的反扭矩，当同时增加四个电机的输出功率，旋翼转速增加使得总的拉力增大，当总拉力足以克服整机的重量时，四旋翼飞行器便离地垂直上升；反之，同时减小四个电机的输出功率，四旋翼飞行器则垂直下降，直至平衡落地，实现了沿z轴的垂直运动。当外界扰动量为零时，在旋翼产生的升力等于飞行器的自重时，飞行器便保持悬停状态。保证四个旋翼转速同步增加或减小是垂直运动的关键。4、俯仰运动，即前后控制，在图（b）中，电机1的转速上升，电机3的转速下降，电机2、电机4的转速保持不变。为了不因为旋翼转速的改变引起四旋翼飞行器整体扭矩及总拉力改变，旋翼1与旋翼3转速该变量的大小应相等。由于旋翼1的升力上升，旋翼3的升力下降，产生的不平衡力矩使机身绕y轴旋转（方向如图所示），同理，当电机1的转速下降，电机3的转速上升，机身便绕y轴向另一个方向旋转，实现飞行器的俯仰运动。5、横滚运动，即左右控制，与图（b）的原理相同，在图（c）中，改变电机2和电机4的转速，保持电机1和电机3的转速不变，便可以使机身绕x轴方向旋转，从而实现飞行器横滚运动。6、偏航运动，即旋转控制，四旋翼飞行器偏航运动可以借助旋翼产生的反扭矩来实现。旋翼转动过程中由于空气阻力作用会形成与转动方向相反的反扭矩，为了克服反扭矩影响，可使四个旋翼中的两个正转，两个反转，且对角线上的各个旋翼转动方向相同。课程后记课程名称：多旋翼无人机操作基础授课教师:张海东课题第二章多旋翼飞行控制系统概述教学目标1、了解飞行控制系统存在的意义2、掌握飞行控制系统主要部件教学重点无人机飞行控制系统主要功能的学习教材分析主要讲述无人机的控制系统教学方法讲授法授课类型新课课时四课时课程内容一、组织教学二、课前提问三、导入新课四、教学内容：1、飞行控制系统通过高效的控制算法内核，能够精准地感应并计算出飞行器的飞行姿态等数据，再通过主控制单元实现精准定位悬停和自主平稳飞行。2、飞行控制系统是目前实现简单操控和精准飞行的必备武器。3、飞行控制系统一般主要由主控单元、IMU（惯性测量单元）、GPS指南针模块、LED指示灯模块等部件组成。（1）主控单元是飞行控制系统的核心，通过它将IMU、GPS指南针、舵机和遥控接收机等设备接入飞行控制系统从而实现飞行器自主飞行功能。（2）MU（惯性测量单元），包含3轴加速度计、3轴角速度计和气压高度计，是高精度感应飞行器姿态、角度、速度和高度的元器件集合体，在飞行辅助功能中充当极其重要的角色。（3）GPS指南针模块，包含GPS模块和指南针模块，用于精确确定飞行器的方向及经纬度。（4）LED指示灯模块，用于实时显示飞行状态，是飞行过程中必不可少的，它能帮助飞手实时了解飞行状态。4、飞行控制系统主要功能包括：（1）实现精准定位悬停飞行控制系统，由于配置有GPS指南针模块，可以实现锁定经纬度和高度的精准定位。（2）智能失控保护/自动返航降落，飞行控制系统能自动记录返航点，当飞行过程中，出现控制信号丢失，即无线遥控控制链路中断的情况，飞行控制系统能自动计划返航路线，实现自动返航和降落，使飞行或航拍更加安全可靠。（3）低电压报警或自动返航降落（4）内置（两轴）云台增稳功能（5）可扩展地面站功能，飞行控制系统还可扩展成更加强大的地面站功能，从而实现超视距全自主飞行。（6）智能方向控制，智能方向控制（IOC,IntelligentOrientationControl），分为航向锁定和返航点锁定，是一种为多旋翼飞行器量身定制的辅助方向控制功能。（7）航向锁定，在使用航向锁定时，飞行前向和主控记录的某一时刻的机头朝向一致。（8）返航点锁定，在使用返航点锁定时，飞行前向为返航点到飞行器的方向。（9）热点环绕（POI），热点环绕（POI，PointofInterest）功能，在GPS信号良好的情况下，可以通过拨动遥控器上预先设置好的开关，将飞行器当前所在的坐标点记录为热点。（10）断桨保护功能（六轴及以上的机型），断桨保护功能是指在姿态或GPS姿态模式下，飞机意外缺失某一螺旋桨动力输出时，飞机可以采用牺牲航向轴控制的办法，继续保持飞行水平姿态。课程后记课上最后10分钟给学员演示功能的应用，取得很好的教学效果。课程名称：多旋翼无人机操作基础授课教师:张海东课题飞行控制系统控制模式教学目标1、GPS姿态模式的操作飞行2、姿态模式的操作飞行3、手动模式的操作飞行教学重点三种飞行的操作方式的运用教材分析飞行模式下的正确认识和了解为本课重点教学方法讲授法授课类型新课课时四课时课程内容一、组织教学二、课前提问三、导入新课四、教学内容：1、GPS姿态模式，必须要有选配GPS模块，除了能自动保持飞行器姿态平稳外，还能具备精准定位的功能，在该种模式下，飞行器能实现定位悬停，自动返航降落等功能。2、姿态模式，适合于没有GPS信号或GPS信号不佳的飞行环境，能实现自动保持飞行器姿态和高度，但是，不能实现自主定位悬停。3、手动模式，只能由比较有经验的飞手来控制，在该模式下，飞行控制系统不会自动保持飞行姿态和高度的稳定，完全由飞手手动控制，非受过专业飞行训练的飞手，请勿尝试。4、在以上三种模式下，进行基础飞行演示。5、在飞行中讲解之前学习的理论内容。课程后记在飞行中，复习之前的内容，可以巩固所学习知识，让学生更好、更多的去了解所学的内容。课程名称：多旋翼无人机操作基础授课教师:张海东课题飞行控制系统地面站功能教学目标教学重点教材分析教学方法讲授法授课类型新课课时四课时课程内容一、组织教学二、课前提问三、导入新课四、教学内容：1、地面站系统专为高端的商用及工业用无人机进行超视距(BVR)全自动飞行作业而设计，配备了可靠的远程无线通讯设备(Da