1、多旋翼无人飞行器入门与实践,基础知识篇,第一章 无人飞行器概述,无人飞行器发展简史,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”。1933年，英国研制出了第一架可复用无人驾驶飞行器“蜂王”。使用3架经修复的“小仙后”双翼机进行试验，从海船上对其进行无线电遥控，其中2架失事，但第三架试飞成功，使英国成为第一个研制并试飞成功无线电遥控靶机的国家。,无人飞行器发展简史,德国科学
2、家领先时代数十年。实际上直到80年代底以前，世界上每一种研制成功的无人机都是以V-1巡航导弹或“福克-沃尔夫”（Fw 189）飞机的构造思想为基础。,无人飞行器发展简史,德国“V-1”导弹,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。美国特里达因瑞安公司生产的“火蜂”系列无人机是当时设计独一无二、产量最大的无人机。1948-1995年，该系列无人机产生多种变型：无人靶机（亚音速和超音速），无人侦察机，无人电子对抗机，无人攻击机，多用途无人机等。美国空军、陆军和海军多年来一直在使用以BQM-34“火蜂”靶
3、机为原型研制的多型无人机。,无人飞行器发展简史,美国“火蜂”无人机,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。,无人飞行器发展简史,以色列“侦察兵”无人机,全世界都在造无人机！8090年代，除了美国和以色列外，其他国家的许多飞机制造公司也在从事无人机的研制与生产。西方国家中在无人机研制与生产领域占据领先位置的是美国。今天，美军有用于各指挥层次从高级司令部到营、连长的全系列无人侦察机。许多无人机可以携带制导武器（炸弹、导弹）、目标指示和火力校射装置。最著名的是“捕食者”可复用无
4、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。,无人飞行器发展简史,无人飞行器发展简史,美国“全球鹰”无人机,美国“捕食者”无人机,美国“影子200”无人机,美国“扫描鹰”无人机,美国“火力侦察兵”无人直升机,多旋翼无人飞行器发展简史,多旋翼飞行器作为无线电遥控的一种类型，历史尚浅。1、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。2、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
5、仪）的多旋翼无人飞行器开始出现加速发展。,多旋翼无人飞行器发展简史,3、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。,多旋翼无人飞行器发展简史,多旋翼无人飞行器,无人飞行器的优缺点,优点避免牺牲空勤人员，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。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。制造成本与寿命周期费用低，没有
6、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。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。,无人飞行器的优缺点,缺点主要表现在生存力低，在与有较强防空能力的敌人作战时，无优势可言。无人机速度慢，抗风和气流能力差，在大风和乱流的飞行中，飞机易偏离飞行线路，难以保持平稳的飞行姿态。无人机受天气影响较大，结冰的飞行高度比过去预计的要低，在海拔3000-4500m的高度上，连续飞行10-15min后会使飞机受损。无人机的应变能力不强，不能应付意外事件，当有强信号干扰时，易造成接收机与地面工作站失去联系。无人机机械部分也有出
7、现故障的可能，一旦出现电子设备失灵现象，那对无人机以及机载设备将是致命的。,无人飞行器的优缺点,无人飞行器应用领域,无人飞行器的应用非常广泛，可以用于军事，也可以用于民用和科学研究。在民用领域，无人飞行器已经和即将使用的领域多达40多个，例如影视航拍、农业植保、海上监视与救援、环境保护、电力巡线、渔业监管、消防、城市规划与管理、气象探测、交通监管、地图测绘、国土监察等。,无人飞行器应用领域,城市规划与管理,影视航拍,无人飞行器应用领域,地图测绘,农业植保,电力巡线,消防救援,交通监管,无人飞行器的分类,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
8、无人机等。,无人飞行器的分类,飞艇,无人飞行器的分类,固定翼无人机,伞翼无人机,扑翼无人机,变翼无人机,无人飞行器的分类,旋翼式无人机多旋翼,旋翼式无人机直升机,多旋翼概述及分类,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，如：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。,多旋翼概述及分类,三轴多旋翼,无人飞行器的分类,四轴多旋翼,八轴多旋翼,六轴多旋翼,多旋翼飞行器的构造,多旋翼飞行
9、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。,多旋翼飞行器的构造,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。,多旋翼飞行器的构造,风火轮F550(PA66+30GF),筋斗云S1000(碳纤维),电机 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。,多旋翼飞行器的构造,电调 电调全称电子调速器，英文electronic speed controller,简称ESC。在整个飞行系统中，电调主要提供驱动
10、电机的指令，来控制电机，完成规定的速度和动作等。,多旋翼飞行器的构造,桨叶 桨叶是通过自身旋转，将电机转动功率转化为动力的装置。在整个飞行系统中，桨叶主要起到提供飞行所需的动能。按材质一般可分为尼龙桨，碳纤维桨和木桨等。,多旋翼飞行器的构造,尼龙桨,碳纤维桨,木桨,电池 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。,多旋翼飞行器的构造,普通锂电池,智能锂电池,遥控系统 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。,多旋翼飞行器的构造,遥控器,接收机,飞行控
11、制系统 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。,多旋翼飞行器的构造,A2多旋翼飞控,NAZA多旋翼飞控,ACE ONE多旋翼飞控,NAZA-H多旋翼飞控,多旋翼飞行原理,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。多旋翼飞行
12、原理详解 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。,多旋翼飞行原理,一般情况下，多旋翼飞行器可以通过调节不同电机的转速来实现4个方向上的运动，分别为：垂直、俯仰、横滚和偏航。,多旋翼飞行原理,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
13、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。,多旋翼飞行原理,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（
14、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。,多旋翼飞行原理,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。,多旋翼飞行原理,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。反扭矩的大小与旋翼转速有关，当四个电机转速相同时，四个旋翼产生
15、的反扭矩相互平衡，四旋翼飞行器不发生转动；当四个电机转速不完全相同时，不平衡的反扭矩会引起四旋翼飞行器转动。在图（d）中，当电机1和电机3的转速上升，电机2和电机4的转速下降时，旋翼1和旋翼3对机身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4对机身的反扭矩，机身便在富余反扭矩的作用下绕z轴转动，从而实现飞行器的偏航运动。,多旋翼飞行原理,第二章 多旋翼飞行控制系统概述,飞行控制系统存在的意义,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。在没有飞行控制系统的情况下，有很多的专业飞手经过长期艰苦的练习，也能控制飞行器非常平稳地飞行
16、，但是，这个难度和要求特别高，同时需要非常丰富的实战经验。如果没有飞行控制系统，飞手需要时时刻刻关注飞行器的动向，眼睛完全不可能离开飞行器，时时刻刻处于高度紧张的工作状态。而且，人眼的有效视距是非常有限的，即使能稳定地控制飞行，但是控制的精度也很可能满足不了航拍的需求，控制距离越远，控制精度越差。还有，对于不同的拍摄需求，以及面临不同的拍摄环境或条件，人为飞行控制更是难上加上，甚至根本不可能实现。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。,飞行控制系统存在的意义,飞行控制系统主要部件,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。除了辅助飞行控制以外，某些主控器还具备记录飞行数据的黑匣子功能，比如：DJI的Ace One。主控单元还能通过USB接口，进行飞行参数的调节和系统的固件升级。,飞行控制系统主要部件,IMU（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
