第13课无人航拍机创客教程.docx

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第13课无人航拍机创客教程

1、了解无人机的基础知识

2、学会分解无人机的飞行动作

3、熟悉ArduinoIDE的安装与界面的简单操作

1、观察与思考Science

同学们，我们在2015年春晚上欣赏了人型机器人的舞蹈表演，不知道你有没有注意到元宵晚会上陪伴人型机器人一同出场的无人机编队呢？

无人机是通过无线电遥控设备或机载计算机程控系统进行操控的不载人飞行器，它跟随我们的人型机器人去往不同的场地进行航拍摄制。

无人机的出现颠覆了传统的拍摄方式，为观众提供更加广阔的视角。

另外，无人机结构简单、使用成本低，不但能完成有人驾驶飞机执行的任务，更适用于有人飞机不宜执行的其他艰巨任务。

在突发事情应急、预警有很大的作用，让我们来一起认识一下它吧！

图13.1无人机

二、无人机的基础知识TechnologyandEngineering

1、无人机种类

国内外无人机技术发展迅速，无人机系统种类繁多、用途广，特点鲜明，致使其在尺寸、质量、航程、航时、飞行高度、飞行速度、任务等方面都有较大的差异。

无人机种类可按飞行平台构型分类，按用途分类，按尺度分类，按任务高度分类。

请同学们调研，无人机的不同种类具有什么样特点？

2、无人机飞行注意事项

目视飞行距离控制在100m内，航拍距离取决于遥控控制信号和图像传输的最短距离。

无人机飞行时需要注意以下事项：

（1）飞行应远离人群，严禁田间有其他人作业时飞行。

（2）垂直飞行远离障碍物10m以上，平行飞行远离障碍物5m以上。

（3）飞机电机温度过高应打开头罩散热5-10min，严禁温度过高的情况下连续飞行。

（4）每次飞行前都应检查电池电量和飞机信号灯状态。

（5）条件允许的情况下操控人员应背对阳光操作飞机。

（6）飞行过程中操作手应与飞机保持10m以上的距离，严禁机头正对自己或其他人。

（7）接手飞机首次飞行前，必须亲自测量电池电压，检查飞机状态。

图13.2亚太无人机

3、无人机发展前景

（1）高空长航时化

老式的无人机滞空时间短，飞行高度低，侦察监视面积小，不能连续获取信息，甚至会造成情报“盲区”，不适应现代战争的需要。

为此，美国陆军研制了“蒂尔”II超高空，长航时无人机。

（2）隐形无人机化

为了对付日益增强的地面防空火力的威胁，许多先进的隐形技术被应用到无人机的研制上。

（3）空中格斗化

攻击无人机是无人机的一个重要发展方向。

由于无人机能预先靠前部署，可在距离所防卫目标较远的距离上摧毁来袭的导弹，从而能够有效地克服“爱国者”或C－300等反导导弹反应时间长、拦截距离近、拦截成功后的残骸对防卫目标仍有损害的缺点。

图13.3无人机航拍机

三、无人机基本结构与原理EngineeringandTechnology

四旋翼飞行器的四个旋翼对称分布在机体的前后、左右四个方向，处于同一高度平面，且四个旋翼的结构和半径都相同，四个电机对称的安装在飞行器的支架端，支架中间空间安放飞行控制计算机和外部设备。

结构如图13.4所示。

图13.4四旋翼飞行器的结构

无人机的动力来源于四个旋翼，通过调节四个电机转速来改变旋翼转速，实现升力的变化，从而控制飞行器的姿态和位置。

四旋翼飞行器的电机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，因此当飞行器平衡飞行时，陀螺效应和空气动力扭矩效应均被抵消，无人机可实现平稳飞行。

四、无人机的飞行状态ScienceandEngineering

无人机灵活轻便，能够完成各种复杂的飞行动作，所有的动作都可以分解成以下4种基本状态：

电机1和电机3作逆时针旋转，电机2和电机4作顺时针旋转，规定沿x轴正方向运动称为向前运动，箭头在旋翼的运动平面上方表示此电机转速提高，在下方表示此电机转速下降。

1、垂直运动

四个电机的输出功率同时增加，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，四个电机的输出功率同时减小，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。

图13.5垂直运动

2、俯仰运动

如图13.6所示，电机1和2的转速上升，电机3和4的转速下降（改变量大小应相等）。

由于旋翼1和2的升力上升，旋翼3和4的升力下降，产生的不平衡力矩使机身绕y轴旋转。

同理，当电机1和2的转速下降，电机3和4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。

图13.6俯仰运动

3、滚转运动

如图13.7中，同时改变电机2和电机3的转速及同时改变电机1和电机4的转速，则可使机身绕x轴旋转（正向和反向），实现飞行器的滚转运动。

图13.7翻滚运动

4、垂直运动

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。

如图13.8所示，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，实现飞行器的偏航运动，转向与电机1、电机3的转向相反。

图13.8偏航运动

5、前后运动

如图13.9所示，电机1和2的转速增加，拉力增大；电机3和4的转速减小，拉力减小，反扭矩仍然要保持平衡。

按俯仰理论，飞行器首先发生一定程度的倾斜，使旋翼拉力产生水平分量，可实现飞行器的向后飞运动，向前飞行原理类似。

图13.9前后运动

6、侧向运动

如图13.10所示，因结构对称，所以侧向飞行的工作原理与前后运动类似，在此不做赘述。

图13.10侧向运动

五、ArduinoIDE介绍Technology

了解无人机的基本知识后，我们来介绍一下ArduinoIDE，这是我们调整无人机参数所用的软件。

Arduino开发工具（又叫ArduinoIDE），是一个用来编写Arduino程序的软件，将编写好的程序通过此软件上传到Arduino开发板中。

在安装完ArduinoIDE后，进入Arduino安装目录，打开Arduino.exe文件，进入初始界面。

界面上的区域功能有菜单栏、图形化的工具条、中间的编辑区域和底部的状态区域，如图13.11所示。

图13.11用户界面的区域功能

ArduinoIDE界面工具栏，从左至右依次为编译、上传、新建程序（sketch）、打开程序（sketch）、保存程序（sketch）和串口监视器（SerialMonitor）。

具体标注如图13.12所示：

图13.12界面工具栏

上图常用的功能按钮要牢记，在无人机的飞行控制板调参过程会经常用到。

六、交流与评比Arts

本节课我们了解了无人机的基础知识，要求同学们掌握无人机飞行动作的分解（包括垂直运动、俯仰运动、滚转运动、偏航运动、前后运动、侧向运动），这些动作的分解是我们以后驾驭无人机的知识基础。

除此之外，我们也熟悉了ArduinoIDE的安装与界面简单操作，为我们设计无人机飞行动作提供了技术支持。

课下组织班级交流会，同学们聊一聊对无人航拍机动作的实现的想法。

七、延伸与扩展Arts

春晚上人型机器人的精彩舞蹈表演不禁让我们惊叹现在机器人的发展速度。

它们不光有漂亮的外表，还有各种炫酷的技能。

大家可能会思考：

无人航拍机到底是如何完成飞行和拍摄的？

请大家研究无人机的结构，探索它们的作用，后面我们会详细介绍无人机各部件的功能与具体参数的设置，期待你所操纵的无人机翱翔蓝天吧！