多旋翼无人机基础知识二
多旋翼无人机的组成
1.光流定位系统
光流（optic flow），从本质上说，就是我们在三维空间中视觉感应可以
感觉到的运动模式，即光线的流动。例如，当我们坐在车上的时候往窗外观看，可以看到外面的物体，树木，房屋不断的后退运动，这种运动模式是物体表面
在一个视角下由视觉感应器（人眼或者摄像头等）感应到的物体与背景之间的
相对位移。光流系统不但可以提供物体相对的位移速度，还可以提供一定的角
度信息。而相对位移的速度信息可以通过积分获得相对位置信息
2. 全球卫星导航系统
GPS系统是美国从上世纪70年代开始研制并组建的卫星系统，可以利
用导航卫星进行目标的测距和测速，具备在全球任何位置进行实时的三维导航
定位的能力，是目前应用最广泛的精密导航定位系统
北斗系统是中国为了实现区域及全球卫星导航定位系统的自主权与主
导地位而建设的一套卫星定位系统，用于航空航天、交通运输、资源勘探、安
防监管等导航定位服务。北斗系统采用5颗静止同步轨道卫星和30颗非同步轨道卫星组成，是中国独立自主研制建设的新一代卫星导航系统。
GLONASS是俄罗斯在前苏联时期建立的卫星定位系统，但由于缺乏资
金维护，目前系统的可用卫星从最初的24颗卫星减少到2015年的17颗可用在轨卫星，导致系统的可用性和定位精度逐步的下降。
欧盟的伽利略导航卫星系统是由欧洲自主、独立的民用全球卫星导航
系统，不过目前为止该系统还只是计划方案，计划总共包含27颗工作卫星，3
颗为候补卫星，此外还包含2个地面控制中心，但由于该计划由欧盟共同经营，同时与内部私企合营，各部分利益难以平衡，计划实施则一再推迟，目前还无
法独立使用。
3.高度计
由于全球定位系统GNSS的缺陷，它的高度信息极为不准确，通
常偏差达几十米甚至更大，无人机系统的高度测量需要额外的设备来辅助测量。常用的高度传感器主要包含超声波传感器和气压高度传感器，此外还有激光高
度计和微波雷达高度计等。
气压高度计的原理是地球上测量的大气压力在一定方位内是与相对海
拔高度呈现对应关系的。一般认为海平面上为一个标准大气压，在此基础上，
随着高度增加，气压减小，以其对应的公式为：
（kPa A) =101.325*(1-0.02257*海拔)^5.256
注意：其中没有考虑到温度、湿度、空气目睹变化等很多外界的环境因素激光高度计是采用激光作为光源测量发射与接收反射光的时间差来计
算距离高度的传感器。由于采用激光作为光源，它的高度和分辨率较高，测量
距离最远达到100米甚至数百米距离，但是成本较高，且容易受到空气灰尘的
印象以及反射面的干扰。
GPS全球定位系统可以通过解析GPGGA中的数据来获得GPS采集到的
高度数据，但是GPS全球定位系统的卫星信号可能提供不准确的GPS数据，且
误差比较大
飞控算法可以采取数据融合的方式将不同的传感器之间的数据进行处理，从而获取更高精度的数据。
4. 导航系统
1）惯性导航：
惯性导航系统是内部集成惯性测量单元作为敏感元器件的导航参数解
算系统，该系统不依赖GPS等外部定位信息，也不像外部发射能量。惯性导航
的基本原理是基于牛顿力学定力和欧拉方程式，通过测量载体在惯性参考下中
的加速度和角速度信息，多这些数据进行时间的积分从而计算出载体在惯性参
考系中的速度位置以及姿态角信息。
航位推算的定义是从已知的坐标位置开始，根据航行体(船只、飞机、陆地车辆等)在该点的航向、航速和航行时间，推算下一时刻坐标位置的导航过程就称为航位推算。航位推算(DR)基本原理是利用方向和速度传感器获取的信息来
推算车辆的位置。
惯性导航系统的主要缺点为：
由于采用时间积分的航位推算，推算过程的误差和积分误差无法消除，并且随着时间的增加会累积，造成全局发散的情况
2）GPS导航
GPS导航系统，顾名思义就是以全球24颗人造卫星为基础，对无人机
不断定位从而实现导航功能。在GPS导航电文中包含有卫星星历、工作状况、
时钟改正、经纬度、天线离水平面高度等信息。无人机接收到导航电文时，提
取出卫星时间并将其与自己的时钟做对比便可得知卫星与无人机之间的伪距离，再利用导航电文中卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置。
GPS导航其优点是全天候、连续性高精度导航与定位能力；但是由于
无人机GPS接收机中使用的时钟与卫星搭载时钟不可能同步，并且其容易受到
电磁干扰的影响，如果飞行器需要快速更新导航信息的话，GPS的更新频率无
法满足其无人机导航的。
3）多普勒导航
多普勒导航系统是利用多普勒效应测定多普勒频移，从而计算出无人
机当前的速度和位置来进行导航（见无线导航）。多普勒雷达测得飞机速度信
号与航向姿态系统测得的飞机的航向、俯仰、滚转信号一并输入导航计算机，
计算出飞机的地速矢量并对地速进行连续积分等运算，得出当前飞机的位置。
再利用这个位置信号进行航线等计算，实现飞机的引导。
多普勒导航的有点是自主性好、反应速度快、抗干扰性强、测速精度高，能适用于各种气候条件和地面条件。其缺点是工作时必须发射点播，因此
其隐蔽性不好；系统工作受到地形的影响，在沙漠或者水平面上工作时，因其
电波的反射性不好而会降低其性能。并且精度受到天线姿态的影响，测量有积
累误差，系统会随着飞行距离的增加而使误差增大。
4）地形辅助导航
地形辅助导航是指飞行器在飞行过程中，利用预先存储的飞行路线中
某些地区的特征数值，与实际飞行过程中测量的数值进行不断比较来实施导航
修正的一种方法。
地形辅助导航的优点是没有误差，隐蔽性好，抗干扰性强。其缺点是
计算量大，实时性受到制约；工作性能受到地形影响，适用于地形起伏大的地形，不适合于平原或者海面使用；同时还受到天气气候的影响，在大雾、多云
或者雪天气候下导航效果不佳；要求飞行器按照事先规定的路线飞行，大大影
响了无人飞行器的适用性。
5）地磁导航
地磁是地球天然的固有资源，在早期时候，航船就利用其指北针来进
行导航。由于地磁场为矢量场，在地球的任一空间上的地磁量都是不同的，并
且与该地点的经纬度存在对应关系，因此在理论上确定该地点的地磁场矢量就
能实现全球定位。
地磁导航其优点也如上所示在跨海制导方面有一定的优势，其缺点是
地磁匹配需要存储大量的地磁数据，并且需要高性能的处理器来进行数据匹配。
5.无线图传系统
无线图传系统
无线图传系统，简称图传系统，从应用层来看分为固定点的图像监控
传输系统和移动视频图像传输系统；无人飞行器的无线图传系统属于移动视频
图像传输系统的类别，它是作为飞行器的重要任务载荷部分，提供机载设备的
图像系统的数据链路通道。它负责将机载图像采集数据实时无损/有损的传输到地面接收设备上，供实时观察以及存储，图像分析等后续处理
基于不同的开放频段，图传系统在传输技术体制上可以大致分为模拟
传输、GSM/GPRS/CDMA、数字微波、扩频微波、无线网、COFDM(正交频分复用)等。
主要是直接图像数据模拟信号进行中频调制和FM载波调制并传输的方式。应该说模拟图传由于上变频下变频都通过模拟器件来进行，而数字图传则
需要经过一系列的码同步和校验等，一般认为模拟图传延迟要比数字图传低。
但是随着数字技术的发展和高频处理器的性能提升，数字图传的延迟已经能下
降到低于300ms的性能，高端的数字图传甚至可以降低到100ms以内
6.地面站控制系统
由于无人机的操控人员无法在机上监控飞行器的状态，只能在地面上
监测无人机的飞行状态以及控制其飞行任务，因此无人机地面站系统对地面操
控人员来说就是无人飞行器重要的维护保障平台。它通过与无人飞行器建立空
地双向通信链路，实现对机载系统的遥测与遥控。遥测通道主要负责实时监视
飞行器的各种飞行状态和飞行数据，包含但不限于飞行器的姿态信息，速度信息，位置信息，传感器数据，飞行模式，图像采集信息，温度信息，各机载设
备的健康信息等，同时还可以为地面人员提供指令输入接口，让操控人员可以
向飞行器发送各种指令数据，包含飞行模式切换，起降指令，任务执行指令，
甚至飞控参数调整指令等。本书第十章将详细介绍天地链路以及通信信道的设
计与实现方案。
6.任务载荷云台和摄像头
地磁导航
无人机的用途除了做军用靶机以外，还可以执行通信中继、航拍勘测、抢险救灾、气象探测、农林植保等等任务，这些任务都需要无人机系统搭载额
外的任务载荷。而无人机提供的是一个载体的功能。
有些任务载荷，例如航拍系统，需要保持姿态的稳定以实现视角和镜
头的稳定。因此这类的任务载荷一般都是安装在一个两轴或者三轴的稳定云台
上的。云台是安装固定摄像头的支撑设备，高级的云台带有自稳系统，它内部
集成了两轴或者三轴自由度的高精度伺服舵机，此外还集成了三轴陀螺仪和加
速度计传感器，能够实时感知安装台的姿态，形成闭环控制，抵消机体振动的
干扰，保证载荷的平稳姿态。云台还提供舵机控制信号接口，接收高精度的控
制信号，用户可以通过地面站或者遥控器控制云台的三轴转动，从而带动摄像
头改变视角，达到全方位拍摄、跟踪监视目标以及自动扫描监视区域的目的。
一般来说水平旋转角度可以在0°～360°，垂直旋转角度和倾斜旋转角度在90°以内。如图1-35所示，是一个三轴的稳定云
7. 避障系统
无人机避障技术
无人机避障技术主要分为三个部分：感知部分、绕飞部分、构图及路
径规划部分
感知部分：
指传感器感知障碍物部分，这一阶段采用的传感器技术包含了超声波
避障传感器、激光雷达测距传感器、微波雷达传感器和双目视觉传感器等复杂
的视觉图像处理。
其中双目视觉传感器图区深度信息技术，例如大奖创新在2016年推出的无人机系统中，采用了双目视觉的前视和下视两组视觉处理系统，其中前视
视觉传感器用与飞行避障。
类似有前述集中技术的组合，比如大疆在2015年推出的官方只能避障系统Guidance中采用了5组传感器，可以在前、后、左、右和下5个方向上进行障碍物体识别，而识别的机制融入了超声波和机器视觉两种技术，除了常规
的超声波之外还放置了摄像头用于获取视觉图像，最后使用英特尔凌动（Atom）Bay Trail处理器中进行计算处理。
8. 虚拟现实和增强现实系统
虚拟现实
虚拟现实（Virtual Reality）是近几年来随着计算机技术和图像视觉技术的发展兴起的一项新的应用技术。虚拟现实通过计算机图形学的软件可以
创建一套完全虚拟的视觉听觉甚至触觉的效果，它利用计算机生成一种模拟环
境提供多源信息融合的交互式三维动态视觉和行为系统仿真，让体验者可以完
全可以沉浸在虚拟的世界当中。它是计算机图形学人机交互、立体成像、多媒
体技术传感网络、仿真建模技术等多种科学技术的交叉融合的应用研究领域。
与虚拟现实不同的是，增强现实所强调的是计算机系统对现有物理世界视觉的
感知并在此基础上叠加更其他需要实时生成的图像与信息，相当于对现实场景
的信息增强。
1.2 多旋翼飞行器的结构和飞行原理
1.2.1 多旋翼飞行器机身布局
多旋翼机身和机臂的拓扑布局结构来说可以分为星形结构和环形结构。星形结构的特点是将机臂按照星形链接与中心板（HUB）组合在一起，中心板作为负责承载所有机载系统，并连接所有机臂，而机臂则主要承载动力系统。
在星形结构中，按照飞行器所定义的机头方向与机臂相对位置的不同，还分为+字型和X字型。+字型的机头方向与某一个机臂重合。+字型的拓扑结构好处是操控会稍简单一点，因为在做姿态运动时它以其中一个臂作为旋转轴，
这个旋转轴上的机臂的电机不需要调整转速，但它的缺点也很明显，因为通常
机载的前视相机对准机头方向，在+字型的设计中容易被机臂遮挡，影响视角。而x字型则采用两个机臂中间线作为机头方向。
注意：在设计多旋翼飞行器的机体结构时，整机的重心设计也是非常需要
注意的一点。由于飞行器的动力系统对称分布，要求重心必须要设计到机体中
心轴上。当重心位于桨盘下方的时候，重心相对桨盘产生的力矩与外界干扰产
生的力矩相反，将会对干扰振动产生抑制作用，因此重心越低，飞行器的稳定
性越好
1.2.2 多旋翼飞行器的旋翼结构
多旋翼飞行器，主要相比于单旋翼飞行器，它拥有两个或两个以上的
旋翼。其中两个旋翼的飞行器包含共轴双旋翼、交错双旋翼和直列双旋翼飞行器。
为了保持飞行器的平衡稳定，一般旋翼的个数为偶数，并且采用围绕
机体重心对称分布布局。当然也有特殊的3旋翼飞行器，但是要保持它的航行
稳定性需要特殊的算法考虑。
最常见的是四旋翼、六旋翼和八旋翼，随着旋翼的增加，机架尺寸也
会显著增大，旋翼对角线的长度也增大，同时飞行器的额定设计载荷也会进一
步增大
1.2.2.2 多旋翼飞行器的旋翼结构
除了旋翼的个数和安装位置，每个旋翼位置还可以配置成单桨与共轴双桨的方式。共轴双桨的结构示意图如图1-47所示。采用共轴双桨的好处是在不增加整机尺寸的基础上提升整体升力，增加整机载荷能力，但缺点是能耗比增加，因为上下桨叶形成风力耦合，整体升力小于两个桨单独升力之和，降低单桨的力效比，根据文献中的研究，共轴双桨的力效仅相当于单桨力效的1.6倍。
1.2.3 多旋翼飞行器的飞行原理
四轴飞行器的四个螺旋桨高速旋转产生升力，提供飞行动力。其中四个点击旋转方向两两相同（2个顺时针旋转，2个逆时针旋转）；通过这种设计方式能够相互抵消反扭矩。多旋翼无人机属于静不稳定系统，因此必须依靠强大的飞控系统才能进行稳定飞行及控制。多旋翼无人机的飞行自由度可以区分为6个；分为直线运动与角运动直线运动：直线运动可分为上下、前后、左右运动。角运动：俯仰、翻滚、偏航
1.2.3 多旋翼飞行器的飞行原理
• 悬停
在飞行器悬停时，桨盘面垂直于重力，4个旋翼产生的合拉力抵消重力，产生的滚转和横滚力矩为0，产生的反扭距也相互抵消
• 升降
在悬停的基础上，4个旋翼同时提升相同的转速，产生的合拉力大于重力，此时飞行器产生上升运动。
1.2.3 多旋翼飞行器的飞行原理
• 前后飞行（pitch ）
当1号和4号旋翼降低转速，2号3号旋翼提升转速，则飞行器产生俯仰力矩，从而产生低头动作，低头动作的同时由于有向前的拉力，因而产生前进运动。
反之1号和4号旋翼提升转速，而2号和3号旋翼降低转速，则飞行器产生抬头力矩，并产生抬头动作，同时由于有向后的拉力分量，产生后退运动
注意的无论在俯仰还是横滚等倾斜运动的时候，提升转速的旋翼与降低转速的旋翼变化值并不能完全相等。这是因为合拉力在倾斜方向上产生了分量，导致在重力方向上的分量减小，因此合拉力需要增大，才能保证重力方向上的分量仍然能够保持与重力相等
1号
2号
3号4
号
1.6.3 多旋翼飞行器的飞行原理
•左右飞行(roll)
当1号和2号旋翼降低转速，3号4号旋翼提升转速，则飞行器产生横滚力矩，从而产生向右滚转动作，滚转动作的同时由于有向右的拉力分量，因而产生向右飞行的运动。反之，当1号和2号旋翼提高转速，3号4号旋翼降低转速，则飞行器产生横滚力矩，从而产生向左滚转动作，滚转动作的同时由于有向左的拉力分量，因而产生向左飞行的运动。
1.6.3 多旋翼飞行器的飞行原理
•偏航飞行
当1号和3号旋翼降低转速，2号4号旋翼提升转速，则飞行器的两组对角线产生反扭力矩差，且逆时针方向的反扭距大于顺时针方向的反扭距，从而产生逆时针方向的偏航动作
反之当1号和3号旋翼提升转速，3号4号旋翼降低转速，则飞行器的两组对角线同样产生反扭力矩差，且时针方向的反扭距小于顺时针方向的反扭距，从而产生顺时针方向的偏航动作
1.6.4 多旋翼的优缺点
优势
尺寸–由于机械和结构设计上的简单，使得多旋翼的小型化非常容易，甚至可以做的手掌大小的四旋翼飞行器
易控性–多旋翼飞行器的飞行控制原理简单，各轴之间的控制和运动规律可以相互独立，耦合性不强，例如可以进行侧滑飞行，操控简单，飞行轨迹易于控制
可靠性–由于多旋翼飞行器的机械简单，没有直升机的倾斜盘等复杂的结构，且无轴承磨损件，因此使得飞行器的可靠性大大增加。
成本–相比直升机与定翼机，多旋翼的简单机械和结构使得生产制造成本较低，并且维护使用方面的成本也很低，因此特别适合中小型规模飞行器的应用以及消费类电子产品的使用，多旋翼可以理解为通过软件的复杂性来获得硬件机械的简单性。
四旋翼无人飞行器飞行状态解析
四轴飞行器的四个螺旋桨高速旋转产生升力，提供飞行动力。其中四个点击旋转方向两两相同（2个顺时针旋转，2个逆时针旋转）；通过这种设计方式能够相互抵消反扭矩。
多旋翼无人机属于静不稳定系统，因此必须依靠强大的飞控系统才能进行稳定飞行及控制。
多旋翼无人机的飞行自由度可以区分为6个；分为直线运动与角运动
直线运动：直线运动可分为上下、前后、左右运动
角运动：俯仰、翻滚、偏航
上下运动：由电机油门控制，油门越大，四个电机转速同时增大，升力增大
前后运动：由无人机的俯仰角控制，若飞机向前倾斜，则升力在垂直方向分量
抵消重力，在水平方向提供飞机向前的加速度。
左右运动：由飞机的翻滚角控制，原理同前后运动
无人机机体坐标设定：无人机机头方向作为Y轴；与机头做水平面垂直的
为X轴；重力方向为Z轴
俯仰运动：无人机绕机体坐标系X轴转动；在低头的运动时,1、4好电机
转速减小；2、3号电机转速增大，此时电机
之间的反扭矩仍然相抵消
滚动运动：无人机绕机体坐标系Y轴转动，原理同俯仰运动
偏航运动：无人机绕机体坐标系Z轴转动，若1、3号电机转速增大，同2、4号电机转速减小，此时电机反扭矩便不能
相互抵消，出现逆时针反向的反扭矩，飞机向右偏航。相反则为顺时针的
反扭矩，飞机向左偏航。
四旋翼无人飞行器的设计
多旋翼无人机是通过控制电机的转速来实现无人机的6个自由度运动；
其中无人机的设计主要分为三个方面：
结构设计：多旋翼无人机的平衡性是结构设计的保证；旋翼的结构设计与升力的大小有着密切关系。
电机驱动设计：无人机的飞行中需要电机进行高速旋转工作；因此电机需
要的电流是很大的，通常情况下
每隔电机正常工作时，平均需要3A左右的电流，若没有电调的存在，飞控板根本无法承受这样打的电流。
控制程序的设计：要使飞行器实现不同的飞行姿态和功能，通常采用反馈
控制；需要在飞控板上添加陀螺仪
、加速度计或者测量高度的传感器等。通过反馈回来的位置、高度或者角
度等信息，通过合理的算法产生
恰当的控制信号，通过电调调节四个电机的旋转状态，进而实现各种姿态
和功能。
无人飞行器—遥控器
无人机在飞行过程中，需要人员进行手动控制，其中无人机的遥控器根据
不同人
的习惯分成2类：日本手与美国手
美国手：
左摇杆负责无人机的上升下降，航向顺/逆时针
右摇杆负责无人机的左右、前后偏移
日本手：
左摇杆负责无人机的前进后退，航向顺/逆时针右摇杆负责无人机的上升下降，左右移动
多旋翼无人机的结构和原理
多旋翼无人机的结构和原理 翼型的升力： 升力的来龙去脉这是空气动力学中的知识，研究的内容十分广泛，本文只关注通识理论，阐述对翼型升力和旋翼升力的原理。 根据流体力学的基本原理，流动慢的大气压强较大，而流动快的大气压强较小。由于机翼一般是不对称的，上表面比较凸，而下表面比较平（翼型），流过机翼上表面的气流就类似于较窄地方的流水，流速较快，而流过机翼下表面的气流正好相反，类似于较宽地方的流水，流速较上表面的气流慢。大气施加与机翼下表面的压力（方向向上）比施加于机翼上表面的压力（方向向下）大，二者的压力差便形成了升力。［摘自升力是怎样产生的］。所以对于通常所说的飞机，都是需要助跑，当飞机的速度达到一定大小时，飞机两翼所产生的升力才能抵消重力，从而实现飞行。 旋翼的升力飞机，直升机和旋翼机三种起飞原理是不同的。飞机依靠助跑来提供速度以达到足够的升力，而直升机依靠旋翼的控制旋转在不进行助跑的条件下实现垂直升降，直升机的旋转是动力系统提供的，而旋翼旋转会产生向上的升力和空气给旋翼的反作用力矩，在设计中需要提供平衡旋翼反作用扭矩的方法，通常有单旋翼加尾桨式（尾桨通常是垂直安装）、双旋翼纵列式（旋转方向相反以抵消反作用扭矩）等;而旋翼机则介于飞机和直升机之间，旋翼机的旋翼不与动力系统相连，由飞行过程中的前方气流吹动旋翼旋转产生升力（像大风车一样），即旋翼为自转式，传递到机身上的扭矩很小，无需专门抵消。 而待设计的四旋翼飞行器实质上是属于直升机的范畴，需要由动力系统提供四个旋翼的旋转动力，同时旋翼旋转产生的扭矩需要进行抵消，因此本着结构简单控制方便，选择类似双旋翼纵列式加横列式的直升机模型，两个旋翼旋转方向与另外两个旋翼旋转方向必须相反以抵消陀螺效应和空机动力扭矩。
多旋翼无人机基础知识二
多旋翼无人机的组成 1.光流定位系统 光流（optic flow），从本质上说，就是我们在三维空间中视觉感应可以 感觉到的运动模式，即光线的流动。例如，当我们坐在车上的时候往窗外观看，可以看到外面的物体，树木，房屋不断的后退运动，这种运动模式是物体表面 在一个视角下由视觉感应器（人眼或者摄像头等）感应到的物体与背景之间的 相对位移。光流系统不但可以提供物体相对的位移速度，还可以提供一定的角 度信息。而相对位移的速度信息可以通过积分获得相对位置信息 2. 全球卫星导航系统 GPS系统是美国从上世纪70年代开始研制并组建的卫星系统，可以利 用导航卫星进行目标的测距和测速，具备在全球任何位置进行实时的三维导航 定位的能力，是目前应用最广泛的精密导航定位系统 北斗系统是中国为了实现区域及全球卫星导航定位系统的自主权与主 导地位而建设的一套卫星定位系统，用于航空航天、交通运输、资源勘探、安 防监管等导航定位服务。北斗系统采用5颗静止同步轨道卫星和30颗非同步轨道卫星组成，是中国独立自主研制建设的新一代卫星导航系统。 GLONASS是俄罗斯在前苏联时期建立的卫星定位系统，但由于缺乏资 金维护，目前系统的可用卫星从最初的24颗卫星减少到2015年的17颗可用在轨卫星，导致系统的可用性和定位精度逐步的下降。 欧盟的伽利略导航卫星系统是由欧洲自主、独立的民用全球卫星导航 系统，不过目前为止该系统还只是计划方案，计划总共包含27颗工作卫星，3 颗为候补卫星，此外还包含2个地面控制中心，但由于该计划由欧盟共同经营，同时与内部私企合营，各部分利益难以平衡，计划实施则一再推迟，目前还无 法独立使用。
多旋翼无人机基础知识
无人机，也称无人飞行器，英文Unmannedaerial vehicle(UAV) 无人飞行器是一种配置了数据处理系统、传感器、自动控制系统和通讯系统等必要机载设备的飞行器。 无人机技术是一项设计多个技术领域的综合系统，它对通讯技术、传感器技术、人工智能技术、图像处理技术模式识别技术、现代控制理论都有较深的运用和较高的要求。 无人飞行器与它所配套的地面站测控系统、存储、托运、发射、回收、信息处理等维护保障部分一起形成了一套完整的系统，同城无人飞行器系统Unmannedaerial system(UAS) 1.1无人机的种类 固定翼无人飞行器采用电动或者燃料发动机产生向前拉力或推力，飞行器依靠固定翼的翼形上下边产生的大气动压强差产生的升力维持飞行器的控制。 无人飞艇采用充气囊结构作为飞行器的升力来源，充气囊一般充有比空气目的小的氢气或氦气。
旋翼无人飞行器，其配备有多个朝正上方安装的螺旋桨，由螺旋桨的动力系统产生向下的气流，并对飞行器产生升力。 扑翼无人飞行器是基于仿生学原理，配合活动机翼能否模拟飞鸟的翅膀上下扑动的动作而产生升力和向前的推力。 伞翼无人飞行器采用伞型机翼作为飞行器升力的主要来源。 1.2无人机的分类与管理 在中国无人机驾驶航空器体系中，按照无人机的基本起飞重量指标可以分为四个等级 1. 微型无人机，空机质量小于等于7千克 2. 轻型无人机，空机质量大于7千克，但小于等于116千克，并且全马力飞行中，矫正空速度100公里/小时，升限小鱼3000米 3. 小型无人机，空机质量小于等于5700千克，除微型及小型无人机以外的其他无人机 4. 大型无人机，空机质量大于5700千克的无人机 中国的空域目前归属于军队管理，民用航空领域则由民航总局向军队申请划分空域及航道。 民航总局针对私人飞行器的管理专设“中国航空器拥有者及驾驶员协会AircraftOwners and Pilots Association Of China - AOPA”， 中国民航领域对飞行器主要管理分为三个层次等级进行管理。 第一等级：室内飞行的无人机，视距内飞行的微型无人机，及非人口稠密区域的试验无人机，这等级的飞行器由拥有者自行管理，自行负责。
简述多旋翼无人机的飞行原理
简述多旋翼无人机的飞行原理 多旋翼无人机是一种利用多个电动螺旋桨产生升力和控制飞行姿态的飞行器。其飞行原理主要涉及到气动学、动力学和控制理论等方面。 一、气动学原理 1. 空气动力学基础 空气是一种流体，当物体在空气中运动时，会受到空气的阻力和升力的作用。升力是垂直于流体运动方向的力，它是由于物体表面上方的流体速度比下方快而产生的。根据伯努利定律，速度越快的流体压强越低，因此在物体表面上方形成了一个低压区域，从而产生了升力。 2. 旋翼产生升力原理 多旋翼无人机利用电动螺旋桨产生升力。螺旋桨是一种叶片形状呈扁平椭圆形的转子，在转动时会将周围空气向下推送，从而产生反作用力使得无人机获得向上的升力。同时，螺旋桨还可以通过改变叶片角度来调节升降速度。 3. 旋翼产生的气流对姿态控制的影响
旋翼产生的气流会对无人机的姿态控制产生影响。例如，当无人机向前飞行时，前方螺旋桨产生的气流会使得无人机头部上仰；而后方螺旋桨产生的气流则会使得无人机头部下俯。因此，通过调节各个螺旋桨的转速和叶片角度来实现姿态控制。 二、动力学原理 1. 动力学基础 动力学是研究物体运动状态和运动规律的学科。在多旋翼无人机中，电动螺旋桨提供了推力，从而使得无人机具有向上飞行的能力。 2. 电动螺旋桨推力计算 电动螺旋桨推力与其转速和叶片角度有关。一般来说，推力与转速成正比，与叶片角度成平方关系。因此，在设计多旋翼无人机时需要根据所需升降速度和搭载重量等因素来确定电动螺旋桨数量、大小和转速等参数。 三、控制理论原理 1. 控制理论基础
控制理论是研究如何使系统达到期望状态的学科。在多旋翼无人机中，通过调节各个螺旋桨的转速和叶片角度来实现姿态控制和飞行控制。 2. 姿态控制 姿态控制是指调节无人机的姿态，使其保持稳定飞行。一般来说，可 以通过加速度计、陀螺仪和罗盘等传感器来获取无人机的姿态信息， 然后通过PID控制器等算法来调节螺旋桨转速和叶片角度。 3. 飞行控制 飞行控制是指调节无人机的飞行状态，包括升降、前进、后退、左右 平移等动作。一般来说，可以通过GPS、气压计等传感器来获取无人 机的位置和速度信息，并结合惯性导航系统进行路径规划和跟踪。 四、总结 多旋翼无人机的飞行原理涉及到气动学、动力学和控制理论等方面。 其中，气动学原理解释了多旋翼产生升力的物理原理；动力学原理解 释了电动螺旋桨提供推力的原理；控制理论原理解释了如何通过调节 螺旋桨转速和叶片角度来实现姿态控制和飞行控制。了解多旋翼无人 机的飞行原理可以帮助我们更好地设计、制造和操作这种飞行器。
无人机常见的基础知识大汇总
无人机常见的基础知识大汇总 一、什么是无人机?无人机是一种由无线电遥控设备或自身程序控制装置操纵的无人驾驶飞行器。二、AOPA是什么?航空器拥有者与驾驶员协会。三、什么是多旋翼无人机?拥有三个及三个以上旋翼的飞行器。四、什么是直升机无人机?由一个或两个具有动力的旋翼提供升力，并进行姿态操作的飞行器。五、什么是固定翼无人机?由固定在机身上具有翼型的机翼，通过与来流的空气发生相对运动产生升力的飞行器六、旋翼机的优点?多旋翼无人机优点：(1)体积小、重量轻、噪音小、隐蔽性好，适合多平台，多空间使用;(2)可以垂直起降，不需要弹射器、发射架进行发射;(3)飞行高度低，具有很强的机动性，执行特种任务能力强;(4)结构简单控制灵活，成本低，螺旋桨小，安全性好，拆卸方便，且易于维护。七、多旋翼运用领域：城市管理、农业、地质、气象、电力、电力巡检、抢险救灾、视频拍摄等行业。八、直升机运用领域：城市管理、农业、地质、气象、电力、电力巡检、抢险救灾、视频拍摄等行业。九、多旋翼运用领域：城市管理、农业、地质、气象、电力、电力巡检、抢险救灾、视频拍摄等行业。十、能用无人机进行什么样的工作?农业植保、遥感测绘、影视航拍等行业。十一、理论1、无人机概述与系统组成；2、民航法规与术语；3、空域的飞行与申报； 4、航空气象与飞行环境； 5、无人机分类及主流布局形式； 6、无人机构造； 7、飞行原理与性能； 8、通信链路与任务规划； 9、所使用的无人机系统特性；10、无人机飞行手册及其他文档。十二、实操1、模拟飞行;2、飞机拆装、维护、维修和保养;3、地面站设置与飞行前准备;4、起飞与降落训练;5、紧急情况下的操纵和指挥。十三、驾驶员、机长、教员、三者的区别驾驶员：视距内飞行(无人机驾驶员或无人机观测员与无人机保持直接目视视觉接触的操作方式，航空器处于驾驶员或观测员目视视距内半径500米，相对高度低于120米的区域内)。机长：除视距内还可通过操作地面站进行对无人机在目视视距以外的运行。教员：了解教学法等可进行对驾驶员及机长的培训。十四、飞手的工作范围都有哪些?对飞机的组装与维护，飞行前的检查及飞行中
多旋翼无人机二次开发 3多旋翼无人机基础知识(现代职业)_多旋翼的未来
第三章多旋翼的未来 一、多旋翼无人机精确建模 多旋翼无人机精确数学模型的建立是设计高性能控制器的基本前提，但由于多旋翼本身复杂的结构特性和飞行过程中的多种物理效应的影响，目前的研究大都建立了相对简化的模型。欲建立多旋翼无人机精确数学模型，低雷诺数条件下的空气动力学问题、柔性旋翼气动性能参数的测量技术和模型的测量和验证方法等问题还需进一步解决。 图3.1 Matlab建模 另外，在飞行器控制系统设计中，大多数情况下都将发动机模型进行简化，但对于多旋翼无人机来说，其发动机的工作状态与旋翼的动态性能紧密相关，而旋翼的动态性能又与机体的受力情况及机体姿态紧密相关，因此，如何进一步发展新的试验方法获得多旋翼机体与发动机的一体化模型是多旋翼无人机建模技术需解决的关键问题。 二、全天候抗干扰稳定飞行能力 目前多旋翼无人机大多在特定的环境中使用，大多加入很多约束条件。缺少全天候抗干扰能力。多旋翼无人机在空中飞行时，会受到气流、阵风等外界
环境的影响。相对于其他无人机，多旋翼无人机尺寸小、重量轻、飞行速度低，更易受外界扰动影响。仅仅靠设计具有强鲁棒性或自适应能力的控制系统很难抑制这些扰动，需要对多旋翼的时变空气动力学特性和非线性的飞行力学特性进行深入的分析，然后针对扰动设计专门的控制方法。另外，由于大多数多旋翼无人机的旋翼都采用柔性材料，质量轻，受到阵风干扰后的变形对其升力特性和阻力特性的影响，也是设计控制器时不得不考虑的一个现实问题 图3.2 多旋翼的复杂环境飞行 三、多机编队协同控制 在未来的战争中，多旋翼无人机的任务之一将是对敌方进行电子干扰并攻击其核心目标。单个多旋翼无人机的有效载荷量毕竟有限，难以有效地完成任务，而编队飞行与作战不仅可以极大地提高有效载荷量，还能够增强其突防能力。 组织多架无人机，甚至是多架不同性能的无人机共同执行侦察任务是未来战场上一种重要的军事行动方式，美国空军科学顾问委员会指出，无人机通常应当以成群的方式工作而不是单独行动。为了确保多架无人机高效协同执行侦察任务，需要根据无人机的特性及其搭载的有效载荷性能，进行有效的协同侦察任务规划，充分发挥每架无人机的作用，满足侦察任务要求。
无人机驾驶员航空知识手册
无人机驾驶员航空知识手册 第一章：无人机基础知识 一、无人机的定义 无人机（Unmanned Aerial Vehicle，简称UAV）是一种不需要人员搭载，由遥控器、自动控制计算机或者程序依照预先设定的航线和任务自主飞行的航空器。无人机主要包括多旋翼无人机、固定翼无人机和混合式无人机等类型。 二、无人机驾驶员的职责 1. 负责飞行任务的执行，确保飞行过程安全、稳定； 2. 了解无人机控制系统、航空原理和空中交通法规； 3. 进行无人机的日常检查和维护，确保设备完好。 第二章：航空原理 一、无人机基本结构及工作原理 1. 多旋翼无人机：由多个螺旋桨组成，通过改变螺旋桨的转速和方向来控制飞行方向和姿态； 2. 固定翼无人机：类似于传统飞机，通过翼面的升力和推进系统来飞行； 3. 混合式无人机：结合了多旋翼和固定翼的优势，具有垂直起降和长航时能力。 二、飞行原理 1. 升力和重力平衡：无人机通过改变翼面形状和螺旋桨转速来维持飞行高度； 2. 推进力和阻力平衡：无人机通过推进系统提供的推力来克服空气阻力。 第三章：空中交通法规 一、无人机飞行空域 1. 低空空域：通常为地面到2000英尺之间的空域，适用于大多数无人机飞行； 2. 中空空域：2000英尺到12000英尺之间的空域，需特殊许可方可飞行； 3. 高空空域：12000英尺以上的空域，一般不允许无人机飞行。
二、飞行限制 1. 无人机不得飞入禁飞区、限飞区和管制空域； 2. 飞行时不得干扰其他航空器或地面设施； 3. 飞行时需遵守飞行高度限制、距离限制和时间限制。 第四章：紧急情况处理 一、失控处理 1. 在无人机失控时，立即切断电源或远程控制信号； 2. 根据现场情况选择尽可能安全的地方迫降。 二、天气条件应对 1. 雾、霾、大风等恶劣天气时，应终止飞行任务； 2. 飞行过程中突遇恶劣天气，应尽快转向安全地点着陆。 第五章：飞行日志和事件记录 一、飞行日志 1. 飞行前需填写飞行计划，包括飞行路线、飞行高度、飞行时间等信息； 2. 飞行后需及时记录飞行过程中的事件，包括遇到的问题、紧急情况处理过程等。 二、事件记录 1. 对于发生的不安全事件或紧急情况，应及时报告并记录在飞行日志中； 2. 对于飞行中遇到的技术故障和维修记录需详细记录，以备查验。 结语： 无人机驾驶员需要具备扎实的航空知识和丰富的飞行经验，同时需要不断学习和提高 自身的技能水平。只有在全面掌握飞行原理和空中交通法规的基础上，才能保证无人机飞 行任务的安全可靠。希望本手册可以帮助无人机驾驶员更好地了解和掌握相关的航空知识，确保飞行任务的顺利执行。
无人机基础知识教学大纲
无人机基础知识教学大纲 无人机基础知识教学大纲 无人机作为一种新兴的航空器，近年来在各个领域的应用越来越广泛。为了让 更多的人了解无人机的基础知识，本文将介绍一份无人机基础知识教学大纲， 帮助读者系统地学习无人机的相关知识。 一、无人机的定义和分类 1. 无人机的定义：无人机是指可以在没有人操控的情况下，通过自主飞行或远 程操控完成各种任务的航空器。 2. 无人机的分类：按照用途和结构，无人机可以分为军用无人机、民用无人机、多旋翼无人机、固定翼无人机等。 二、无人机的原理和组成 1. 无人机的原理：无人机的飞行原理主要包括气动力学原理、控制原理和导航 原理。 2. 无人机的组成：无人机主要由机身、动力系统、控制系统、导航系统和载荷 系统等组成。 三、无人机的飞行控制和导航 1. 无人机的飞行控制：无人机的飞行控制主要包括姿态控制、航向控制和高度 控制等。 2. 无人机的导航系统：无人机的导航系统主要包括GPS导航、惯性导航和视觉 导航等。 四、无人机的应用领域 1. 农业领域：无人机可以用于农作物的喷洒、测绘和监测等，提高农业生产效
率。 2. 物流领域：无人机可以用于快递、货物运输和紧急救援等，提供快速、高效 的服务。 3. 环境监测：无人机可以用于空气质量监测、水质监测和野生动物保护等，帮 助保护环境和生态系统。 4. 建筑和工程：无人机可以用于建筑物巡检、工程测量和施工监控等，提高工 作效率和安全性。 五、无人机的法律和安全问题 1. 无人机的法律规定：针对无人机的使用，各国都有相应的法律规定，包括飞 行限制区域、飞行高度限制和隐私保护等。 2. 无人机的安全问题：无人机的飞行安全问题包括碰撞风险、电池爆炸和数据 安全等，需要注意飞行安全和数据保护。 六、无人机的未来发展趋势 1. 技术发展：随着技术的进步，无人机的飞行时间将更长，载荷能力将更大， 智能化程度将更高。 2. 应用拓展：无人机的应用领域将进一步拓展，包括人员运输、城市交通和科 学研究等。 通过学习以上内容，读者可以全面了解无人机的基础知识，包括无人机的定义、原理、组成、飞行控制和导航、应用领域、法律安全问题以及未来发展趋势。 无人机作为一种具有巨大潜力的航空器，相信在未来会有更多的创新和应用。
无人机理论考试知识点整理
无人机理论考试知识点整理无人机技术的发展在近年来取得了飞速的进展，无人机的广泛应用让人们对无人机的理论知识要求越来越高。无人机理论考试所涉及的知识点繁多且庞杂，为了帮助考生更好地备考无人机理论考试，下面将对无人机理论考试的核心知识点进行整理。 一、无人机基础知识 1. 无人机的定义和分类 2. 无人机的组成部分和结构特点 3. 无人机的飞行原理和动力系统 4. 无人机的航电系统和导航系统 5. 无人机的通信系统和遥控系统 二、无人机飞行原理 1. 气动学基础知识 a. 气流的流动特性 b. 升力和阻力的产生机理 c. 偏航力和侧滑力的产生机理 d. 失速的原因和防止失速的方法 2. 多旋翼飞行原理
a. 固定翼和旋翼的区别和特点 b. 四旋翼和六旋翼的工作原理 c. 旋翼的升力和操纵原理 3. 前进式无人机飞行原理 a. 前进式无人机的组成和结构特点 b. 前进式无人机的气动布局 c. 前进式无人机的机翼和机身设计原则 三、无人机导航与控制 1. 无人机导航系统 a. GPS定位技术和原理 b. 激光雷达和红外线导航技术 c. 无人机地面站控制和遥控技术 2. 无人机自动控制系统 a. 姿态控制原理和方法 b. 自稳定控制和自动驾驶控制原理 c. 飞行控制算法和传感器融合技术 四、无人机安全与法规
1. 无人机安全知识 a. 飞行安全原则和安全飞行的注意事项 b. 无人机事故原因和事故防范措施 c. 无人机飞行中的紧急情况应对方法 2. 无人机法规和规范 a. 无人机飞行管理的法律法规 b. 无人机驾驶员的资格和证书要求 c. 无人机飞行场地和飞行活动的管理规定 五、无人机应用与发展趋势 1. 无人机的应用领域和行业 2. 无人机在农业、测绘、救援等行业的应用案例 3. 无人机技术的发展趋势和未来展望 通过对上述无人机理论考试的知识点进行整理和归纳，考生可以更 加系统地掌握无人机的相关知识。在备考过程中，建议考生结合教材、学习资料和模拟题库进行综合复习和训练，同时注意理论与实践相结合，提高解决实际问题的能力。希望考生们能够认真备考，取得优异 的成绩。
无人机驾驶基础及应用实训二 组装多旋翼无人机
实训二组装多旋翼无人机 一、实训目的 1、通过组装多旋翼无人机，训练必要的无人机检查和维护技能； 2、通过组装多旋翼无人机，学习必要的无人机系统硬件和软件的理论知识； 3、通过组装多旋翼无人机，掌握遥控器通道与无人机姿态和伺服设备对应关系，有利于提高驾驶训练和无人机应用技能培养效率。 二、实训内容及要求 1、通过淘宝（天猫）、京东等购物网站，采购450轴距四旋翼无人机配件，形成采购清单； 2、将采购清单与课程配备的配件清单对比，从适配性、性价比、通用性、可行性等方面比较优缺点； 3、使用课程配备的配件进行450轴距四旋翼无人机基本结构组装和调试，并进行解锁试车； 三、实训条件 1、450轴距四旋翼无人机配件，电烙铁套装、螺丝刀套装等工具； 2、多媒体机房（有网络）； 3、无人机实训室。 四、实训步骤 1、通过淘宝（天猫）、京东等购物网站，采购450轴距四旋翼无人机配件放入购物车中，形成采购清单，清单表参照附件表实训2-1； 2、将采购清单与课程配备的配件清单（见表2-1）对比，从适配性、性价比、通用性、可行性等方面比较优缺点； 3、依照视频、样机和教师指导组装多旋翼无人机； 3、依照视频和教师指导调试多旋翼无人机； 4、进行解锁试车。 五、实训成果 1、450轴距四旋翼无人机配件清单； 2、450轴距四旋翼无人机实机。
六、附件 1、450轴距四旋翼无人机配件清单 表实训2-1 450轴距四旋翼无人机主体结构配件 ，
螺丝刀、 图实训2-1 450轴距四旋翼无人机组装完成图
2、NAZA-lite飞控的X型四轴电机编号和旋转方向示意图。从机头方向的右上角开始，电机编号为M1，M2，M3，M4，旋转方向分别为逆时针、顺时针、逆时针、顺时针。 图实训2-2 NAZA-lite飞控的X型四轴电机编号和旋转方向 3、NAZA-lite飞控连接线示意图 图实训2-3 NAZA-lite飞控连接线示意图
无人机技术基础 多旋翼无人机结构和布局
《无人机技术基础》 教案
一、多旋翼无人机结构 多旋翼无人机组成一般包括机架起落架、电机和电调、电池、螺旋桨、飞控系统、遥控装置、GPS模块、任务设备和数据链路。 1. 机架 机架按材质一般可以分为以下几种类型： (1)塑胶机架 主要特点是具有一定的刚度、强度和可弯曲度。 (2)玻璃纤维机架 主要特点是强度比较高，重量轻。 (3)碳纤维机架 其特点是价格要贵一些，但重量要轻一些。 2.起落架 作为整个机身在起飞和降落时候的缓冲，也是为了保护机载设备。 3.电机 电机是多旋翼无人机的动力机构，提供升力，推力等。 4.电子调速器 电子调速器，将飞控的控制信号，转变为电流信号，用于控制电机转速。 5.电池 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。 6.螺旋桨 螺旋桨安装在电机上，多旋翼无人机安装的都是不可变总距的螺旋桨，主要指标有螺距和尺寸。 7.飞控系统 飞控系统是多旋翼无人机的核心设备，它包括陀螺仪、加速度计、电路控制板、各外设接口。飞控的主要功能有： （1）处理来自遥控器或自动控制的信号。 （2）控制电调。 （3）通过控制电调的输出信号保持多旋翼无人机的稳定。 8.遥控装置 包括遥控器和接收机，接收机装在机上。 9.GPS模块 测量多旋翼无人机当前的经纬度、高度、航迹方向、地速等信息。 10.任务设备 目前最多的就是云台，云台作为相机或摄像机的增稳设备。 11.数据链路 数据链路包括数传和图传。数传就是数字传输，图传就是图像传输。 二、多旋翼无人机布局
多旋翼按形状分为：十型，X型，H型，Y型，上下布局等等。 1.十字型布局 特点：十型多旋翼是最早出现的一种气动布局，只需改变少量电机转速 就可实现。 2.X型布局 特点：X型多旋翼是目前最常见的，相比于十型多旋翼，前后左右动作时加减速的电机较多，控制比较迅速和有力。 3.H型布局 特点：其特点在于比较易于设计成水平折叠结构，看起来比X型厚重，又拥有与X型相当的特点，结构简单，方便控制。 4.上下布局 特点：上下分布多用于体积受到限制，但是对载重量又有较大需求的场合。 5.其它布局 如8轴16旋翼，6轴18旋翼，4轴16旋翼等等。 第二页（共2页）