多旋翼无人机专业培训教材ppt.ppt
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1、多旋翼无人飞行器多旋翼无人飞行器培训培训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家领先时代数十年。实际上直到80年代底以前,世界
2、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”(Fw189)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”
3、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”可复用无人机,世界上最大的无人机“全球鹰”,“影子-200”低空无人机,“扫
4、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
5、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优点1.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。2.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。3.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。4.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
6、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1.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。2.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。3.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。4.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。5.无人机机械部分也有出现故障的可能,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的应用非常
7、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。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飞行器也称为多轴飞行器,是直
8、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按尺按尺度分度分类类微型微型无人无人机机(空(空机质机质量量7KG7KG)轻型轻型无人无人机机(7KG7KG空空机质机质量量116116KGKG)小型小型无人无人机机(116116KGKG空机空机质量质量5705700KG0KG)速度速度100KM100KM
9、/h/h高高度度3KM3KM大型大型无人无人机机(空(空机质机质量量5700K5700KG G)按活按活动半动半径径超近超近程无程无人机人机(半(半径径15KM)近程近程无人无人机机(半(半径径1550KM)短程短程无人无人机机(半(半径径50200KM)中程中程无人无人机机(半(半径径200800KM)远程无人机(半径大于800KM)按 任 务 高 度 分 类超低空无人机超低空无人机低空无人机低空无人机中空无人机中空无人机高空无人机高空无人机超高空无人机超高空无人机0100m1001000m10007000m700018000m18000m以上多旋翼飞行器主要由机架、电机、电调和桨叶组成,为
10、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。多旋翼飞行器的构
11、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,
12、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ACEONE多旋翼飞控NAZA-H多旋翼飞控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
13、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
14、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(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
15、(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
16、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,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
17、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AceOne。主控单元还能通过USB接
18、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。飞行控制系统主要部件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。对于失控保护自动返航,精准定位悬停等功能的实现至关重要。飞行控制系统主要部件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。飞行控制系统主要部件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
19、位。即使碰到有风或者其它外力的作用下,飞行控制系统也能通过主控制单元发出的定位指令来自主控制飞行器以实现精准定位悬停。飞行控制系统主要功能智能失控保护/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。飞行控制系统主要功能低电压报警或自动返航降落由于多旋翼飞行系统普遍采用电池供电的方式,巡航时间有限。为保证更高效地完成飞行作业任务,飞行控制系统的低电压报警功能会及时通过LED指示灯提醒飞手当前的电压状态,在紧急的情况下,还可以实现自主返航或者降落,以保证整个飞行系
20、统的安全。内置(两轴)云台增稳功能云台系统作为无人机航拍不可缺少的设备,主要用以稳定相机,从而拍摄出稳定流畅的画面。越来越多的人采用无人机航拍,主要是因为其成本较低,性价比相对较高。除了无人机飞行系统以外,还需要挂载摄像设备来实现航拍。如果直接将摄像设备进行硬连接,会导致拍摄画面抖动或果冻,这样的素材即使通过软件后期调试也基本不能使用。飞行控制系统主要功能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。通过地面控制终端,可提前设定飞行航线,高度及速度等参数,一键即可实现从起飞、航线飞行,返航降落等全自主飞行功能。地面站系统拥有3D地图,可视化飞行仪表,提供
21、飞机姿态、坐标、速度、角度等实时飞行数据,同时也提供飞机及飞控系统状态信息。飞行控制系统主要功能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。在无法辨别飞行器方向的时候,可充分利用该功能对飞行器的方向进行控制。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。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。飞行控制系统主要功能热点环绕(POI)热点环绕(POI,PointofInterest)功能,在GPS信号良好的情况下,可以通过拨
22、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。以热点为中心,在半径5米至500米的范围内,只需要发出横滚的飞行指令,飞行器就会实现360度的热点环绕飞行,机头方向始终指向热点的方向。该功能设置简单,使用方便,可实现对固定的景点进行全方位拍摄的应用。飞行控制系统主要功能断桨保护功能(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。此时飞机可以继续被操控,并安全返航。这一设计大大降低了炸机的风险。飞行控制系统主要功能飞行控制系统一般提供三种飞行模式,GPS姿态模式、姿态模式和手动
23、模式。(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。飞行控制系统控制模式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(DataLink)和人
24、性化设计的地面站控制软件(GCS)。使用者可以在地面站控制软件中预先规划整个飞行航线,以及预设拍照、空投等作业动作。通过软件的航线自检功能和3D化的地理信息显示,对飞行任务的合理性和准确性一目了然。整套系统不仅能确保飞行器稳定的飞行状态和安全性,精确地航线飞行、再辅以全自动起飞/降落,自适应转弯调整,遇险自动返航等高级功能,实现整个飞行任务在无人干预的情况下全自动执行,大大降低了无人机专业应用的复杂程度,可广泛应用于专业航拍(AP)、遥感测绘、航空探矿、灾情监视、交通巡逻、治安监控、森林防火、电力巡线等领域。飞行控制系统地面站功能地面站类型及硬件需求:1、PC地面站(以WKM为例)飞行控制系统
25、地面站功能笔记本电脑A2飞行控制器2.4G蓝牙电台地面站类型及硬件需求:2、iPad地面站(以Phantom2为例)飞行控制系统地面站功能iPad平板电脑Phantom2+ZH3-3D2.4G蓝牙电台地面站类型及硬件需求:3、智能手机地面站(以Phantom2Vision+为例)飞行控制系统地面站功能智能手机Phantom2Vision+地面站特点:1、人性化界面设计2、谷歌3D地图视角3、工业级飞行控制算法4、实时飞行仪表盘5、遇险自动返航/一键返航6、键盘/自定义摇杆飞行控制7、随点随行功能8、全自主起飞/降落9、自定义航点10、6种预设航线模板飞行控制系统地面站功能地面站特点:11、3种
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