第13課-無(wú)人航拍機(jī)-創(chuàng)客教程

第12頁(yè)共12頁(yè)1、了解無(wú)人機(jī)的基礎(chǔ)知識(shí)2、學(xué)會(huì)分解無(wú)人機(jī)的飛行動(dòng)作3、熟悉ArduinoIDE的安裝與界面的簡(jiǎn)單操作觀察與思考Science同學(xué)們，我們?cè)?015年春晚上欣賞了人型機(jī)器人的舞蹈表演，不知道你有沒(méi)有注意到元宵晚會(huì)上陪伴人型機(jī)器人一同出場(chǎng)的無(wú)人機(jī)編隊(duì)呢？無(wú)人機(jī)是通過(guò)無(wú)線電遙控設(shè)備或機(jī)載計(jì)算機(jī)程控系統(tǒng)進(jìn)行操控的不載人飛行器，它跟隨我們的人型機(jī)器人去往不同的場(chǎng)地進(jìn)行航拍攝制。無(wú)人機(jī)的出現(xiàn)顛覆了傳統(tǒng)的拍攝方式，為觀眾提供更加廣闊的視角。另外，無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用成本低，不但能完成有人駕駛飛機(jī)執(zhí)行的任務(wù)，更適用于有人飛機(jī)不宜執(zhí)行的其他艱巨任務(wù)。在突發(fā)事情應(yīng)急、預(yù)警有很大的作用，讓我們來(lái)一起認(rèn)識(shí)一下它吧！圖13.1無(wú)人機(jī)二、無(wú)人機(jī)的基礎(chǔ)知識(shí)TechnologyandEngineering1、無(wú)人機(jī)種類國(guó)內(nèi)外無(wú)人機(jī)技術(shù)發(fā)展迅速，無(wú)人機(jī)系統(tǒng)種類繁多、用途廣，特點(diǎn)鮮明，致使其在尺寸、質(zhì)量、航程、航時(shí)、飛行高度、飛行速度、任務(wù)等方面都有較大的差異。無(wú)人機(jī)種類可按飛行平臺(tái)構(gòu)型分類，按用途分類，按尺度分類，按任務(wù)高度分類。請(qǐng)同學(xué)們調(diào)研，無(wú)人機(jī)的不同種類具有什么樣特點(diǎn)？2、無(wú)人機(jī)飛行注意事項(xiàng)目視飛行距離控制在100m內(nèi)，航拍距離取決于遙控控制信號(hào)和圖像傳輸?shù)淖疃叹嚯x。無(wú)人機(jī)飛行時(shí)需要注意以下事項(xiàng)：

(1)飛行應(yīng)遠(yuǎn)離人群，嚴(yán)禁田間有其他人作業(yè)時(shí)飛行。

(2)垂直飛行遠(yuǎn)離障礙物10m以上，平行飛行遠(yuǎn)離障礙物5m以上。

(3)飛機(jī)電機(jī)溫度過(guò)高應(yīng)打開(kāi)頭罩散熱5-10min，嚴(yán)禁溫度過(guò)高的情況下連續(xù)飛行。

(4)每次飛行前都應(yīng)檢查電池電量和飛機(jī)信號(hào)燈狀態(tài)。

(5)條件允許的情況下操控人員應(yīng)背對(duì)陽(yáng)光操作飛機(jī)。

(6)飛行過(guò)程中操作手應(yīng)與飛機(jī)保持10m以上的距離，嚴(yán)禁機(jī)頭正對(duì)自己或其他人。

(7)接手飛機(jī)首次飛行前，必須親自測(cè)量電池電壓，檢查飛機(jī)狀態(tài)。圖13.2亞太無(wú)人機(jī)無(wú)人機(jī)發(fā)展前景（1）高空長(zhǎng)航時(shí)化老式的無(wú)人機(jī)滯空時(shí)間短，飛行高度低，偵察監(jiān)視面積小，不能連續(xù)獲取信息，甚至?xí)斐汕閳?bào)“盲區(qū)”，不適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的需要。為此，美國(guó)陸軍研制了“蒂爾”II超高空，長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)。（2）隱形無(wú)人機(jī)化為了對(duì)付日益增強(qiáng)的地面防空火力的威脅，許多先進(jìn)的隱形技術(shù)被應(yīng)用到無(wú)人機(jī)的研制上。（3）空中格斗化攻擊無(wú)人機(jī)是無(wú)人機(jī)的一個(gè)重要發(fā)展方向。由于無(wú)人機(jī)能預(yù)先靠前部署，可在距離所防衛(wèi)目標(biāo)較遠(yuǎn)的距離上摧毀來(lái)襲的導(dǎo)彈，從而能夠有效地克服“愛(ài)國(guó)者”或C－300等反導(dǎo)導(dǎo)彈反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、攔截距離近、攔截成功后的殘骸對(duì)防衛(wèi)目標(biāo)仍有損害的缺點(diǎn)。圖13.3無(wú)人機(jī)航拍機(jī)三、無(wú)人機(jī)基本結(jié)構(gòu)與原理EngineeringandTechnology四旋翼飛行器的四個(gè)旋翼對(duì)稱分布在機(jī)體的前后、左右四個(gè)方向，處于同一高度平面，且四個(gè)旋翼的結(jié)構(gòu)和半徑都相同，四個(gè)電機(jī)對(duì)稱的安裝在飛行器的支架端，支架中間空間安放飛行控制計(jì)算機(jī)和外部設(shè)備。結(jié)構(gòu)如圖13.4所示。圖13.4四旋翼飛行器的結(jié)構(gòu)無(wú)人機(jī)的動(dòng)力來(lái)源于四個(gè)旋翼，通過(guò)調(diào)節(jié)四個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)改變旋翼轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)升力的變化，從而控制飛行器的姿態(tài)和位置。四旋翼飛行器的電機(jī)1和電機(jī)3逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，電機(jī)2和電機(jī)4順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，因此當(dāng)飛行器平衡飛行時(shí)，陀螺效應(yīng)和空氣動(dòng)力扭矩效應(yīng)均被抵消，無(wú)人機(jī)可實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)飛行。四、無(wú)人機(jī)的飛行狀態(tài)ScienceandEngineering無(wú)人機(jī)靈活輕便，能夠完成各種復(fù)雜的飛行動(dòng)作，所有的動(dòng)作都可以分解成以下4種基本狀態(tài)：電機(jī)1和電機(jī)3作逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，電機(jī)2和電機(jī)4作順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，規(guī)定沿x軸正方向運(yùn)動(dòng)稱為向前運(yùn)動(dòng)，箭頭在旋翼的運(yùn)動(dòng)平面上方表示此電機(jī)轉(zhuǎn)速提高，在下方表示此電機(jī)轉(zhuǎn)速下降。1、垂直運(yùn)動(dòng)四個(gè)電機(jī)的輸出功率同時(shí)增加，旋翼轉(zhuǎn)速增加使得總的拉力增大。當(dāng)總拉力足以克服整機(jī)的重量時(shí)，四旋翼飛行器便離地垂直上升；反之，四個(gè)電機(jī)的輸出功率同時(shí)減小，四旋翼飛行器則垂直下降，直至平衡落地，實(shí)現(xiàn)了沿z軸的垂直運(yùn)動(dòng)。當(dāng)外界擾動(dòng)量為零時(shí)，在旋翼產(chǎn)生的升力等于飛行器的自重時(shí)，飛行器便保持懸停狀態(tài)。圖13.5垂直運(yùn)動(dòng)2、俯仰運(yùn)動(dòng)如圖13.6所示，電機(jī)1和2的轉(zhuǎn)速上升，電機(jī)3和4的轉(zhuǎn)速下降（改變量大小應(yīng)相等）。由于旋翼1和2的升力上升，旋翼3和4的升力下降，產(chǎn)生的不平衡力矩使機(jī)身繞y軸旋轉(zhuǎn)。同理，當(dāng)電機(jī)1和2的轉(zhuǎn)速下降，電機(jī)3和4的轉(zhuǎn)速上升，機(jī)身便繞y軸向另一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)飛行器的俯仰運(yùn)動(dòng)。圖13.6俯仰運(yùn)動(dòng)3、滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)如圖13.7中，同時(shí)改變電機(jī)2和電機(jī)3的轉(zhuǎn)速及同時(shí)改變電機(jī)1和電機(jī)4的轉(zhuǎn)速，則可使機(jī)身繞x軸旋轉(zhuǎn)（正向和反向），實(shí)現(xiàn)飛行器的滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。圖13.7翻滾運(yùn)動(dòng)4、垂直運(yùn)動(dòng)旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中由于空氣阻力作用會(huì)形成與轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的反扭矩，為了克服反扭矩影響，可使四個(gè)旋翼中的兩個(gè)正轉(zhuǎn)，兩個(gè)反轉(zhuǎn)，且對(duì)角線上的各個(gè)旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同。反扭矩的大小與旋翼轉(zhuǎn)速有關(guān)，當(dāng)四個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速相同時(shí)，四個(gè)旋翼產(chǎn)生的反扭矩相互平衡，四旋翼飛行器不發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)四個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速不完全相同時(shí)，不平衡的反扭矩會(huì)引起四旋翼飛行器轉(zhuǎn)動(dòng)。如圖13.8所示，當(dāng)電機(jī)1和電機(jī)3的轉(zhuǎn)速上升，電機(jī)2和電機(jī)4的轉(zhuǎn)速下降時(shí)，旋翼1和旋翼3對(duì)機(jī)身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4對(duì)機(jī)身的反扭矩，機(jī)身便在富余反扭矩的作用下繞z軸轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)飛行器的偏航運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)向與電機(jī)1、電機(jī)3的轉(zhuǎn)向相反。圖13.8偏航運(yùn)動(dòng)5、前后運(yùn)動(dòng)如圖13.9所示，電機(jī)1和2的轉(zhuǎn)速增加，拉力增大；電機(jī)3和4的轉(zhuǎn)速減小，拉力減小，反扭矩仍然要保持平衡。按俯仰理論，飛行器首先發(fā)生一定程度的傾斜，使旋翼拉力產(chǎn)生水平分量，可實(shí)現(xiàn)飛行器的向后飛運(yùn)動(dòng)，向前飛行原理類似。圖13.9前后運(yùn)動(dòng)6、側(cè)向運(yùn)動(dòng)如圖13.10所示，因結(jié)構(gòu)對(duì)稱，所以側(cè)向飛行的工作原理與前后運(yùn)動(dòng)類似，在此不做贅述。圖13.10側(cè)向運(yùn)動(dòng)五、ArduinoIDE介紹Technology了解無(wú)人機(jī)的基本知識(shí)后，我們來(lái)介紹一下ArduinoIDE，這是我們調(diào)整無(wú)人機(jī)參數(shù)所用的軟件。Arduino開(kāi)發(fā)工具（又叫ArduinoIDE），是一個(gè)用來(lái)編寫(xiě)Arduino程序的軟件，將編寫(xiě)好的程序通過(guò)此軟件上傳到Arduino開(kāi)發(fā)板中。在安裝完ArduinoIDE后，進(jìn)入Arduino安裝目錄，打開(kāi)Arduino.exe文件，進(jìn)入初始界面。界面上的區(qū)域功能有菜單欄、圖形化的工具條、中間的編輯區(qū)域和底部的狀態(tài)區(qū)域，如圖13.11所示。圖13.11用戶界面的區(qū)域功能ArduinoIDE界面工具欄，從左至右依次為編譯、上傳、新建程序（sketch）、打開(kāi)程序（sketch）、保存程序（sketch）和串口監(jiān)視器（SerialMonitor）。具體標(biāo)注如圖13.12所示：圖13.12界面工具欄上圖常用的功能按鈕要牢記，在無(wú)人機(jī)的飛行控制板調(diào)參過(guò)程會(huì)經(jīng)常用到。六、交流與評(píng)比Arts本節(jié)課我們了解了無(wú)人機(jī)的基礎(chǔ)知識(shí)，要求同學(xué)們掌握無(wú)人機(jī)飛行動(dòng)作的分解（包括垂直運(yùn)動(dòng)、俯仰運(yùn)動(dòng)、滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、偏航運(yùn)動(dòng)、前后運(yùn)動(dòng)、側(cè)向運(yùn)動(dòng)），這些動(dòng)作的分解是我們以后駕馭無(wú)人機(jī)的知識(shí)基礎(chǔ)。除此之外，我們也熟悉了ArduinoIDE的安裝與界面簡(jiǎn)單操作，為我們?cè)O(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)飛行動(dòng)作提供了技術(shù)支持。課下組織班級(jí)交流會(huì)，同學(xué)們聊一聊對(duì)無(wú)人航拍機(jī)動(dòng)