1、第一单元了解空中机器人还记得机器人一词是如何诞生的吗？人类从古至今，从未停止过对美好生活的追求与探索。几千年中，从古代机器人到近代机器人，再到如今智能机器人发展历史的长河中，机器人已经在人类的生产生活中发挥着重要的作用。在全世界陆地机器人、空中机器人、水下机器人的蓬勃发展中，其中发展比较快的是空中机器人。你对空中机器人有多少的了解呢？你想知道空中机器人是怎样发展的吗？让我们一同进入空中机器人的世界吧。第1节 无人机简介学习目标： a、了解什么是无人机。 b、了解什么是旋翼无人机。 c、了解什么是固定翼无人机。1.1 了解什么是无人机你知道飞机是什么时候被发明的吗？你对飞机又有怎样的认识呢？在1
2、903年，美国的莱特兄弟制造出第一架依靠自身动力进行载人飞行的飞机“飞行者一号”，取得了试飞成功，为全世界的飞机发展史上做出了重大的贡献。自从飞机被发明后，逐渐成为人类现代文明不可缺少的交通工具，它深刻的改变和影响了人们的生活，并开启了人们征服蓝天的历史。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，就是用钟表机械装置控制飞机，使它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”。 就这样，人类开启了空中机器人发明创造的新篇章。从前面的介绍中，我们
3、了解到空中机器人即无人机是在战争的作用推动下产生的，但是，你知道它是什么样的机器人吗？军用领域的无人机 无人机是对无人驾驶飞机(UAV)的简称，简而言之就是没有人驾驶的飞机。更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，最早在20世纪20年代出现，当时是作为训练用的靶机使用的。从某种角度来看，无人机可以在无人驾驶的条件下完成复杂空中飞行任务和各种负载任务，可以被看作是“空中机器人”。追溯无人机的发展历史，可以说现代战争是推动无人机发展的动力，而无人机对现代战争的影响也越来越大。近年来在军用机器人家族中，无人机是科研活动最活跃、技术进步最大、研究及采购经费投入最多、实战经验最丰
4、富的领域。80多年来，世界无人机的发展基本上是以美国为主线向前推进的，无论从技术水平还是无人机的种类和数量来看，美国均居世界之首位。 空中机器人曾经有过多种称谓，无人机（UAV）是其中的一种。自从1917年英国研制出世界上第一架无人机以来，无人机已经历了无人靶机、预编程序控制无人侦察机、指令遥控无人侦察机和复合控制的多用途无人飞器的发展过程。在越南战争，海湾战争乃至北约空袭南斯拉夫的过程中，无人机都被频繁地用于执行军事任务。无人机以突出的战绩使各国高层军事高层对它刮目相看，更加认同无人机的军事价值，这为无人机的迅速发展提供了强大的动力。 二战期间，美国海军首先将无人机作为空面武器使用。1944
5、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。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。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。1982年以色列航空工业公司(IAI)首创以无人机担任其他角色的军事任务。在加利利和平行动（黎巴嫩战争）时期，侦察者无人机无人机系统曾经在以色列陆军和以色列空军的服役中担任重要战斗角色。以色
6、列国防军主要用无人机进行侦察兵，情报收集，跟踪和通讯。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。可以说，现在全世界都在制造无人机。无人机除了在军事领域有着重要的作用，它在民用领域也发挥着重要作用。民用领域的无人机 无人机正成为下一轮机器人技术创新的国际竞争热点之一，它的发展速度大大超出了人们的预期。尽管无人机的设计概念最早是在二战时期被广泛应用于军工领域，但随着社会的进步发展与社会需求的演变，无人机逐渐摆脱掉给人们遥不可及、科幻、高端的产品印象，现在逐步走入了人们的日常生活。知名的电视节目“爸爸去哪儿”、“舌尖上的中国”等电视节目均采用无人机进行协
7、助拍摄，使许多人第一次知道了无人机的存在。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。当前，无人机在警用、城市管理、农业、地质、气象、电力、抢险救灾、视频拍摄、快递等行业都起到了不同的用途，尽管这些应用目前主要还是在国外，但我国国内各行业在无人机的应用也在逐渐增多。知名歌手汪峰向章子怡求婚的时候，就曾经用无人机参与递送戒指的案例；而在航拍领域，无人机拍摄大有成为影视行业标配的趋势。同时，受国外快递行业的影响，我国的顺丰速运也在近两年启动了无人机快递计划，如果可行，无人机将大大降低其运送成本。 (a) 城市规划与管理 (b) 影视航拍 (c) 消防救援 (d) 农业植保 (
8、e) 交通监管 (f)电力巡线 无人机的出现，在军事领域与民用领域均起到了重要的作用，使全世界的空中机器人发展有了更为广阔的市场和应用前景。知道了无人机在军事领域与民事领域的作用，你知道它其实分了很多很多种类型的无人机吗？无人机的分类 无人机家族体系庞大，分支众多，可以从机身结构、体积重量、飞行高度、航程、航时、用途等多个维度对其进行分类。当前，无人机市场以固定翼和旋翼无人机为主：固定翼无人机的优势是续航能力强、飞行半径大、巡航速度快、载重能力强，适用于高速、大范围、重负载、长航时、长航程的任务类型，例如靶机、战略侦察和打击、战术侦察和打击、航拍测绘等；旋翼无人机的特点是操控性强，可垂直起降和
9、悬停，主要适用于低空、低速、有垂直起降和悬停要求的任务类型，例如舰载、影视剧或大型活动航拍、搜救等。从平台构造的技术角度来分，无人机可划分为六大阵营，分别是无人直升机、无人固定翼机、无人多旋翼飞行器、无人飞艇、无人伞翼机、扑翼式微型无人机。无人机分类及特点：无人机优点：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
10、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。无人机缺点：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
11、设备将是致命的。 随着现代自动化技术、计算机技术、机器人技术等高新科技水平的不断提高，无人机即空中机器人将会得到更广泛的普及，其应用范围与领域亦会随之扩大。1.2 了解什么是旋翼无人机最常见的飞行器通常被分为固定翼、直升机和多旋翼（四旋翼最为主流）。旋翼飞行器作为无线电遥控的一种类型，其发展的历史尚浅。在2010年之前，固定翼和直升机无论在航拍还是航模运动领域，基本上占有绝对主流的地位。然而，在之后的几年中，因优良的操控性能，多旋翼迅速成为航拍和航模运动领域的新星，但这仍然需要专业人员调试或装配飞机。旋翼无人机的发展可以归纳为三个阶段，即理论开创阶段、加速发展阶段、未来发展阶段。旋翼无人飞行器
12、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。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。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。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。
13、对于目前多旋翼产品，一般分半自主控制方式和全自主控制方式。半自主控制方式是指自动驾驶仪的控制算法能够保持多旋翼飞行器的姿态稳定（或定点）等，但飞行器还是需要通过人员遥控操纵。在这种控制方式下，多旋翼属于航模。全自主控制方式是指自动驾驶仪的控制算法能够完成多旋翼飞行器航路点到航路点的位置控制以及自动起降等。在这种控制方式下，多旋翼属于无人机，而地面人员此时进行任务级的规划。作为无人机，多旋翼飞行器可以在无人驾驶的条件下完成复杂空中飞行任务和搭载各种负载任务，可以被看作是“空中机器人”。相比其他类别的无人机，多旋翼无人机具有灵活、简单的操控性，它不需要跑道便可以垂直起降，起飞后可在空中悬停。它的操
14、控原理简单，操控器四个遥感操作对应飞行器的前后、左右、上下和偏航方向的运动。1.3 了解什么是固定翼无人机固定翼无人机作为无人机的一种,可以被应用在输电线路巡检、航线设计、航摄设计、航空摄影中等领域，并有着出色的表现。固定翼无人机通过动力系统和机翼的滑行实现起降和飞行，遥控飞行和程控飞行均容易实现，抗风能力也比较强，是类型最多、应用最广泛的无人驾驶飞行器。其发展趋势是微型化和长航时，目前微型化的无人机只有手掌大小，长航时无人机的体积一般比较大，续航时间在10小时以上，能同时搭载多种遥感传感器。起飞方式有滑行、弹射、车载、火箭助推和飞机投放等；降落方式有滑行、伞降和撞网等。固定翼型无人机的起降需
15、要比较空旷的场地，比较适合林业和草地监测、矿山资源监测、海洋环境监测、城乡结合部的土地利用监测以及水利、电力等领域的应用。第2节 无人机的结构与组成无人机一般由飞机平台系统、有效载荷系统（信息采集系统）和地面控制系统三大部分组成。飞机平台系统和有效载荷系统组成了整个飞行器，根据负载能力和实现任务的不同，一个平台可以搭载多套有效载荷系统，实现复杂功能。现在，我们来看看无人机与飞机的结构组成有哪些不同呢？ 旋翼式无人机飞行平台就是无人机本身及其上搭载的航电系统、飞行控制处理器等，它的主要作用就是作为一个运输工具搭载相应的设备来完成给定的任务。无人机可以接收地面站的遥控实现被控飞行，也可以实现完全自
16、主飞行。在被控飞行时，无人机可以将机载传感器所采集到的数据、导航定位系统所接收到的导航信息经过一定处理通过无线通信链路发送给地面站，以供地面站的技术人员作为控制参考；在自主飞行时，相应的数据将被传送到无人机的机载飞行控制中枢处理器，由预设的算法对这些数据进行处理，然后生成控制指令控制无人机自主飞行。无人机的导航信息一般由导航系统提供。无人机的性能和通信距离则决定了无人机所能执行的任务种类。四旋翼无人飞行器飞行器能够完成悬停、低速飞行、垂直起降和室内飞行等固定翼无法完成的任务，与传统意义上的直升机相比，又具有结构和控制简单、制造精度低、稳定性好、较弱的陀螺效应等优势，在无人侦察、空中航拍、交通管
17、理、森林防火、城市巡逻、空中快递等领域有着广泛的应用前景，迅速成为新的国际研究热点，但是在国内还处于初级研究阶段，因此研究四旋翼飞行器有着极其重要的意义。四旋翼飞行器是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。由于飞行器是通过改变旋翼转速实现升力变化，这样会导致其动力部稳定，所以需要一种能够长期保稳定的控制方法。四旋翼飞行器是一种六自由度的垂直升降机，因此非常适合静态和准静态条件下飞行。但是四旋翼飞行器只有四个输入力，同时却有六个状态输出，所以它又是一种欠驱动系统。四旋翼飞行器主要由机架、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
18、器及飞行辅助控制系统。无人机机架就像是飞机的身体一样，没有了组成身体的结构就不能算上真正意义的无人机。可以说，机架是多旋翼飞行器的机身架，是整个飞行系统的飞行载体。在四旋翼无人机中，它的机身在空中飞行时仿佛长了四只翅膀的苍鹰，在天空展翅飞翔，灵活机变，具有很强的操作性。电机是整个无人机飞行的动力驱动系统，如果没有了电机，无人机就不能产生动能，形如一块废铁，推动了无人机的作用与价值。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。电调在无人机中担任了“大脑”的作用，它的名字全称叫电子调速器。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，
19、完成规定的速度和动作等。它的作用非常重要，就像人类饿了向大脑发出饿了的指令，从而使人完成吃饭的动作一样。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。其实，我们看到桨叶很容易想象到日常生活中比如蜻蜓的翅膀也很像无人机的桨叶，蜻蜓靠着扇动翅膀达到平衡和飞翔，而无人机桨叶就是这个原理。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。日常生活中，我们经常会使用到各种类别的电池，比如用到的手机、电视摇控器、玩具遥控器等都需要电池。而对无人机而言
20、，电池就是无人机的“心脏”，没有了电池，“心脏”就会停止跳动，因此说电池是无人机能源储备的核心。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。看到下面的图片，你是否想到自己的摇控小车？通过遥控器操作，对小车发出前、后退的指令，指令发送到接收机，从而完成你的指令动作。对无人机而言，也是同样的原理。飞行控制系统集成了高精度的感应器元件，它就是无人机的“血液”。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。可以说，没有了“血液”的供给，无人机就是没有生命力的。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
21、化，进而达到飞行姿态控制的目的。小结：无人机是一个融合了多种学科的有成熟技术又在不断发展的综合性科技产品，它代表了人类征服蓝天的智慧与追求。在不断经历着迅速变化的城市中，除了提供物流解决方案，无人机还可以为城市规划、建设和管理提供多方面的基础地理信息以及执法取证，诸如城市道路桥梁建设、交通巡逻、治安监控、城市执法等除了军用领域的其他领域。可以说，凡是需要空中解决方案的地方，都将有无人机的一席之地。无人机将应用在更广阔的领域。思考与练习：1、你知道莱特兄弟是谁吗？2、世界上第一架飞机是如何产生的？3、飞机的双翼起到的作用是什么？4、如果没有战争推动无人机的发展，你认为无人机会延后多少年出现？为什
22、么？5、你怎样将无人机的概念解释给你的家人？6、无人机相较于飞机，你认为区别是什么？7、你知道的无人机有多少种？8、你知道目前中国生产无人机销量占全世界最多的厂商是哪家吗？9、假设你要利用无人机为城市规划做测绘，你会选用哪种无人机？10、目前全世界无人机研究与应用居首位的是哪个国家？你认为这个国家在无人机发展方面的优势是什么？11、如果让你亲自设计一款无人机，你的构想是什么样的？12、无人机作为一种无人操控的飞行器，你认为通过遥控操控的操作员应具备哪些专业技能？13、你认为无人机能够帮助诸如瘫痪病人这一类特殊人群吗？14、在你平时所看的电视节目中，有哪些节目你认为是通过无人机进行航拍的？请举例
23、。15、“无人机操作员” 会在将来的某个时候成为一种常见的职业吗？16、在四旋翼无人机的结构组成中，你认为最重要的模块是哪个？17、你对无人机的未来有何想象？18、你知道素有科特林空中鱼雷之称无人机的由来吗？19、你知道哪个国家是第一个研制并试飞成功无线电遥控靶机的国家吗？20、请结合所学，简述一下二战时期美国对无人机参与战争的使用。21、上世纪70-90年代及其以后，哪个国家对无人驾驶技术装备的发展做出了突出贡献，并使其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？p 经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量p Study Constantly, And You Will Know Everything. The More You Know, The More Powerful You Will Be写在最后谢谢你的到来学习并没有结束，希望大家继续努力Learning Is Not Over. I Hope You Will Continue To Work Hard演讲人：XXXXXX 时 间：XX年XX月XX日
