“无人机科学与技术”课程纲要

一 建立背景

“无人机系统工程”是面向前沿航空技术的工程研究领域，覆盖面广，涉及航空技术、机械与自动化技术、计算机技术、新一代通信技术等，是一种替代式发展的综合性航空应用技术。经过近几年的爆发式发展，无人机技术及其应用已经成为航空行业创新的重要内容，其广泛的应用前景日趋明显，如从事生态环境保护、矿产资源勘探、海洋环境监测、水资源开发、农作物长势监测与估产、地图测绘、数字城市建设、通信站点建设、国土资源调查、土地地籍管理、突发事件实时监测、灾害预测与评估、城市交通、网线铺设、数字农业、森林防火巡查、毒气勘察、缉毒和应急救援、高压输电线路巡视、油田管路检查、高速公路管理、企业厂房、房产楼盘、大型建筑群体、园林建设、景区开发规划、侦查、公共安全等行业与部门的发展，间接增加其收益等等，对人类生活的方方面面产生了重要的影响。无人机系统工程是航空技术、自动化工程、机电工程、计算机工程、通信工程等工程学科的核心内容，工程性和实践性很强，无人机工程实验室融合了航空、机械、电子、传感器、计算机软硬件、通信工程等众多先进技术，交叉融合了现代航空技术、电子技术、计算机技术、自动化技术、机械工程和通信工程等多个学科内容，充分体现了当代航空技术多个领域的先进技术。

为了实现高科技成果同步成为初高中学生早期介入学习实践转化，学生的科学思想知识实践结构适应飞速发展的科技变化，突破目前学校科技教育远远滞后的被动局面，对科技教育重新定位，培养出适合中国航空科技发展的优秀领军人才。郑州龙湖一中依托北京奇正数元科技股份有限公司资源优势开设了无人机创客实验室。

二 课程内容

ａ．开展固定翼无人机的知识讲解，包括：

①空气动力学的基础知识普及：翼型的选择及翼型画法，翼型的名称是牌号的划分，翼型的性能表示方法（升阻特性，力矩特性），翼型的性能估计及选用（根据极曲线选择法，根据几何形状选择法），提高翼型性能的途径，翼型形状的影响（展弦比与翼尖涡流的影响），翼型的平面形状，上反角的提升稳定方法，机翼性能的换算方法（机翼的升力系数，不同展弦比的阻力系数）；

②空气动力学的计算知识普及：整机的阻力及极曲线（整机的阻力及部件的阻力系数讲解及计算，整机的废除阻力系数讲解及计算，整机的总阻力系数及计算，整机的极曲线，升阻比的计算及优化方法的讲解），螺旋桨的讲解（术语和名词，如何产生升力，翼型及尺寸的选择及计算）；

③无人机的飞行及操作的知识普及：飞机的无动力下滑现象，减小下沉速率的措施，利用手抛滑翔机求模型的性能数据，飞机的上升（螺旋桨对飞机平衡及稳定的影响，反作用力矩，螺旋桨滑流，螺旋桨的陀螺效应，模型的爬升平衡）；

④光电任务载荷介绍及应用讲解（光电类的光学相机、红外行扫描器、日光电视摄像机、微光电视摄像机、红外摄像机/前视红外、激光测距/照射器、合成孔径雷达）。

ｂ．开展固定翼飞控的IMU+GPS的姿态导航的原理讲解：

①载体坐标与“东北天”坐标系的定位的融合导航方式；

②IMU的元器件气压计、三轴陀螺仪、三轴加速度计、三轴电子罗盘的10DOF的座位载体姿态传感器的各自作用以及相互补偿的关系；

③GPS针对导航的定位的讲解和两坐标系的融合关系；

④IUM与GPS部件的相互由载体坐标系到地球坐标系的导航表示及讲解；

⑤IUM与GPS部件控制的串级PID算法的表示，及低通滤波和卡尔曼算法的表示。

ｃ．开展固定翼的生产制作实际操作：

①飞机机身的制作（机型的分段及制作，机身的材料选型及制作，机身的力学受力分析制作，机身的集成设备安装，舵面的制作，飞机的装配）；

②飞机机翼的制作（机翼的制作及肋板的加工，机翼的装配及调试）；

③整机的组装（机身机翼的组装，左右机翼的标线及一致性的表现、中心的调节）。

ｄ．固定翼飞机的电脑模拟器数字化飞行训练及培养（飞行的起降方式、飞行的轨迹、飞行的模式、飞行的动作讲解及学生上机操作）。

ｅ．固定翼飞机的实际飞行表演及优秀学员的一对一的实际飞行教学。

ｆ．多旋翼的知识讲解，包括：

①多旋翼的组成知识普及（机身，起落架，动力，电池，控制系统，图传系统，数传系统的作用及功能讲解）；

②多旋翼的布局及结构设计（三轴，四轴，六轴，八轴，三轴六桨，四轴八桨的结构布局格式，结构气动计算选择，能效损耗优化，材料及制作工艺的讲解及普及）；

③多旋翼的动力系统性能建模及计算（螺旋桨的计算及选用，无刷电机的计算及选型，电调的选型及电池的选型及配合）；

④光电任务载荷介绍及应用讲解（光电类的光学相机、红外行扫描器、日光电视摄像机、微光电视摄像机、红外摄像机/前视红外、激光测距/照射器、合成孔径雷达）。

ｇ．开展多旋翼飞控的IMU+GPS的姿态导航的原理讲解：

①载体坐标与“东北天”坐标系的定位的融合导航方式；

②IMU的元器件气压计、三轴陀螺仪、三轴加速度计、三轴电子罗盘的10DOF的座位载体姿态传感器的各自作用以及相互补偿的关系；

③GPS针对导航的定位的讲解和两坐标系的融合关系；

④IUM与GPS部件的相互由载体坐标系到地球坐标系的导航表示及讲解；

⑤IUM与GPS部件控制的串级PID算法的表示，及低通滤波和卡尔曼算法的表示。

ｈ．多旋翼的生产及制作组装：

①机身的制作及组装（上下受力体的组装，倾转结构的组装，快拆结构的组装）；

②机架臂的制作及组装（电机的安装，电调的安装，布局走线的安装，内管减震的组装）；

③起落架的制作及组装（起落架的组装，驱动动力的组装）；

④整机的组装与调试。

ｊ．多旋翼飞机的电脑模拟器数字化飞行训练及培养（飞行的起降方式、飞行的轨迹、飞行的模式、飞行的动作讲解及学生上机操作）。

ｋ．固定翼飞机的实际试飞，及优秀学员的一对一实际飞行教学。

ｌ．直升机知识的讲解：

①各部件的受力及传动的讲解（CCPM部分、变距螺旋桨部分，减速增距传动齿轮部分，尾翼的传动及减反扭，整机的调平）；

②直升机飞机的飞行（前进、后退、转弯及大动作的通过螺旋桨变距及尾翼的相互作用的飞行受力讲解和飞行表现讲解）；

③变距螺旋桨讲解（变距盘，迎风角，桨叶角，螺旋桨的受力分析及拉力计算，螺旋桨材料选型）。

ｍ．直升机的飞机的电脑模拟器数字化飞行训练及培养（飞行的起降方式、飞行的轨迹、飞行的模式、飞行的动作讲解及学生上机操作）。

ｎ．通用硬件的知识讲解：

①无刷电机部分的讲解（电机的硅钢片、电机的绕线方式、电机的动平衡，电机的高速轴承、电机的动平衡，电机的轴向安装与纵向安装的振动、电机外观尺寸对振动影响、电机的KV与动力输出拉力扭矩的计算）；

②无刷电调部分的讲解（电调与电机的驱动关系、PWM驱动控制信号的优缺点、I2C电调的优点、电调的散热与封装，线缆的电流与过热保护，电调的转速测速与RPM检测、MOS管的开关与电磁干扰特性）；

③常规4.2V电池部分的讲解（常规的电池的技术指标，常规电池的充放电特性，电池的放点拐点与最大电流关系，电池的受热特性，电池的低温使用及寿命影响，过放电的影响，智能电池检测模块的优劣）；

④高压4.35电池部分的讲解（高压电池的技术指标，高压电池的充放电特性，电池的放点拐点与最大电流关系，电池的受热特性，电池的低温使用及寿命影响，过放电的影响，智能电池检测模块的优劣）。

全部展项设计以互动操作为主，强调参与者共同合作寻找解决方案。开放式平台设计也使参与者能够更加深入地了解展项背后的科学含义。

三 课程安排

本项目预计完成时间为9个月，共分为3个机型方向开展，其中第一为固定翼飞机阶段，预计3个月，第二阶段为多旋翼飞机阶段，预计3个月，第三阶段为直升机阶段，预计3个月，具体计划如下表所示。

１、 飞机设计

主要讲解无人飞机的原理，无人机系统主要包括飞机机体、飞控系统、数据链系统、发射回收系统、电源系统等。飞控系统又称为飞行管理与控制系统，相当于无人机系统的“心脏”部分，对无人机的稳定性、数据传输的可靠性、精确度、实时性等都有重要影响，对其飞行性能起决定性的作用；数据链系统可以保证对遥控指令的准确传输，以及无人机接收、发送信息的实时性和可靠性，以保证信息反馈的及时有效性和顺利、准确的完成任务。发射回收系统保证无人机顺利升空以达到安全的高度和速度飞行，并在执行完任务后从天空安全回落到地面。

此阶段主要进行整机的系统设计，需要有较强的创新能力，能够完成飞机整机的系统理解，按需设计部分飞机部件。

2、 飞机制造

无人机工程实验室拟建设无人机装配车间、桌面联调车间，发动机试车车间，进一步建设和完善无人机综合实验室、桌面联试实验室和全机机静态联试实验室。

ａ．飞机装配综合实验平台

主要进行飞机整机部件制造，装配，维护；可实现无人机发动机起动、熄火控制、点火控制、状态监测、螺旋桨扭矩及推力测量，进行无人机全机动态联试试验。

ｂ．飞机静态联试实验室

主要进行无人机总装调试，无人机全机静态联试，无人机重量、重心测量，全机静力试验等。

ｃ．桌面联试实验室

桌面联试实验室主要进行以下系统试验：

①电气系统试验：包括用于内场维修的电缆自动检测设备，蓄电池组检测设备，舵机性能综合测试系统；用于外场测试的一次检测设备，采用一套通用地面供电测试设备，对无人飞行平台供电

②通信测控系统试验：通信测控系统采用数据电台作为上、下行数据链路、担负地面与飞行器之间的联络。完成地面控制指令上行发送、机载数据的实时下行传递以及飞行参数的实时显示等试验。

③飞控系统试验：无人机飞控技术实验室由系统集成/综合检测与调试系统、外场检测与调试系统和动态物理仿真系统等。系统集成/综合检测与调试系统是飞控综合设计以后转向工程实现的关键阶段。系统集成的各个部件和传感器，需要分别进行动静态性能测试与标定，系统集成以后全系统需要进行综合测试、故障检测和定位等。就需要相应的先进的部件测试和综合测试设备。

3、 飞行操作

此阶段分为安全操作说明、飞行功能展示、飞行体验、新飞手的挑战四个环节。让飞行控制着者全面了解设计的无人机的基本概念、安全飞行规范、产品特性及安全飞行方式等。

此阶段为常规操作科目，可定期或不定期列入计划，可按照各个学生的兴趣度，携带自行从实验室制作的飞机进行定期举行飞行表演竞赛；试飞阶段可以飞机携带相机进行航拍作业。

四 授课人员

童庆禧，会做为课题开课主讲人，做航空遥测及影像获取的方式进行做专题报告的讲课及科普讲学。

李立澄，会主委课题闭幕主讲人，做无人机电路系统及应用的专题的讲课及科学讲学

左正立，会作为课题开课主讲人，做航空遥测及影像获取与无人机的融合应用及未来无人机与航空影像的获取的未来发展与更高端的影响及无人机的平台发展机型及趋势。

何杨，会作为课题主讲人，做空气动力学及流体力学的无人机应用，在无人机的空气动力学科应用及无人机空气动力的应用规范、计算及无人机的空气动力针对机型的应用上做课程的整体培训。

周烈，会作为课题主讲人，做飞行器设计及飞行器生产的无人机应用，在不同机型的结构设计，不同机型的材料选择及设计规范，常规动力系统及动力系统的选择有计算上面做整体培训。

崔艳鸿，会作为课题主讲人，做飞行器的控制策略及控制手段的算法及传感器的数据采集，传感器数据分析，算法的滤波处理及融合，算法的补偿及增稳上做整体培训。

张俊奇，会作为课程的的电脑实际操作与真机教学试飞教员进行课程培训。

五 课程目的

无人机工程实验室以航空技术、自动化技术和通信工程为基础，以计算机、网络和智能机器人为平台，激发中学生对于航空技术的兴趣，培养既掌握航空系统工程的基本技能，又掌握复杂航空工程科技知识，能够了解和认识实际社会中无人机的研发、制作应用等深层领域的复合型实践人才。

培养学生对飞行器的机型及其特定优劣的认知和基础知识的了解，培养学生对高科技的爱好和实际应用理论。

培养学生对飞行器实际飞行的应用及动手能力。培养学生对飞行器的空力动力学、结构力学、机械设计、电路设计、硬件知识、控制理论的学习及应用。