# 《无人机系统组成与飞行原理》教案

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## 单元1：无人机概论与系统全景（4学时）

### 教学目标
- 能说出无人机的四种分类（多旋翼/固定翼/直升机/复合翼）及其特点
- 能按重量正确分级（微型/轻型/小型/中型/大型）
- 能画出六大子系统框图并说明相互关系
- 能描述从"遥控指令"到"螺旋桨转动"的完整闭环链路
- 了解低空经济产业规模和就业前景

### 重点难点
- **重点**：六大子系统全景图、系统闭环链路
- **难点**：理解子系统间的耦合关系（不是独立模块而是协同系统）

### 教学过程

| 环节 | 时间 | 内容 | 方法 |
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| 导入 | 10min | 播放 DJI 宣传片片段，提问"这东西肚子里有什么？" | 视频导入 |
| 讲授 | 30min | 无人机定义、四种分类及适用场景（配合图片） | 讲解+图片 |
| 互动 | 10min | "你见过什么无人机？属于哪类？" | 提问讨论 |
| 讲授 | 30min | 六大子系统全景图，每系统一句话讲清功能 | HTML课件 |
| 互动 | 10min | "如果少了GPS，无人机会怎样？"逐步删减子系统 | 思维实验 |
| 讲授 | 20min | 闭环链路：遥控→接收机→飞控→电调→电机→桨 | 板书流程图 |
| 实训 | 45min | 拆解训练机，指认六大子系统，拍照标注 | 动手实操 |
| 小结 | 15min | 总结+布置作业"搜一架无人机列出其子系统规格" | 归纳 |

### 教学资源
- HTML交互式课件（Slide 2-6）
- 训练机架×1套
- DJI宣传片

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## 单元2：机架结构与材料（2学时）

### 教学目标
- 能解释轴距的定义并说出轴距与桨尺寸的匹配关系
- 能对比碳纤维/铝合金/工程塑料三种机架材料的优劣
- 能区分X型和+型布局的应用场景

### 重点难点
- **重点**：轴距与桨的匹配规则
- **难点**：理解为什么"大轴距=大桨=低KV"

### 教学过程

| 环节 | 时间 | 内容 | 方法 |
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| 导入 | 5min | "同样四个电机，为什么有的无人机巴掌大，有的桌面大？" | 提问 |
| 讲授 | 15min | 轴距定义、常见规格及匹配表 | HTML课件 |
| 互动 | 5min | "450轴距配5寸桨会怎样？" | 讨论 |
| 讲授 | 15min | 三种材料对比、布局对比 | 实物对比 |
| 实训 | 35min | 测量不同机架轴距和重量，记录表格 | 分组实操 |
| 小结 | 10min | 布置作业 | 归纳 |

### 教学资源
- HTML课件（Slide 7-9）
- 碳纤/铝合金/塑料机架各1个
- 电子秤、卡尺

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## 单元3：动力系统（6学时）

### 教学目标
- 能解释KV值的含义并完成匹配选型
- 能计算电池的电压（S数×3.7V）和最大放电电流（C数×容量Ah）
- 能读取螺旋桨规格并匹配合适的电机
- 能计算推重比并判断是否满足飞行需求

### 重点难点
- **重点**：KV-桨-S-C 四要素匹配、推重比计算
- **难点**：理解高KV=高转速=小扭矩的物理含义

### 教学过程

| 环节 | 时间 | 内容 | 方法 |
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| 导入 | 10min | "给你一堆电机/桨/电池，你知道怎么配吗？" | 实物展示 |
| 讲授 | 25min | 电机工作原理、KV值含义、KV-桨匹配表 | HTML课件+实物 |
| 互动 | 10min | "2800KV配大桨会怎样？" | 提问→下页揭晓 |
| 讲授 | 25min | 电池三要素：S(电压)/mAh(容量)/C(倍率) | HTML+实物电池 |
| 练习 | 15min | 现场计算4S 2200mAh 45C的最大电流和电压 | 学生举手回答 |
| 讲授 | 20min | 螺旋桨规格、推重比定义和黄金区间 | HTML课件 |
| 互动 | 10min | "800g飞机，4×300g推力，推重比多少？" | 计算抢答 |
| 实训1 | 45min | 电机+电调+桨+电池匹配实验，测量推力 | 分组实操 |
| 实训2 | 45min | 推重比计算竞赛：给不同配置算推重比并排序 | 竞赛 |
| 小结 | 5min | 布置作业 | 归纳 |

### 教学资源
- HTML课件（Slide 10-24）
- 不同KV值电机各2个、多种桨、3S/4S/6S电池
- 推力测试架、电子秤

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## 单元4：飞行原理与四通道控制（6学时）

### 教学目标
- 能解释伯努利原理（流速快→压力小）
- 能说明机翼产生升力的原因
- 能阐述牛顿第三定律在飞行中的应用
- 能分别描述油门/横滚/俯仰/偏航四个通道的控制逻辑
- 能画出四旋翼电机旋转方向图

### 重点难点
- **重点**：伯努利原理、四通道控制逻辑
- **难点**：偏航控制=反扭矩打破平衡

### 教学过程

| 环节 | 时间 | 内容 | 方法 |
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| 导入 | 10min | **吹纸实验**：每人一张纸，吹上方观察现象 | 动手实验 |
| 讲授 | 20min | 伯努利原理→机翼升力 | HTML课件 |
| 讲授 | 15min | 牛顿第三定律→螺旋桨推力 | 类比火箭 |
| 互动 | 10min | "为什么下雨天续航变短？" | 分组讨论 |
| 讲授 | 30min | 四通道逐一详解：油门/横滚/俯仰/偏航 | HTML课件(Slide 25-34) |
| 互动 | 15min | "风从右边吹来，飞控怎么应对？" | 步步推导 |
| 实训1 | 45min | 模拟器悬停练习 | 每人10分钟 |
| 实训2 | 45min | 四通道逐项操作练习 | 模拟器 |
| 小结 | 5min | 总结+布置作业 | 归纳 |

### 教学资源
- HTML课件（Slide 25-34）
- 每人一张A4纸
- 飞行模拟器×10（凤凰/Liftoff）

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## 单元5：飞控系统与PID控制（6学时）

### 教学目标
- 能说出飞控硬件的主要组成部分
- 能解释PID三个参数的含义（P比例/I积分/D微分）
- 能预判P值过大/过小的表现
- 能通过地面站软件连接飞控并读取传感器数据

### 重点难点
- **重点**：PID三参数含义、串级PID结构
- **难点**：I消除稳态误差、D抑制超调的物理直觉

### 教学过程

| 环节 | 时间 | 内容 | 方法 |
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| 导入 | 10min | **洗澡类比**：调水温的过程就是PID | 生活类比 |
| 讲授 | 30min | PID三个字母详解（配合洗澡类比） | HTML课件 |
| 互动 | 10min | "P太大无人机会怎样？" | 提问→下页揭晓 |
| 讲授 | 20min | 串级PID：位置环→速度环→姿态环 | 板书流程 |
| 讲授 | 15min | PX4/ArduPilot/Betaflight固件生态 | 实物演示 |
| 实训1 | 30min | 安装Mission Planner，USB连接飞控 | 每人操作 |
| 实训2 | 60min | PID调参实验：从P=0开始逐步增大，观察震荡 | 分组实操 |
| 小结 | 5min | 总结 | 归纳 |

### 教学资源
- HTML课件（Slide 35-38）
- 飞控×10（F405/Pixhawk）
- USB线×10
- Mission Planner / Betaflight Configurator

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## 单元6：传感器与导航系统（4学时）

### 教学目标
- 能说出IMU三大传感器（加速度计/陀螺仪/磁力计）的功能
- 能解释GPS三球交汇定位原理
- 能说出RTK的工作原理和精度优势
- 能识别磁力计受干扰的场景并给出解决方案

### 重点难点
- **重点**：各传感器功能及数据融合思路
- **难点**：GPS三球交汇、EKF融合的数学直觉（不要求推导）

### 教学过程

| 环节 | 时间 | 内容 | 方法 |
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| 导入 | 10min | "闭上眼睛站不稳，因为内耳在工作——IMU就是无人机的内耳" | 类比 |
| 讲授 | 30min | 加速度计/陀螺仪/磁力计 | HTML课件 |
| 互动 | 10min | "高压线附近哪个传感器被干扰？" | 提问 |
| 讲授 | 20min | GPS三球交汇、RTK差分 | HTML课件+动画 |
| 讲授 | 15min | 气压计定高、EKF融合思路 | 板书 |
| 实训 | 45min | Mission Planner查看实时传感器数据、GPS搜星、HDOP | 每人操作 |
| 小结 | 10min | 总结 | 归纳 |

### 教学资源
- HTML课件（Slide 39-44）
- 飞控×10、GPS模块

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## 单元7：通信系统与数据链（3学时）

### 教学目标
- 能说出三条链路（遥控/数传/图传）的频段和分工
- 能列出常见遥控协议
- 能说出MAVLink协议的基本作用
- 能区分三种飞行模式（GPS/运动/姿态）的使用场景

### 重点难点
- **重点**：三条链路的分工和频段选择
- **难点**：不同遥控协议的差异（PWM→PPM→SBUS→CRSF→ELRS演进）

### 教学过程

| 环节 | 时间 | 内容 | 方法 |
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| 导入 | 5min | "遥控器和手机都连无人机，分别做什么？" | 提问 |
| 讲授 | 25min | 三条链路详解 | HTML课件 |
| 讲授 | 15min | MAVLink协议、飞行模式 | HTML课件+板书 |
| 实训 | 30min | 遥控对频操作、地面站MAVLink消息抓包 | 分组实操 |
| 小结 | 10min | 总结 | 归纳 |

### 教学资源
- HTML课件（Slide 45-47）
- 遥控器+接收机×10、飞控×10

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## 单元8：综合项目——250mm穿越机装机方案设计（6学时）

### 教学目标
- 能独立完成一架250mm穿越机的完整装机清单设计
- 能核算推重比、最大电流、理论续航
- 能分组进行方案答辩
- 掌握飞行安全法规和飞行前检查清单

### 重点难点
- **重点**：部件选型的匹配逻辑
- **难点**：在推重比-续航-成本之间做工程权衡

### 教学过程

| 环节 | 时间 | 内容 | 方法 |
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| 讲授 | 20min | 250mm穿越机装配全流程回顾 | HTML课件 |
| 实训1 | 60min | 分组设计装机清单，选型并核算 | 小组协作 |
| 讲授 | 15min | 飞行安全法规与检查清单 | 讲授 |
| 实训2 | 60min | 各组方案答辩（5min讲+3min问） | 答辩评审 |
| 总结 | 20min | 课程总结 + Q&A | HTML课件 |
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### 教学资源
- HTML课件（Slide 48-53）
- 装配工具套装×5
- 装机清单模板（A4纸）

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*编制：低空智能数据技术教研室 | 2026年5月*