无人机 · 中小学启蒙教程

适合小学高年级至初中学生,从认识无人机开始,了解飞行原理,通过编程控制无人机完成趣味任务,培养对航空与机器人技术的兴趣。

第一章 认识无人机

1.1 什么是无人机

无人机(Drone / UAV,Unmanned Aerial Vehicle)是一种没有人类飞行员在机上、通过遥控或自主程序控制飞行的航空器。

你可能见过这些无人机:

  • 大疆(DJI)消费级无人机:航拍、旅行记录
  • 农业植保无人机:喷洒农药、播种
  • 快递无人机:美团、亚马逊的空中配送
  • 编队表演无人机:节日灯光秀
  • 竞速无人机:FPV 第一人称视角飞行比赛

1.2 多旋翼无人机的结构

最常见的消费级无人机是四旋翼(四个螺旋桨),它的基本结构:

        [电机1]          [电机2]
           \              /
            \            /
          [机臂] —— [机身] —— [机臂]
            /            \
           /              \
        [电机3]          [电机4]

核心部件:

部件作用类比
电机 + 螺旋桨产生升力人的腿(提供动力)
飞控(飞行控制器)控制飞行姿态人的小脑(平衡协调)
电池提供电能人的食物(能量来源)
遥控器/手机发送控制指令人的大脑(发出命令)
摄像头/传感器感知环境人的眼睛和耳朵
GPS 模块定位和悬停人的方向感

1.3 无人机是怎么飞起来的

基本原理: 螺旋桨旋转时,把空气往下推,根据牛顿第三定律(作用力与反作用力),空气给螺旋桨一个向上的力——这就是升力。

  • 四个螺旋桨的升力 > 重力 → 无人机上升
  • 四个螺旋桨的升力 = 重力 → 无人机悬停
  • 四个螺旋桨的升力 < 重力 → 无人机下降

趣味实验:

  • 用手掌快速向下扇风,感受手掌受到的向上推力
  • 这就是螺旋桨产生升力的原理!

1.4 无人机的运动控制

四旋翼无人机通过调节四个电机的转速差来实现各种运动:

运动控制方式
上升四个电机同时加速
下降四个电机同时减速
前进后方电机加速,前方电机减速
后退前方电机加速,后方电机减速
左移右侧电机加速,左侧电机减速
右移左侧电机加速,右侧电机减速
左转对角电机转速差产生旋转力矩
右转反向对角电机转速差

第二章 安全飞行须知

2.1 飞行安全守则

在操作无人机之前,必须牢记以下安全规则:

  • 选择开阔场地:远离人群、建筑物、树木和电线
  • 检查设备:飞行前检查螺旋桨是否安装牢固、电池电量是否充足
  • 遵守法规:了解当地无人机飞行规定,不在禁飞区飞行
  • 保持视线:始终能看到你的无人机(视距内飞行)
  • 注意天气:大风(>5级)、雨雪天气不要飞行
  • 低空起步:初学者先在 1-2 米高度练习

2.2 中国无人机飞行规定(简化版)

  • 无人机重量 < 250g(如 DJI Mini 系列):限制较少,适合初学者
  • 无人机重量 250g-4kg:需要在民航局实名登记
  • 禁飞区域:机场附近、军事区域、政府机关上空等
  • 限高:一般不超过 120 米

2.3 第一次飞行练习

练习 1:起飞与降落

  • 在平坦开阔地面放置无人机
  • 缓慢推油门,让无人机离地 30cm
  • 稳定悬停 5 秒
  • 缓慢降落

练习 2:四方向悬停

  • 起飞到 1 米高度
  • 分别向前、后、左、右各移动 1 米
  • 每个方向悬停 3 秒

练习 3:方形航线

  • 起飞到 2 米高度
  • 飞一个边长 2 米的正方形
  • 回到起点降落

第三章 编程控制无人机

3.1 为什么用编程控制无人机

手动遥控很有趣,但编程控制能让无人机:

  • 精确重复动作(如编队表演)
  • 执行复杂任务(如自动巡检)
  • 实现自主决策(如自动避障)

3.2 Tello EDU 编程入门

DJI Tello EDU 是最适合中小学生的编程无人机:

  • 重量仅 80g,安全
  • 支持 Scratch 图形化编程
  • 支持 Python 编程
  • 价格亲民

Scratch 编程示例

使用 Tello Scratch 扩展,可以拖拽积木块控制无人机:

当绿旗被点击
起飞
等待 2 秒
向前飞 50 厘米
右转 90 度
向前飞 50 厘米
右转 90 度
向前飞 50 厘米
右转 90 度
向前飞 50 厘米
降落

这段代码让 Tello 飞一个正方形!

Python 编程示例

from djitellopy import Tello

tello = Tello()
tello.connect()
tello.takeoff()

# 飞正方形
for i in range(4):
    tello.move_forward(50)
    tello.rotate_clockwise(90)

tello.land()

3.3 趣味编程项目

项目 1:无人机画"8"字

tello.takeoff()
# 左半圆
for i in range(36):
    tello.send_rc_control(20, 20, 0, 30)
    time.sleep(0.1)
# 右半圆
for i in range(36):
    tello.send_rc_control(20, -20, 0, -30)
    time.sleep(0.1)
tello.land()

项目 2:自动高度保持

利用 Tello 的高度传感器,让无人机在遇到"地面升高"时自动调整:

target_height = 100  # 目标高度 100cm

while True:
    current_height = tello.get_height()
    if current_height < target_height - 10:
        tello.move_up(10)
    elif current_height > target_height + 10:
        tello.move_down(10)
    time.sleep(0.5)

项目 3:手势控制

利用 Tello 的摄像头和人脸识别,实现手势控制:

  • 手掌向上 → 无人机上升
  • 手掌向下 → 无人机下降
  • 握拳 → 悬停

第四章 无人机能做什么

4.1 无人机的应用领域

领域应用说明
航拍电影拍摄、旅行记录最常见的用途
农业植保喷洒、作物监测效率是人工的 30 倍
物流快递配送、医疗物资运输山区/海岛特别有用
测绘地形测绘、建筑建模生成三维地图
巡检电力线路、管道检查替代人工高空作业
救援搜索失踪人员、灾害评估快速覆盖大范围
环保野生动物监测、污染检测不干扰自然环境
表演编队灯光秀数百架无人机协同

4.2 无人机 + 人工智能

现代无人机结合 AI 技术,能实现更多智能功能:

  • 自动跟踪:识别并跟踪特定人物或车辆
  • 智能避障:实时感知障碍物并自动绕行
  • 目标检测:在航拍画面中自动识别特定物体
  • 路径规划:自动计算最优飞行路线

4.3 未来的无人机

  • 载人无人机(eVTOL):空中出租车,如亿航智能
  • 蜂群无人机:数百架协同完成复杂任务
  • 太阳能无人机:像卫星一样长期在高空飞行
  • 仿生无人机:模仿鸟类或昆虫的飞行方式

第五章 动手做:从入门到竞赛

5.1 学习路径

第 1 步:了解无人机基本原理(你现在在这里!)
    ↓
第 2 步:用 Tello EDU + Scratch 学习编程控制
    ↓
第 3 步:学习 Python 编程,实现更复杂的飞行任务
    ↓
第 4 步:了解 PX4/ArduPilot 开源飞控
    ↓
第 5 步:组装自己的无人机
    ↓
第 6 步:参加无人机竞赛

5.2 推荐设备

阶段推荐设备预算
编程入门DJI Tello EDU~700 元
进阶编程DJI Tello Talent(带扩展件)~1000 元
组装实践F450 机架 + Pixhawk 飞控~1500 元
竞赛级5 寸 FPV 竞速无人机~2000 元

5.3 推荐竞赛

  • 全国青少年无人机大赛(教育部白名单赛事)
  • 个人飞行赛
  • 编程挑战赛
  • 足球赛
  • 物流搬运赛
  • 世界机器人大赛 — 无人机赛项
  • 全国中小学信息技术创新与实践大赛(NOC)— 无人机赛项

5.4 学习资源

  • 书籍:《无人机编程入门——基于 Tello》
  • 视频:B站搜索"DJI Tello 编程教程"
  • 平台:Tello EDU App(iOS/Android)、Scratch 3.0 + Tello 扩展
  • 社区:DJI 教育官网、Tello 开发者论坛

附录:无人机相关职业

如果你对无人机感兴趣,未来可以从事这些职业:

职业工作内容所需技能
无人机飞手操作无人机执行任务飞行执照、操控技术
无人机程序员编写飞行控制程序Python/C++、算法
无人机工程师设计和制造无人机电子、机械、航空
航拍师用无人机拍摄影视作品摄影、飞行技术
无人机数据分析师分析无人机采集的数据GIS、遥感、AI