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：

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：

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

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

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：