《無人機(jī)結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)》第5章 無人機(jī)其他系統(tǒng)

無人機(jī)結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)主講人：張翼無人機(jī)結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)電氣系統(tǒng)5.1第五章無人機(jī)其他系統(tǒng)

無人機(jī)結(jié)合行業(yè)應(yīng)用，搭載不同的任務(wù)載荷，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的功能最大化。除動(dòng)力系統(tǒng)以外，無人機(jī)順利執(zhí)行各種任務(wù)仍需電氣系統(tǒng)、控制站、通訊系統(tǒng)、任務(wù)設(shè)備等提供輔助支持。學(xué)習(xí)導(dǎo)論5.1電氣系統(tǒng)根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)無人機(jī)電氣系統(tǒng)的要求，其正常工作應(yīng)該滿足以下要求：1）穩(wěn)定輸電；2）在個(gè)別部件發(fā)生故障時(shí)，電氣系統(tǒng)的其他部分不受影響，繼續(xù)保持正常工作；3）在應(yīng)急狀態(tài)下應(yīng)該保證應(yīng)急用電設(shè)備的供電質(zhì)量。電氣系統(tǒng)組成無人機(jī)電氣系統(tǒng)一般包括電源、配電系統(tǒng)、用電設(shè)備三個(gè)部分，電源和配電系統(tǒng)兩者的組合統(tǒng)稱為供電系統(tǒng)。5.1.1無人機(jī)電氣系統(tǒng)的作用·11供電系統(tǒng)的作用：是向無人機(jī)各個(gè)系統(tǒng)或設(shè)備提供滿足預(yù)定設(shè)計(jì)要求的電能。5.1.1無人機(jī)電氣系統(tǒng)的作用·11

根據(jù)電氣系統(tǒng)的位置，無人機(jī)電氣系統(tǒng)又可以分為：機(jī)載電氣系統(tǒng)和地面供電系統(tǒng)兩部分。

機(jī)載電氣系統(tǒng)主要由：主電源（或發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電源）、應(yīng)急電源、電氣設(shè)備的控制與保護(hù)裝置及輔助設(shè)備組成。

電源需要滿足的特點(diǎn)

高比能量方向?qū)挏囟确秶姵毓芾矸较蚋甙踩煽啃苑较?.電源機(jī)載電源：主要是為小型無人機(jī)提供續(xù)能動(dòng)力，同時(shí)為機(jī)載用電設(shè)備供電，要求滿足比能量高、溫度范圍(尤其低溫性能)寬、比功率高、工作時(shí)間長(zhǎng)等性能要求，主要來用單獨(dú)的鎘鎳電池、鋅銀電池、鋰離子電池、鋰硫電池、太陽能電池等。1.電源表5-1無人機(jī)機(jī)載電源常用組成形式類別組成形式應(yīng)用方向主電源1臺(tái)獨(dú)立蓄電池組小型無人機(jī)系統(tǒng)啟動(dòng)電源或應(yīng)急電源或不間斷供電電源1臺(tái)獨(dú)立蓄電池組中型或大型無人機(jī)及無人機(jī)系統(tǒng)1臺(tái)獨(dú)立蓄電池組（內(nèi)置監(jiān)測(cè)系統(tǒng)）1臺(tái)獨(dú)立蓄電池組（內(nèi)置管理系統(tǒng)）1臺(tái)蓄電池組+1臺(tái)機(jī)載充電控制器啟動(dòng)-應(yīng)急2臺(tái)蓄電池組（相同，互為冗余）+1臺(tái)機(jī)載充電控制器1臺(tái)獨(dú)立蓄電池組（內(nèi)部獨(dú)立，內(nèi)置監(jiān)測(cè)系統(tǒng)）1臺(tái)獨(dú)立蓄電池組（內(nèi)部獨(dú)立，內(nèi)置管理系統(tǒng)）啟動(dòng)-應(yīng)急-不間斷（內(nèi)部獨(dú)立）1臺(tái)蓄電池組1臺(tái)蓄電池組（內(nèi)置監(jiān)測(cè)系統(tǒng)）1臺(tái)蓄電池組（內(nèi)置管理系統(tǒng)）配電系統(tǒng)2.2.配電系統(tǒng)

配電系統(tǒng)的主要作用是：依據(jù)設(shè)備的用電要求，對(duì)電源系統(tǒng)的電能進(jìn)行合理的分配和控制，其中核心設(shè)備是配電控制器。2.配電系統(tǒng)配電系統(tǒng)按控制方式可分為集中控制方式、分散控制方式和集散控制方式。目前常用方式是分散控制方式和集散控制方式。其配電控制器的工作原理如圖5-1所示。5.1.2系留無人機(jī)電氣系統(tǒng)

所謂系留無人機(jī)系統(tǒng)是：通過地面起降平臺(tái)將無人機(jī)長(zhǎng)時(shí)間懸停在空中進(jìn)行作業(yè)。任務(wù)設(shè)備5.25.2.1概述無人機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域航拍測(cè)繪農(nóng)業(yè)植保公安特警管道巡檢電力巡線消防救援1.農(nóng)業(yè)方面(農(nóng)業(yè)植保、農(nóng)作物數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè))

用于農(nóng)業(yè)事前預(yù)防用于農(nóng)業(yè)事中監(jiān)測(cè)用于農(nóng)業(yè)事后控制1.農(nóng)業(yè)方面(農(nóng)業(yè)植保、農(nóng)作物數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè))2.林業(yè)方面(森林防火、森林災(zāi)害防治、保護(hù)區(qū)野生動(dòng)物監(jiān)測(cè))無人機(jī)搭載可見光成像和紅外成像等設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)在中低空領(lǐng)域?qū)?、人無法到達(dá)地域的林業(yè)資源調(diào)查、生態(tài)環(huán)境、森林防火、森林病蟲害防治等工作。3.電力石油方面(電力巡線、石油管道巡檢)傳統(tǒng)電力巡線面臨巡線線路距離長(zhǎng)、工作量大、步行巡線效率低、巡線員安全等問題，特別是當(dāng)遇到冰雪、水災(zāi)、地震、滑坡等自然災(zāi)害天氣時(shí)，巡線搶修任務(wù)又增添了新的難度。傳統(tǒng)電力巡檢無人機(jī)電力巡檢4.抗震救災(zāi)方面(災(zāi)情監(jiān)測(cè)、應(yīng)急指揮、地震調(diào)查)在地質(zhì)災(zāi)害的災(zāi)前預(yù)警、災(zāi)時(shí)監(jiān)測(cè)、災(zāi)后重建等工作中，需對(duì)災(zāi)區(qū)進(jìn)行反復(fù)遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。搭載了高清拍攝裝置的多旋翼無人機(jī)對(duì)受災(zāi)地區(qū)進(jìn)行航拍，可以提供最新影像資料。4.抗震救災(zāi)方面(災(zāi)情監(jiān)測(cè)、應(yīng)急指揮、地震調(diào)查)5.氣象方面(空氣監(jiān)測(cè))無人機(jī)在氣象、環(huán)保方面的應(yīng)用最初是無人機(jī)搭載可見光照相機(jī)云臺(tái)，通過視頻、拍照片等對(duì)污染濃度較大的可見性污染源，如黑煙囪、秸稈焚燒等進(jìn)行監(jiān)控。但該方法容易受光照、雨霧、攝像頭分辨率等因素的影響，不能達(dá)到很好的監(jiān)測(cè)效果。6.國(guó)土資源方面(礦產(chǎn)資源勘探、國(guó)土資源開采)無人機(jī)系統(tǒng)搭載三維激光掃描儀、傳感器、攝像器等可完成國(guó)土資源方面的事先控制和事后評(píng)估考察兩個(gè)層次的應(yīng)用。

7.警用方面(交通巡邏、邊境巡視)無人機(jī)在警用方面主要是搭載高清攝像頭、喊話器等設(shè)備，攝像頭采集的畫面可實(shí)時(shí)傳輸?shù)街笓]車輛上，使指揮員實(shí)時(shí)獲取現(xiàn)場(chǎng)情況，為指揮員提供高效準(zhǔn)確的指揮調(diào)度依據(jù)。8.水利方面無人機(jī)可進(jìn)行海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)、水資源開發(fā)、生態(tài)環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)、洪澇災(zāi)害監(jiān)測(cè)、干旱缺水監(jiān)測(cè)、水環(huán)境污染監(jiān)測(cè)、河床河道監(jiān)測(cè)、內(nèi)陸湖泊及水庫(kù)監(jiān)測(cè)和農(nóng)田灌溉監(jiān)測(cè)等。任務(wù)設(shè)備5.29.城市規(guī)劃、市政管理無人機(jī)遙感技術(shù)在城市建設(shè)工程的環(huán)境監(jiān)測(cè)方面也發(fā)揮著重大作用。城市建設(shè)工程應(yīng)該堅(jiān)持環(huán)境保護(hù)與經(jīng)濟(jì)、社會(huì)協(xié)調(diào)發(fā)展的原則。10.測(cè)繪方面(測(cè)繪、航空攝影測(cè)量)無人機(jī)在測(cè)繪中具有非常重要的作用，可以機(jī)載遙感設(shè)備，如高分辨率CCD數(shù)碼照相機(jī)、輕型光學(xué)照相機(jī)、紅外掃描儀、激光掃描儀、磁測(cè)儀等獲取圖像信息，用計(jì)算機(jī)對(duì)圖像信息進(jìn)行處理，并按照一-定精度要求進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，生成6D數(shù)據(jù)產(chǎn)品。5.2.2照相機(jī)按任務(wù)設(shè)備用途：可以分為偵查搜索設(shè)備、測(cè)繪設(shè)備、軍用專用設(shè)備、民用專用設(shè)備等。偵搜設(shè)備常用的有光電平臺(tái)、SRA雷達(dá)、激光測(cè)距儀等，測(cè)繪設(shè)備則是測(cè)繪雷達(dá)、航拍相機(jī)等。5.2.2照相機(jī)335.2.2照相機(jī)搭載不同任務(wù)載荷的無人機(jī)在各行各業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛，目前無人機(jī)應(yīng)用最廣泛、最成熟的是航空拍攝。1)由于無人機(jī)載重能力有限，要求照相機(jī)體積小、重量輕。2)無人機(jī)在低空中飛行，易受風(fēng)向、風(fēng)力的影響，要求照相機(jī)防抖動(dòng)能力強(qiáng)。3)為將拍攝圖像實(shí)時(shí)傳輸?shù)降孛婵刂普?，要求無線圖傳系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。5.2.2照相機(jī)1.照相機(jī)分類2.可見光照相機(jī)3.紅外線照相機(jī)4.其他常用照相機(jī)可見光照相機(jī)：根據(jù)電子傳感器工作原理的不同可分為兩種:一種是光感應(yīng)式的電荷耦合器件(CCD)，另一種是互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)。CCD的優(yōu)勢(shì)在于成像質(zhì)量好，舊其制作工藝復(fù)雜，成本較高，在相同分辨率的情況下，CMOS價(jià)格相對(duì)較低，但圖像質(zhì)量也相應(yīng)變差?？梢姽庹障鄼C(jī)紅外線探測(cè)器：是紅外線輻射能的接收器，它通過光電變換作用，將接收的紅外線輻射能量變?yōu)殡娦盘?hào)，并經(jīng)過放大、處理，形成圖像。紅外線探測(cè)器可分為熱探測(cè)器和光子探測(cè)器。紅外線照相機(jī)作業(yè)1.無人機(jī)電氣系統(tǒng)的組成及其作用分別是什么?2.無人機(jī)機(jī)載電源常見的組織形式是什么?3.簡(jiǎn)述系留無人機(jī)的概念及其供電特點(diǎn)?4.簡(jiǎn)述不同任務(wù)設(shè)備在各行各業(yè)中的不同應(yīng)用？5.比較不同照相機(jī)的成像原理和應(yīng)用場(chǎng)合？任務(wù)設(shè)備5.2其他常用照相機(jī)1、多光譜照相機(jī)是在普通航空照相機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。多光譜照相是指在可見光的基礎(chǔ)上向紅外光和紫外光兩個(gè)方向擴(kuò)展，并通過各種濾光片或分光器與多種感光膠片的組合，使其同時(shí)分別接收同一目標(biāo)在不同窄光譜帶上所輻射或反射的信息，即可得到目標(biāo)的幾張不同光譜帶的照片的照相機(jī)。多光譜照相機(jī)2、合成孔徑雷達(dá)(SAR)是一種高分辨率成像雷達(dá)，可以在能見度極低的氣象條件下得到類似光學(xué)照相的高分辨雷達(dá)圖像。SAR主要應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，用于偵察戰(zhàn)術(shù)目標(biāo)并對(duì)其進(jìn)行定位和識(shí)別。在民用領(lǐng)域的應(yīng)用主要是資源勘探、大地測(cè)量、災(zāi)情監(jiān)測(cè)等方面。合成孔徑雷達(dá)5.2.3云臺(tái)

隨著無人機(jī)在各行各業(yè)的廣泛應(yīng)用，根據(jù)不同的任務(wù)要求，無人機(jī)需要搭載不同的任務(wù)設(shè)備。

無人機(jī)云臺(tái)就是無人機(jī)用于安裝、固定攝像機(jī)等任務(wù)載荷的支撐設(shè)備。1、云臺(tái)的分類2、云臺(tái)的結(jié)構(gòu)及工作原理3、云臺(tái)材料的選擇4、云臺(tái)的無線傳輸5、云臺(tái)系統(tǒng)的發(fā)展云臺(tái)的分類固定云臺(tái)一般用于拍攝范圍不大的情況?？筛鶕?jù)需求調(diào)整設(shè)備的水平、俯仰角度，確定最佳拍攝姿態(tài)后鎖定調(diào)整機(jī)構(gòu)即可。電動(dòng)云臺(tái)適用于大范圍進(jìn)行掃描拍攝的情況。一般在云臺(tái)旋轉(zhuǎn)軸上裝有電動(dòng)機(jī)，可通過手動(dòng)或程序遠(yuǎn)程控制云臺(tái)旋轉(zhuǎn)或按照一定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律旋轉(zhuǎn)，從而得到全方位的拍攝。

云臺(tái)系統(tǒng)主要由主控制器、姿態(tài)反饋元件、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、機(jī)械框架四部分組成。云臺(tái)的結(jié)構(gòu)及工作原理

由于無人機(jī)功能和用途的不同，各種不同的傳感器或相機(jī)會(huì)被搭載在無人機(jī)云臺(tái)，因此無人機(jī)云臺(tái)也根據(jù)需要被設(shè)計(jì)不同的結(jié)構(gòu)。限制于無人機(jī)載荷能力，通常要求保證云臺(tái)正常工作的前提下，減小云臺(tái)結(jié)構(gòu)的重量、體積和增加云臺(tái)的載荷能力。

無人機(jī)云臺(tái)自身結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是云臺(tái)性能的重要性能指標(biāo)，它直接影響著云臺(tái)的穩(wěn)像效果，合理穩(wěn)定的云臺(tái)結(jié)構(gòu)對(duì)于提高無人機(jī)作業(yè)性能有著很大的作用。由于無人機(jī)的振動(dòng)和氣流的擾動(dòng)等因素的影響，所以采用一些結(jié)構(gòu)或者材料隔離振動(dòng)可以有效解決這些問題。云臺(tái)的結(jié)構(gòu)及工作原理云臺(tái)的結(jié)構(gòu)及工作原理

當(dāng)云臺(tái)向前運(yùn)動(dòng)，云臺(tái)支架就向后運(yùn)動(dòng)，保持云臺(tái)上固定的儀器前后位置不變。左右運(yùn)動(dòng)也是相同的原理。

在云臺(tái)中，測(cè)量位置變化的是陀螺儀，也叫“加速度測(cè)量?jī)x”，測(cè)量到任意加速度都給它一個(gè)相反的加速度，云臺(tái)就能一動(dòng)不動(dòng)的杵在那里，充分讓你感受到“一頓操作猛如虎，云臺(tái)還在原地杵！”云臺(tái)的結(jié)構(gòu)及工作原理

一般無人機(jī)云臺(tái)都能滿足相機(jī)的三個(gè)活動(dòng)自由度：繞X、Y、Z軸旋轉(zhuǎn)，每個(gè)軸心內(nèi)都安裝有電機(jī)，當(dāng)無人機(jī)傾斜時(shí)，同樣會(huì)配合陀螺儀給相應(yīng)的云臺(tái)電機(jī)加強(qiáng)反方向的動(dòng)力，防止相機(jī)跟著無人機(jī)“傾斜”，從而避免相機(jī)抖動(dòng)。云臺(tái)的結(jié)構(gòu)及工作原理任務(wù)設(shè)備5.2云臺(tái)的常用材料可分為三類：①金屬材質(zhì)以不銹鋼、鋁合金為代表這類材料制造的云臺(tái)安全性能高、剛性好，但是重量較大。云臺(tái)材料的選擇②碳纖維板和碳纖維管這類材料制造的云臺(tái)質(zhì)量輕，但是剛性不足，穩(wěn)定性差。③光敏樹脂材料固化后的樹脂材料具有良好的物理特性，重量輕、韌度強(qiáng)、耐高溫和腐蝕。這類材料制造的云臺(tái)制作簡(jiǎn)單、精度高，但是剛性不足。

一是考慮云臺(tái)的工作環(huán)境，在一定風(fēng)速、加速度下工作，且在高溫和低溫環(huán)境下受影響小。

二是針對(duì)小型無人機(jī)，考慮云臺(tái)尺寸和重量都要小。

三是考慮經(jīng)濟(jì)性，根據(jù)不同部分受力強(qiáng)度不同，選擇不同的材料。在選擇云臺(tái)材料時(shí)，要考慮三個(gè)問題：操控者通過遙控器與接收機(jī)兩部分完成了人機(jī)之間的無線傳輸。通訊頻率

多選用2.4GHz為遙控頻率，其優(yōu)點(diǎn)是頻率高、同頻概率小、功耗低、反應(yīng)迅速、控制精度好等。調(diào)制方式

遙控信號(hào)等調(diào)制方式一般分為脈沖信號(hào)（PCM）和