無人機系統(tǒng)原理PPT

1、無人機系統(tǒng)原理,編輯：李長福,武漢中測晟圖遙感技術(shù)有限公司,無人機系統(tǒng)原理,一、無人機的發(fā)展與現(xiàn)狀 二、無人機的特點和用途 三、無人機系統(tǒng)構(gòu)成 四、無人機飛行與控制原理 五、無人機作業(yè)流程 六、無人機展望,一、無人機的發(fā)展,1.1 無人機的起源與發(fā)展,遙控飛行器RPV （Remotely Piloted Vehicle） 無人機UAV （Unmanned Aerial Vehicle）,無人機在軍事中的應(yīng)用：,第一次世界大戰(zhàn)，美國開發(fā)了攜帶高爆炸藥的雙翼無人機； 越戰(zhàn)中美軍將無人機用于偵察； 以色列1973年第四次中東戰(zhàn)爭中使用無人機模擬有人機作戰(zhàn)群，掩護有人機突防； 以色列1982年派無人機

2、進入貝卡谷地上空，誘使敘利亞地空導(dǎo)彈雷達開機，鎖定對方雷達位置； 海灣戰(zhàn)爭、科索沃戰(zhàn)爭、伊拉克戰(zhàn)爭和阿富汗戰(zhàn)爭中美軍大量使用無人機。,長13.4m，翼展35.5m，最大起飛重量11610kg，最大載油量6577kg，有效載荷900kg。一臺渦扇發(fā)動機置于機身上方，最大飛行速度740km/h，巡航速度635km/h，航程26000km，續(xù)航時間42h。,全球鷹,可監(jiān)視目標24小時，最大續(xù)航時間60小時。該機裝有光電/紅外偵察設(shè)備、GPS導(dǎo)航設(shè)備和具有全天候偵察能力的合成孔徑雷達，在4000米高處分辨率為0.3米，對目標定位精度0.25米。,機長8.27米，翼展14.87米，最大活動半徑3700公

3、里，最大飛行時速240公里。,MQ-1 捕食者,1.2 國內(nèi)無人機發(fā)展概述,航模隊 專業(yè)從事無人機應(yīng)用或研究 無人靶機 多用途無人機,無人機行業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀：,無人機近幾年呈現(xiàn)出一種跨越式、躍遷式的發(fā)展； 我國無人機發(fā)展的正在步入“黃金年代” ，目前中高端無人機研發(fā)與生產(chǎn)能力主要掌握在中航工業(yè)集團公司、航空航天類院校（西北工業(yè)大學(xué)第三六五研究所愛生集團，北京航空航天大學(xué)無人機所，南京航空航天大學(xué)無人機所）等國家隊和其他科研院所； 盡管號稱有百余家企業(yè)在從事無人機研究與生產(chǎn)，但真正能夠嚴格按照研制程序開發(fā)無人機系統(tǒng)的并不多。,“翔龍”高空高速無人偵察機全機長14.33米，翼展24.86米，機高5.

4、413米，正常起飛重量6800公斤，任務(wù)載荷600公斤，機體壽命暫定為2500Fh。巡航高度為18000米20000米，巡航速度大于 700公里/小時；作戰(zhàn)半徑20002500公里，續(xù)航時間最大10小時，起飛滑跑距離350米，著陸滑跑距離500米。連翼飛機具有結(jié)構(gòu)結(jié)實、抗墜毀能力強、抗顫振能力好、飛行阻力小、航程遠等優(yōu)點。,機身長9.34米，翼展14米，機高2.7米，翼龍飛機的展弦比較大，因此升力較大、誘導(dǎo)阻力較小，巡航升阻比較大，可以長時間在空中滯留。最大起飛重量：1200公斤，最大飛行高度：5300米，最大飛行速度：280公里/小時，最大續(xù)航時間：20小時，最大航程：4000公里，起飛滑跑

5、距離：800米，著陸滑跑距離：600米（剎車），最大燃油和任務(wù)載荷重量：350公斤，最大任務(wù)載荷重量：200公斤（機翼兩個掛點），最大載燃油量：300公斤6,1.3 國外民用無人機應(yīng)用概況,美國將全球鷹和捕食者修改后，應(yīng)用于民用領(lǐng)域，全球鷹成為第一種被美國聯(lián)邦航空管理局批準授權(quán)可在美國空域飛行的無人機； 美國NASA下屬的德萊頓飛行研究中心正在研究將伊克納無人機用于滅火； 美國海洋與大氣局已成功將無人機用于風(fēng)暴探測 的研究；,1.4 國內(nèi)民用無人機發(fā)展現(xiàn)狀,民用無人機起步晚，與發(fā)展較好的軍用無人機在技術(shù)上脫節(jié)； 主要無人機研究單位定位于軍事技術(shù)，先進的軍用無人機技術(shù)向民用無人機轉(zhuǎn)化不足； 民營

6、企業(yè)充分發(fā)揮了自己的市場優(yōu)勢，積極投身民用無人機行業(yè)； 民用無人機市場正在升溫。,民用無人機行業(yè)存在的不足：,從航模轉(zhuǎn)型的多，專業(yè)設(shè)計研究的少； 設(shè)計水平低，生產(chǎn)規(guī)模??； 測繪應(yīng)用多，其它應(yīng)用少； 機型小，總體質(zhì)量水平較低。,二、無人機特點與用途,2.1 無人機與航模,無人機的定義： 機上沒有駕駛員 能一次或多次使用 可以自行控制也可以遠程引導(dǎo) 可攜帶有效載荷 升力主要靠空氣動力 航模:只能在視距內(nèi)遙控控制,2.2 無人機的特點,機上無駕駛員，不再考慮人的安危和生理承受能力； 沒有機上駕駛員，不考慮人的生理承受能力（大機動）和體力限制，可執(zhí)行枯燥、危險、污染性的工作，即3D任務(wù)（Dangero

7、us,Dirty,Dull） 使用靈活，用途廣泛； 成本低廉，生存力強。,2.3 無人機的分類,2.3.1按功能分類 軍用無人機 偵察機、電子對抗無人機、通信中繼無人機、攻擊無人機及靶標無人機等 民用無人機 各種用途的巡查和監(jiān)視用無人機、航拍無人機、氣象無人機、地質(zhì)勘探無人機、測繪無人機等。,2.3.2 按大小分類 微小型無人機 重量一般小于1Kg，尺寸在15cm以內(nèi) 小型無人機 重量一般在1100Kg內(nèi) 中型無人機 重量一般在1001000Kg內(nèi) 大型無人機 重量一般大于1000Kg,2.3 無人機的分類,2.3.3 按活動半徑分類 超近程無人機 活動半徑在515km之間 近程無人機 活動半

8、徑在1550km之間 短程無人機 活動半徑在50200km之間 中程無人機 活動半徑在200800km之間 遠程無人機 活動半徑一般大于800km,2.3 無人機的分類,2.3.4 按速度分類 低速無人機 速度一般小于0.3馬赫 亞音速無人機 速度一般在0.30.7馬赫 跨音速無人機 速度一般在0.71.2馬赫 超音速無人機 速度一般在1.25馬赫 高超音速無人機 速度一般大于5馬赫 馬赫：奧地利物理學(xué)家、哲學(xué)家、心理學(xué)家、生物學(xué)家恩斯特馬赫(Ernst Mach，1838年1916年)的簡稱，馬赫在研究氣體中物體的高速運動時，發(fā)現(xiàn)了激波。他確定了以物速與聲速的比值（即馬赫數(shù)）為標準，來描述物

9、體的超音速運動。 音速：空氣中的音速在1個標準大氣壓和15的條件下約為340米/秒。,2.3 無人機的分類,2.3.5 按實用升限分類 超低空無人機 實用升限一般在100m以下 低空無人機 實用升限一般在1001000m之間 中空無人機 實用升限一般在10007000m之間 高空無人機 實用升限一般在700018000m之間 超高空無人機 實用升限一般大于18000m,2.3 無人機的分類,2.4 常見無人機氣動外形,2.4.1 常規(guī)布局,2.4.2 雙尾撐（雙尾梁）無人機,2.4.3 倒V尾無人機,2.4.4 飛翼無人機,機長：21.03米 機高：5.18米 翼展：52.43米 機翼后掠角：

10、33度 空重：45360-49900千克 最大武器載荷：18144千克 最大燃油量：81650-90720千克 正常起飛重量：152635千克 最大起飛重量：170550千克 巡航速度：高亞音速，小于331m/s；0.8馬赫（12200m） 進場速度：259千米/小時 實用升限：15240米 航程：不加油10400km，空中加油一次大于18520千米 翼負荷：329千克/平方米 推重比：0.205,2.5 認識無人機的主要技術(shù)指標,翼展 2.6m 最大起飛重量 16kg 有效載荷重量 4kg 燃料重量 2.5kg 巡航速度 110km/h 續(xù)航時間 2h 飛行半徑 50km 實用升限 6000

11、m 抗風(fēng)性能 5級 起降方式 滑跑/彈射/傘降/撞網(wǎng) 任務(wù)載荷類型 航空測繪,三、無人機系統(tǒng),無人機一般由以下部分組成：,飛行器-飛行載體 飛行控制系統(tǒng) 地面控制系統(tǒng)-地面站 任務(wù)設(shè)備-航拍儀器 起飛與降落回收系統(tǒng),3.1 飛行載體,ZC1型無人飛機,3.2 飛行控制系統(tǒng),飛行控制主要有中央計算機、飛行控制類傳感器、伺服作動器、導(dǎo)航定位系統(tǒng)及通訊系統(tǒng)組成； 飛行控制類傳感器包括高度/速度類傳感器和姿態(tài)類傳感器； 伺服作動器是將控制指令轉(zhuǎn)化為舵面動作及發(fā)動機閥門動作的執(zhí)行機構(gòu)。 導(dǎo)航定位系統(tǒng)：慣性導(dǎo)航設(shè)備、衛(wèi)星定位傳感器、慣性/衛(wèi)星組合定位 通訊電臺,3.3 地面控制站,地面控制站主要功能： 任

12、務(wù)規(guī)劃； 飛機狀態(tài)監(jiān)控； 飛機和任務(wù)設(shè)備的操控； 信息處理,3.4 任務(wù)設(shè)備,常見的任務(wù)設(shè)備有： 照相機 電視攝像機 紅外熱像儀 光電偵察穩(wěn)定平臺 合成孔徑雷達（SAR）,相機,Canon 5Dmark 2100萬像素全畫幅,可用于小飛機航測的相機： 飛思 哈蘇 萊卡 尼康,3.5 起飛與降落,四、無人機飛行與控制原理,4.1 無人機飛行原理,飛機姿態(tài)角示意圖,飛機受力示意圖,飛機三軸角運動示意圖,機翼上下表面壓力示意圖,機翼受力示意圖,飛機爬升運動示意圖,飛機轉(zhuǎn)彎運動示意圖,4.2 無人機控制原理,無人機的飛行控制系統(tǒng)主要包括傳感器、機載計算機和伺服作動設(shè)備三部分，其功能有： 1）無人機姿態(tài)

13、穩(wěn)定與控制； 2）無人機導(dǎo)航與航跡控制； 3）無人機起飛和著陸控制； 4）無人機任務(wù)設(shè)備管理與控制等。,無人機控制系統(tǒng)原理圖,五、無人機作業(yè)流程,設(shè)備地面展開 根據(jù)任務(wù)進行航線規(guī)劃 飛行前全部設(shè)備檢查 啟動動力系統(tǒng) 飛機起飛 到達作業(yè)地點、作業(yè) 返回降落 飛機落地后檢查維護 獲取作業(yè)數(shù)據(jù) 作業(yè)數(shù)據(jù)的后期處理,1. 啟動/預(yù)熱 2. 滑跑 3. 起飛 4. 爬升 5. 巡航 6. 作業(yè) 7. 降高 8. 著陸,六、無人機發(fā)展展望,6.1 軍用發(fā)展熱點和趨勢,高集成化、多任務(wù)平臺、實現(xiàn)一機多用 根據(jù)用途，機身尺寸向兩端發(fā)展 從平臺武器化到專用獵殺平臺,6.2 關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展,傳感器技術(shù) 數(shù)據(jù)鏈及通信技術(shù) 自主技術(shù) 武器系統(tǒng)技術(shù)