无人机概述

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无人机概述 试讲人： XXX 2 小讨论 聊一聊你所了解的无人机 http://www.vmovier.com/48368 “ 视频在线播放 ” 90 后小伙拍出“最潮南京宣传片”立刻爆红网络 这不是纽约、也不是曼哈顿，这是我们每天生活的城市——南京。昨天傍晚，南京市委 宣传部官方微信“南京发布”独家首映了一部大片《 The Best of NanKing 》，大片里南 京三四十个地标，在镜头展示下超级震撼… . 问题思考——无人机是什么样的？除了航拍外无人机还能做什么？ 课程预热： 课程导入： 无人机的概念 目录 无人机的分类及用途 无人机的系统组成 无人机主要技术 PART 1 PART 3 PART 2 PART 4 无人机的概念 PART 1 无人驾驶航空器（ UA ： Unmanned Aircraft ），是一架由遥控站管理（包 括远程操纵或自主飞行）的航空器，也称遥控驾驶航空器（ RPA ： Remotely Piloted Aircraft ），以下简称无人机。 无人机的定义 无人机系统（ UAS ： Unmanned Aircraft System ），也称无人驾驶航空器 系统（ RPAS ： Remotely Piloted Aircraft Systems ），是指一架无人机、相 关的遥控站、所需的指令与控制数据链路以及批准的型号设计规定的任何其他部件 组成的系统。 无人机系统的定义 无人机系统驾驶员，由运营人指派对无人机的运行负有必不可少职责并在飞行期 间适时操纵飞行控制的人。 无人机系统的机长，是指在系统运行时间内负责整个无人机系统运行和安全的驾 驶员。 无人机系统驾驶员的定义 无人机的近况 全世界都在造无人机！ 80—90 年代，除了美国和以色列外，其他国家的许多飞机制造公司也在从事无人机的研制与生产。 西方国家中在无人机研制与生产领域占据领先位置的是美国。今天，美军有用于各指挥层次––从高级司令部到营、连长的全系列 无人侦察机。许多无人机可以携带制导武器（炸弹、导弹）、目标指示和火力校射装置。最著名的是“捕食者” 可复用无人机，世 界上最大的无人机––“全球鹰”，“影子 -200” 低空无人机， “扫描鹰”小型无人机，“火力侦察兵” 无人直升机。 美国“全球鹰”无人机 美国“捕食者”无人机 美国“影子 200” 无人机 美国“扫描鹰”无人机 美国“火力侦察兵”无人直升机 无人机分类及用途 PART 2 军用无人机 分类方式之按照用途分类： 以用途作为划分无人机的标准，是比较常用的做法。按照用途分类，无人机可以分为： 目前超过 70% 的无人机使用于军事用途 民用无人机 军用无人机可分为侦察无人机、诱饵无人机、电子 对抗无人机、通信中继无人机、无人战斗机以及靶 机等 民用无人机可分为巡查 \ 监视无人机、农用无 人机、气象无人机、勘探无人机以及测绘无人 机等。 燃爆 8 月的电影《战狼 2 》同学们都去看了吗？ 回忆下《战狼 2 》里的无人机用途是什么？ 《战狼 2 》人脸识别无人机“大出风头” 从空中武器的“展示”来看，影片中最精彩的就是雇佣兵利用基于人脸识别的无人机手控追踪、射击影片主角一行， 并一度给他们造成了很多麻烦。 《战狼 2 》中人脸识别无人机表现不俗 , 在电影中，雇佣军使用无人机潜入工厂，利用图像采集和传输获 取了工厂里的实时情况。在接下来的战斗中，无人机还能搜寻目标、连续扫射，甚至携带了小型火箭弹， 虽然它们的出现只是为了增强影片的视觉效果及精彩程度，但这也代表了无人机的未来趋势 课堂思考 Little tips 分类方式之按照平台角度分类： 旋翼无人机 固定 翼无人机 多旋翼无人机 无人飞艇 伞翼无人机 扑翼式无人机 按照平台划分，无人机常见的分为 由多组动力系统组成的飞行平台，一般常见的有四旋翼、六旋翼、八旋翼……甚至更多 旋翼组成。多旋翼机械结构非常简单，动力系统只需要电机直接连桨就行。优点是机械 简单，能垂直起降，缺点是续航时间最短，载荷小。 旋翼无人机 固定翼，顾名思义，就是机翼固定不变，靠流过机翼的风提供升力。跟我们平时做的飞机 一样，固定翼无人机起飞的时候需要助跑，降落的时候必须要滑行，但这类无人机续航时 间长、飞行效率高、载荷大。 固定翼 无人机 多旋翼 无人几 分类方式之按照平台角度分类： 旋翼飞行器是一类通过多个定距桨（螺旋桨）正反旋转与转速控制提供飞行器升力与飞行 器姿态调整。这样的定义方式使我们准确了解多旋翼飞行器的旋翼结构、升力来源、姿态 控制方式。 这类飞行器是从鸟类或者昆虫启发而来的，具有可变形的小型翼翅。它可以利用不稳定气 流的空气动力学，以及利用肌肉一样的驱动器代替电动机。在战场上，微型无人机、特别 是昆虫式无人机，不易引起敌人的注意。即使在和平时期，微型无人机也是探测核生化污 染、搜寻灾难幸存者、监视犯罪团伙的得力工具 无人飞艇 伞翼机 分类方式之按照用途分类： 飞艇是一种轻于空气的航空器，它与热气球最大的区别在于具有推进和控制飞行状态的装 置。这类飞行器是一种理想的空中平台，无论是用来空中监视、巡逻、中继通信还是空中 广告飞行、任务搭载试验、电力架线，其应用范围是广泛的。 一种用柔性伞翼代替刚性机翼的飞机，伞翼大部分为三角形，也有长方形的。伞翼可收叠 存放，张开后利用迎面气流产生升力而升空，起飞和着陆滑跑距离短，只需百米左右的跑 道，常用于运输、通信、侦察、勘探和科学考察等。 扑翼无人机 课堂互动 请同学通过连连看的方式试着判断以下图片对应的无人机类型 >> 固定翼无人机 旋翼无人机 无人飞艇 伞翼无人机 扑翼无人机 多旋翼无人机 其他分类方式： 按照尺度分类 微、轻、小、大。 空机质量 7 （ 100 千米 / 小时、 3000 米） 116 5700 按活动半径分类 超近程： 15km 以内 近程： 15-50km 之间 短程： 50-200km 之间 中程： 200-800km 之间 远程：大于 800km 。 按任务高度分类 超低空： 0-100m 低空： 100-1000m 中空： 1000-7000m 高空： 7000-18000m 超高空：大于 18000m 无人机的系统组成 PART 3 无人机的系统组成 系统组成 控制站 飞行器 通信链路 显示系统 操纵系统 机载 地面 飞行平台 动力装置 导航飞控 电气系统 任务设备 无人机的系统组成 飞行器是指能在地球大气层内外空间飞行的器械。通常按照飞行环境和工作方式，把飞行 器分为几大类： —— 航空器： —— 航天器： —— 空天飞行器： —— 火箭和导弹： 飞行器的定义 无人机的系统组成 航空器的定义 根据产生升力的原理 >> 航空器 轻于空气的航空器 重于空气的航空器 气球 飞艇 固定翼航空器 旋翼航空器 扑翼机 变模态机 飞机 滑翔机 旋翼机 直升机 固定翼 Fixed-wing 无人机平台 旋翼 Rotary wing 无 人机平台 无人飞艇平台及系留气球 各类变模态平台 飞行器 - 飞行平台 多轴 机翼结构 机身结构 起落装置 飞行器 - 飞行平台 动力系统指无人机的发动机以及保证发动机正常工作所必需的系统和附件的总称。 无人机使用的动力装置主要有活塞式发动机、涡喷发动机、涡扇发动机、涡桨发动机、涡轴 发动机、冲压发动机、火箭发动机、电动机等。目前主流的民用无人机所采用的动力系统通常 为活塞式发动机和电动机两种。 飞行器 - 动力装置分类 活塞式发动机也叫往复式发动机， 由气缸、活塞、连杆、曲轴、气门 机构、螺旋桨减速器、机匣等组成 主要结构。 动力装置 --- 活塞式 动力装置 --- 电动 出于成本和使用方便的考虑， 微型无人机中普遍使用的是电 动动力系统。 动力装置 --- 涡喷 涡轮喷气发动机的组成：进气道 压气机、燃烧室、涡轮、尾喷管。 飞行器 - 动力装置有哪些？ 导航子系统功能：向无人机提供相对于所选定的参考坐标系的位置、速度、飞行姿态， 引导无人机沿指定航线安全、准时、准确的飞行。因此导航子系统之于无人机相当于领航员 之于有人机。 飞行器 - 导航飞控系统 飞控子系统是无人机完成起飞、空中飞行、执行任务、返场回收等整个飞行过程的核心 系统，对无人机实现全权控制与管理，因此飞控子系统之于无人机相当于驾驶员之于有人机， 是无人机执行任务的关键。 无人机导航飞控系统常用的传感器包括角速率传感器、姿态传感器、位置传感器、迎角 侧滑角传感器、加速度传感器、高度传感器及空速传感器等，这些传感器构成无人机导航飞 控系统设计的基础。 导航飞控计算机是导航飞控系统的核心部件，飞控计算机应具备如下功能： 姿态稳定与控制； 导航与制导控制； 自主飞行控制； 自动起飞、着陆控制； 飞行器 - 导航飞控系统 无人机执行机构都是伺服作动设备，是导航飞控系统的重要组成部分。其主要功能是根 据飞控计算机的指令，按规定的静态和动态要求，通过对无人机各控制舵面和发动机节 风门等的控制，实现对无人机的飞行控制 无人机电气系统可分为机载电气系统和地面供电系统两部分。机载电气系统主要由主电源、 应急电源、电气设备的控制与保护装置及辅助设备组成。 电气系统一般包括电源、配电系统、用电设备 3 个部分，电源和配电两者组合统称为供电系 统。供电系统的功能是向无人机各用电系统或设备提供满足预定设计要求的电能。 正常汇流条（发电机汇流条或主汇流条） 重要汇流条（转换汇流条） 应急汇流条（不间断汇流条或备用汇流条） 飞行器 - 电气系统 按任务设备用途，可以分为侦查搜索设备、测绘设备、军用专用设备、民用专用设备等。侦 搜设备常用的有光电平台、 SRA 雷达、激光测距仪等，测绘设备则是测绘雷达、航拍相机等。 飞行器 - 任务设备 无人机的系统组成 系统组成 控制站 飞行器 通信链路 显示系统 操纵系统 机载 地面 飞行平台 动力装置 导航飞控 电气系统 任务设备 无人机地面站也称控制站、遥控站或任务规划与控制站。在规模较大的无人机系统中，可以 有若干个控制站，这些不同功能的控制站通过通信设备连接起来，构成无人机地面站系统 指挥调度功能主要包括上级指令接收、系统 之间联络、系统内部调度； 任务规划功能主要包括飞行航路规划与重规 划、任务载荷工作规划与重规划； 操作控制功能主要包括起降操纵、飞行控制 操作、任务载荷操作、数据链控制； 显示记录功能主要包括飞行状态参数显示与 记录、航迹显示与记录、任务载荷信息显示与 记录等。 无人机的系统组成 - 控制站 四类硬件： 数据链路控制、飞行控制、载荷控制、载荷数据处理等四类硬件设备机柜或机箱构成。 三类不同功能控制站模块： 指挥处理中心：制定任务、完成载荷数据的处理和应用，一般都是通过无人机控制站等间接 地实现对无人机的控制和数据接收； 无人机控制站：飞行操纵、任务载荷控制、数据链路控制和通信指挥。 载荷控制站：载荷控制站与无人机控制站的功能类似，但载荷控制站只能控制无人机的机载 任务设备，不能进行无人机的飞行控制。 控制站 地面控制站内的飞行控制席位、任务设备控制席位、数据链管 理席位都设有相应分系统的显示装置，因此需综合规划，确定所 显示的内容、方式、范围。 A 、飞行参数综合显示 飞行与导航信息、数据链状态信息、设 备状态信息、指令信息 B 、告警视觉 一般分为提示、注意和警告三个级别 C 、地图航迹显示 导航信息显示、航迹绘制显示以及地理信息的显示。 控制站 - 显示 & 操作系统 飞行操纵 无人机操纵与控制主要包括起降操纵、飞行操纵、任务设 备（载荷）控制和数据链管理等。 无人机的系统组成 系统组成 控制站 飞行器 通信链路 显示系统 操纵系统 机载 地面 飞行平台 动力装置 导航飞控 电气系统 任务设备 无人机通讯链路：主要用于无人机系统传输控制、无载荷通讯、载荷通讯三部分信息的无线 电链路。 根据 ITU-R M.2171 报告给出的无人机系统通讯链路是指控制和无载荷链路，主要包括：指 挥与控制（ C&C ），空中交通管制（ ATC ），感知和规避（ S&A ）三种链路。 无人机的系统组成 - 通讯链 路 机载终端与天线 无人机系统通讯链路机载终端常被称为机载电台，集成于机 载设备中。视距内通讯的无人机多数安装全向天线，需要进 行超视距通讯的无人机一般采用自跟踪抛物面卫通天线。 地面终端与天线 民用通讯链路的地面终端硬件一般会被集成到控制站系统中，称 作地面电台，部分地面终端会有独立的显示控制界面。视距内通 讯链路地面天线采用鞭状天线、八木天线和自跟踪抛物面天线， 需要进行超视距通讯的控制站还会采用固定卫星通讯天线。 通讯链路分类 课堂 Q&A Q1 ：无人机指挥控制非系统相对于 传统飞机是什么？ Q2 ：民用无人机常用的发动机有哪 些？ 无人机的主要基础技术 PART 4 无人机主要基础技术 1 无人机遥感技术 2 无人机通讯技术 3 无人机自主控制技术 4 无人机材料技术 无人机遥感（ Unmanned Aerial Vehicle Remote Sensing ), 即利用先进的无人驾驶飞行器技术、 遥感传感器技术、遥测遥控技术、通讯技术、 GPS 差分定位技术和遥感应用技术，能够实现自动化、 智能化、专用化快速获取国土资源、自然环境、地震灾区等空间遥感信息，且完成遥感数据处理、 建模和应用分析的应用技术。 无人机遥感系统由于具有机动、快速、经济等优势，已经成为未来的主要航空遥感技术之一 无人机遥感技术在苏州地籍测绘项目中成功应用 无人机遥感技术 无人机通信利用通讯数据链通信。通讯链稳定性好可以做到可工作在各种恶劣的环境下，温 度 范围 -40℃~+70℃ 。支持远距离传输 60-100km ，主要是用于飞控及机载（ GPS 、飞行姿态、 航点、传感器）数据的传输。 无人机上的远距离数据链传输，能实时传回无人机的各种数据，以及稳定的视频画面。地面 控制人员还能随时发出指令，下达新的任务规划。 无人机通讯 | 数据传输 | 图像传输功率放大器 无人机通讯技术 无人机系统自主控制是指在不需要人的干预条件下 , 系统通过在线环境感知和信息处理 , 自主 生成优化的控制策略 , 完成各种战略和战术任务 , 并且具有快速而有效的任务自适应能力。 无人机系统自主控制面临的挑战包括复杂、非结构化、意外的动态环境 , 不确定的、意外的事 件和态势 , 远距离长航时条件下复杂网络通信链路故障、突发系统故障、实时外部威胁等环境不确 定性 无人机自主控制技术 主要包括：机体材料（包括结构材料和非结构材料）、发动机材料和涂料，其中最主要的是机体 结构材料和发动机材料，结构材料应具有高的比强度和比刚度，以减轻飞机的结构重量，改善飞 行性能或增加经济效益，还应具有良好的可加工性，便于制成所需要的零件。 玻璃纤维 碳纤维 树脂 无人机材料技术 无人机的优缺点 优点 1 2 3 4 避免牺牲空勤人员，因为飞机上不需要飞行人员，所以最大可能地保障了人的生命安全。 无人机尺寸相对较小，设计时不受驾驶员生理条件限制，可以有很大的工作强度，不需要人员 生存保障系统和应急救生系统等，大大地减轻了飞机重量。 制造成本与寿命周期费用低，没有昂贵的训练费用和维护费用，机体使用寿命长，检修和维护 简单。 无人机的技术优势是能够定点起飞，降落，对起降场地的条件要求不高，可以通过无线电遥 控 或通过机载计算机实现远程遥控。 无人机的优缺点 缺点 1 2 3 4 5 主要表现在生存力低，在与有较强防空能力的敌人作战时，无优势可言。 无人机速度慢，抗风和气流能力差，在大风和乱流的飞行中，飞机易偏离飞行线路，难以保持 平稳的飞行姿态。 无人机受天气影响较大，结冰的飞行高度比过去预计的要低，在海拔 3000-4500m 的高度上， 连续飞行 10-15min 后会使飞机受损。 无人机的应变能力不强，不能应付意外事件，当有强信号干扰时，易造成接收机与地面工作 站失去联系。 无人机机械部分也有出现故障的可能，一旦出现电子设备失灵现象，那对无人机以及机载设备 将是致命的。 课堂互动 电影《湄公河行动》里也有无人机的大量使用，请同学们通过观看无人机使用片端，分组讨论 : 应用到了哪些无人机技术？ 课后作业 1 、无人机和传统飞机相比有哪些优点和缺点？ 2 、假如你作为本校校庆活动的负责人，需要制作校庆航拍记录视频，你 会选择什么样的无人机作为拍摄工具？同时说明该款无人机有哪些部件 组成。并说说这么选择的理由 ? THANK YOU