《无人机结构与系统》教学课件—01绪论.ppt

1、绪论 无人机（Unmanned Aerial Vehicle，缩写为UAV）即无人驾驶航空器，因其具有体积小、造价低、使用方便、无人员伤亡、对环境要求低、生存能力强、用途广泛等优点，广泛应用于快递运输、灾难救援、测绘、新闻报道、电力巡检、影视拍摄等民用领域。为了让读者对无人机有个宏观系统的学习，本章主要介绍了无人机定义、无人机的分类、无人机的特点和对比分析、无人机发展及无人机系统组成和性能指标。学习导论绪论学习目标1.掌握无人机定义及分类；2.了解无人机的特点和对比分析及无人机发展；3.掌握无人机系统组成；4.了解无人机的性能指标。绪论绪论无人机概述第一节无人机系统组成及性能指标第二节无人机和

2、航空模型无人机的分类无人机的特点及对比分析无人机的发展无人机系统组成无人机的性能指标绪论无人机和航空模型 无人机（Unmanned Aerial Vehicle，缩写为UAV）即无人驾驶航空器，是采用无线电遥控设备或由自身程序控制装置操控的通用航空器。与载人飞机相比，具有体积小、造价低、使用方便、无人员伤亡、对环境要求低、生存能力强、用途广泛等优点。因此，无人机在现代及未来战争中起到极其重要的作用，同时，在民用领域也有广阔的前景。航空模型俗称航模，是一种以某种航空器的实际尺寸按一定比例制作，并能在空中飞行的模型。国际航空联合会（FAI）明确规定，航空模型是一种重于空气、有尺寸限制、带有或不带有

3、发动机、可遥控、不能载人的航空器。无人机与航空模型的本质区别在于无人机有飞行控制系统（类似大脑），可人工遥控控制亦可自主控制；而航空模型没有飞行控制系统，只能进行人工遥控控制。绪论无人机的分类1.按平台构型分类A.固定翼无人机B.旋翼无人机a)无人直升机b)多旋翼无人机E.伞翼无人机C.扑翼无人机D.无人飞艇绪论无人机的分类1.1.最主要的5种平台构型常规布局双尾撑式无尾布局直升机四旋翼绪论无人机的分类2.按质量分类空机质量小于等于7 kg的无人机空机质量大于7 kg，且小于等于116 kg的无人机，且全马力平飞中，校正空速小于100 km/h，升限小于3000 m空机质量小于等于5700kg

4、，且微型和轻型无人机除外的无人机空机质量大于5700 kg的无人机大型无人机微型无人机轻型无人机小型无人机绪论无人机的分类3.按活动半径分类超近程超近程远程远程 航程是无人机的重要性能，它是指起飞后中途不加油能够飞越的距离。而活动半径是指25%40%的航程。按活动半径把无人机分为超近程、近程、短程、中程和远程无人机五种近程近程短程短程中程中程活动半径在15 km以内15 km到50 km之间50 km到200 km之间200 km到800 km之间活动半径大于800 km绪论无人机的分类4.按任务高度分类0-100m100-1000m超低空无人机超高空无人机低空无人机中空无人机高空无人机100

5、0-7000m7000-18000m大于18000m绪论无人机的分类0103军用军用无人机对于灵敏度、飞行高度与速度智能化等要求最高，也是技术水平最高的无人机。根据航程、活动半径、续航时间和飞行高度可把军用无人机分为战术和战略两大类；按作战任务可把军用无人机分为侦察监视、校射、电子战、通信中继、攻击、运输和靶机等七类.工业级工业级无人机一般会根据行业需求不同搭载各种专业探测设备，比如红外热像仪、激光雷达、高光谱相机、大气探测器等等，主要用于各行各业的日常工作中。一般要求无人机具有一定的防护措施来降低意外带来的自身损害和连带伤害，要拥有尽量长的航时、尽量远的通信距离，还要求有足够的可靠性来满足长

6、年累月的重复使用。因为工业级无人机主要面向行业用户定制生产，所以，产量一般不大，售价较高。0204民用民用无人机一般对于速度、升限和航程等要求都较低，但对人员操作培训、综合成本有较高的要求，因此需要配套低廉的零部件和售后服务。民用无人机主要用于地质勘查、地形测绘、农作物病虫害防治、农作物产量评估、森林防火、汛情监视、交通管制、气象监测等方面。目前，民用无人机最大的市场还在于为政府提供公共服务，约占总需求的70%。未来无人机发展潜力最大的市场应在民用领域，诸如农业植保、空中无线网络以及数据获取等。消费级消费级无人机一般搭载相机、摄像头等一类拍摄设备，根据需要再配云台和图传电台等，满足消费者的娱乐

7、需求。消费级无人机大多针对普通消费者或者航拍爱好者，一般要求无人机便携和易操作，且价格便宜。5.按使用领域分类绪论无人机的分类6.按控制模式分类 遥控式无人机是由地面人员通过无线电发送指令并有效控制飞行的无人机。操控员实时操纵控制遥控器面板上的操纵干和按钮，由遥控器发射机发出对应的无线电指令信号传输到无人机的遥控接收机上，用指令控制无人机飞行的高度、速度、航向等参数，并实施预定的飞行和工作计划。自主式无人机是按预先输入的程序指令，自动飞行并执行预定任务的无人机，也称为时间程序控制型无人机 半自主式无人机是在有地面控制指令时按控制指令飞行，当无地面控制指令时按预编程序指令飞行的无人机。操控员通过

8、飞行管理系统界面去执行任务或改变任务，在没有输入控制指令情况下，无人机将实施预编程序的自动飞行 三者兼备式无人机具有遥控式、半自主式和自主式功能的无人机.遥控式无人机自主式无人机半自主式无人机三者兼备式绪论无人机的分类电动式无人机大多都采用无刷电机作为动力装置，由聚合物锂电池或燃料电池提供能量。电动机是一种旋转式电动机器，它将电能转变为机械能，无人机在飞行中为了实现前进、后退、侧飞和转弯等，采用电调控制无刷电机的转速。具有结构简单、重量轻、维护方便等优点，其缺点是载重小、续航时间短、电池消耗大等。油动式无人机通常采用活塞式发动机或涡轮轴发动机作为动力装置。具有抗风能力强、续航时间长、载重大等优

9、点，但稳定性差、操作复杂、场地适应性差、危险性大等缺点。油电混合式无人机通常采用燃油发动机和电动机作为动力装置，燃油发动机发电，再驱动电动机。具有结构简单、载重大、续航时间长、适用范围广等优点。继承了电动式无人机和油动式无人机的优点，并克服了它们的缺点。电动式无人机油动式无人机油电混合式无人机7.按动力装置分类绪论无人机的特点及对比分析固定翼无人机 固定翼无人机在三类无人机中续航时间最长、飞行效率最高、载荷最大、飞行稳定性高，但在起飞的时必须要助跑或者借助器械弹射，降落的时候必须要滑行或是利用降落伞降落无人直升机 无人直升机可垂直起降、无需跑道、地形适应能力强，但机械结构复杂、维护成本高、续航

10、及速度都低于固定翼无人机。多旋翼无人机多旋翼无人机能够实现垂直起降，并且自身机械结构简单，无机械磨损；但其续航及载重在三种飞行器当中是最低的。1.无人机的特点1423固定翼无人机可以以较低功率进行巡航，而无人直升机螺旋桨产生的升力必须一直大于或等于机身的重量，所以固定翼无人机的飞行效率是最高的；而无人机直升机与多旋翼无人机相比，其螺旋桨直径更大，气动效率更高1、在续航和载重方面拥有飞行控制系统的多旋翼无人机起降简单、操作易上手，其操纵难度是最低的；固定翼无人机起降较复杂、空中操作较简单；无人直升机操作复杂、并且其在飞行时会产生较大的气浪声，容易对操纵造成心理压力。3、在操作难易度方面固定翼无人

11、机的起降必须借助跑道或者专用器械，所以其起降的便利性是最低的；多旋翼无人机和无人直升机都可以垂直起降，起降便利差别不大。2、在起降便利性方面多旋翼无人机没有传动部件，唯一旋转的部件就是螺旋桨，所以其工作可靠性是较高的；固定翼无人机工作可靠性也较高，但是其内部有进行传动控制的结构，降低了可靠性；无人直升机拥有复杂的传动结构、减速结构、控制结构，工作可靠性相对较低。4、在工作可靠性方面2.固定翼无人机、无人直升机和多旋翼无人机的对比分析绪论无人机的特点及对比分析绪论无人机的特点及对比分析3.多旋翼无人机与单旋翼无人直升机的比较142536飞行效率操控性飞行控制方式可靠性结构安全性78维护性耦合特性

12、多旋翼飞行效率要高多旋翼飞行控制非常简单多旋翼机械结构简单多旋翼操控更加简单灵活多旋翼无人机活动部件少故障率低，可靠性高由于多旋翼的旋翼多 冗余度更高，因而其安全性更好多旋翼无人机传动结构简单，维护简便；采用通用、标准化零部件多，互换性好多旋翼具有高度的耦合特性绪论无人机的特点及对比分析4.电动式无人机与油动式无人机的对比分析续航能力油动式优于电动式载重能力油动式优于电动式旋翼尺寸油动式优于电动式操控性油动式优于电动式安全性油动式优于电动式抗风能力油动式优于电动式价格和成本油动式优于电动式载客特性油动式优于电动式绪论无人机的发展1.军用无人机进展123起步阶段（1917-1963）无人机第一次

13、大规模应用于战争开始于20世纪60年代至70年代的美军侵越战争实用阶段（1964-1990）崛起阶段（1991-2009）第一个浪潮是发展师级战术无人机系统第二个浪潮是发展中高空长航时无人机系统第三个浪潮是发展旅/团级战术无人机系统绪论无人机的发展2.民用无人机发展概况的特点11983年，日本雅马哈公司就采用摩托车发动机，开发了一种用于喷洒农药的无人直升机。日本日本22003年，NASA成立了世界级的无人机应用中心美国美国42008年给予“苍鹭”无人机非军事任务执行证书，并与有关部门合作开展了多种民用任务的试验.以色列以色列52006年，欧洲制定并即刻实施了“民用无人机发展路线图”.欧洲欧洲3

14、墨西哥湾钻井平台爆炸后，艾伦实验室公司用无人机协助进行了溢油监测和溢油处理墨西哥墨西哥6早在20世纪80年代，中国就尝试将自行开发的无人机用于地图测绘和地质勘探中国中国绪论 无人机系统组成2.1 无人机系统组成无人机系统（Unmanned AeriaI System，UAS）是指由无人机、相关的遥控站、所需的指令与控制数据链路以及任务设备组成的系统，该系统主要由无人机机体平台分系统、航电分系统、地面站分系统、任务设备分系统及地面保障设备分系统五部分组成。.1、机体平台分系统、机体平台分系统该系统主要由结构系统及动力系统两部分组成。以多旋翼为例，简单介绍两部分。结构系统是其他所有机载设备、模块的

15、载体，主要包括机架和起落架。动力系统主要包括螺旋桨、电机、电调及电池2、航电分系统、航电分系统该系统主要由飞行控制系统和导航系统两部分组成，承担着无人机飞行控制、导航、数据通讯管理、执行相关任务等工作，是无人机系统中核心组成部分。3、地面站分系统、地面站分系统该系统是整个无人机系统的指挥控制中心，通过地面站系统可以对无人机的各种飞行数据和任务设备状况等进行实时地监控，以便当应急情况发生时能够及时地采取相应处理措施来保证无人机的安全，同时方便事前规划和事后分析处理。地面站分系统主要由通信链路、地面控制站和地面站软件组成。5、地面保障设备分系统、地面保障设备分系统该系统主要由无人机运输与发射或起飞

16、保障设备和降落或回收保障设备组成，是为了保证无人机顺利飞行和完成指定的任务。4、任务设备分系统、任务设备分系统该系统主要由任务载荷及其相配套的系列机载和地面设备共同组成。任务设备分系统的具体组成和无人机所执行的任务相关，根据任务的不同，同一型号的无人机也可装载不同的任务设备，通常将军用无人机任务设备分系统分为侦察设备、电子战设备、攻击设备、通信中继设备等；民用无人机任务设备主要有数字航空照相机、可见光电视摄像机、红外热像仪和合成孔径雷达（SAR），其中数字（航空）照相机、可见光电视摄像机主要执行昼间侦察任务，红外热像仪主要执行夜间侦察任务，合成孔径雷达（SAR）主要执行全天候侦察任务。此外，为

17、了完成侦察目标定位、指示等任务，还可安装激光测距或目标指示设备等绪论 无人机系统组成2.2 无人机的性能指标起飞重量无人机在起飞前的重量。这时发动机尚未启动，起飞重量应不大于最大起飞重量。最大平飞速度在一定飞行高度，无人机所能达到的最大定常水平飞行速度。最大起飞重量依据无人机的设计或运行限制，无人机起飞时所能容许的最大重量。巡航速度无人机飞行过程中，单位距离消耗能源最少的速度称为巡航速度续航时间无人机在不进行能源补充的情况下，耗尽动力能源所能持续飞行的时间。绝对高度无人机至平均海平面的垂直距离。临界高度在此高度以上，无人机无法获得满意性能的高度。真实高度无人机与其正下方地球表面或地形之间的垂直距离。