無人機(jī)結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)緒論課件

無人機(jī)結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)緒論緒論

無人機(jī)（UnmannedAerialVehicle，縮寫為UAV）即無人駕駛航空器，因其具有體積小、造價(jià)低、使用方便、無人員傷亡、對(duì)環(huán)境要求低、生存能力強(qiáng)、用途廣泛等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于快遞運(yùn)輸、災(zāi)難救援、測(cè)繪、新聞報(bào)道、電力巡檢、影視拍攝等民用領(lǐng)域。為了讓讀者對(duì)無人機(jī)有個(gè)宏觀系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，本章主要介紹了無人機(jī)定義、無人機(jī)的分類、無人機(jī)的特點(diǎn)和對(duì)比分析、無人機(jī)發(fā)展及無人機(jī)系統(tǒng)組成和性能指標(biāo)。學(xué)習(xí)導(dǎo)論緒論緒論學(xué)習(xí)目標(biāo)1.掌握無人機(jī)定義及分類；2.了解無人機(jī)的特點(diǎn)和對(duì)比分析及無人機(jī)發(fā)展；3.掌握無人機(jī)系統(tǒng)組成；4.了解無人機(jī)的性能指標(biāo)。緒論緒論無人機(jī)概述第一節(jié)無人機(jī)系統(tǒng)組成及性能指標(biāo)第二節(jié)無人機(jī)和航空模型無人機(jī)的分類無人機(jī)的特點(diǎn)及對(duì)比分析無人機(jī)的發(fā)展無人機(jī)系統(tǒng)組成無人機(jī)的性能指標(biāo)緒論無人機(jī)和航空模型無人機(jī)航空模型

無人機(jī)（UnmannedAerialVehicle，縮寫為UAV）即無人駕駛航空器，是采用無線電遙控設(shè)備或由自身程序控制裝置操控的通用航空器。與載人飛機(jī)相比，具有體積小、造價(jià)低、使用方便、無人員傷亡、對(duì)環(huán)境要求低、生存能力強(qiáng)、用途廣泛等優(yōu)點(diǎn)。因此，無人機(jī)在現(xiàn)代及未來戰(zhàn)爭(zhēng)中起到極其重要的作用，同時(shí)，在民用領(lǐng)域也有廣闊的前景。航空模型俗稱航模，是一種以某種航空器的實(shí)際尺寸按一定比例制作，并能在空中飛行的模型。國(guó)際航空聯(lián)合會(huì)（FAI）明確規(guī)定，航空模型是一種重于空氣、有尺寸限制、帶有或不帶有發(fā)動(dòng)機(jī)、可遙控、不能載人的航空器。

無人機(jī)與航空模型的本質(zhì)區(qū)別在于無人機(jī)有飛行控制系統(tǒng)（類似大腦），可人工遙控控制亦可自主控制；而航空模型沒有飛行控制系統(tǒng)，只能進(jìn)行人工遙控控制。緒論無人機(jī)的分類1.按平臺(tái)構(gòu)型分類A.固定翼無人機(jī)B.旋翼無人機(jī)a)無人直升機(jī)b)多旋翼無人機(jī)E.傘翼無人機(jī)C.撲翼無人機(jī)D.無人飛艇緒論無人機(jī)的分類1.1.最主要的5種平臺(tái)構(gòu)型常規(guī)布局雙尾撐式無尾布局直升機(jī)四旋翼緒論無人機(jī)的分類2.按質(zhì)量分類空機(jī)質(zhì)量小于等于7kg的無人機(jī)空機(jī)質(zhì)量大于7kg，且小于等于116kg的無人機(jī)，且全馬力平飛中，校正空速小于100km/h，升限小于3000m空機(jī)質(zhì)量小于等于5700kg，且微型和輕型無人機(jī)除外的無人機(jī)空機(jī)質(zhì)量大于5700kg的無人機(jī)大型無人機(jī)微型無人機(jī)輕型無人機(jī)小型無人機(jī)緒論無人機(jī)的分類3.按活動(dòng)半徑分類超近程遠(yuǎn)程航程是無人機(jī)的重要性能，它是指起飛后中途不加油能夠飛越的距離。而活動(dòng)半徑是指25%~40%的航程。按活動(dòng)半徑把無人機(jī)分為超近程、近程、短程、中程和遠(yuǎn)程無人機(jī)五種近程短程中程活動(dòng)半徑在15km以內(nèi)15km到50km之間50km到200km之間200km到800km之間活動(dòng)半徑大于800km緒論無人機(jī)的分類4.按任務(wù)高度分類0-100m100-1000m超低空無人機(jī)超高空無人機(jī)低空無人機(jī)中空無人機(jī)高空無人機(jī)1000-7000m7000-18000m大于18000m緒論無人機(jī)的分類0103軍用軍用無人機(jī)對(duì)于靈敏度、飛行高度與速度智能化等要求最高，也是技術(shù)水平最高的無人機(jī)。根據(jù)航程、活動(dòng)半徑、續(xù)航時(shí)間和飛行高度可把軍用無人機(jī)分為戰(zhàn)術(shù)和戰(zhàn)略兩大類；按作戰(zhàn)任務(wù)可把軍用無人機(jī)分為偵察監(jiān)視、校射、電子戰(zhàn)、通信中繼、攻擊、運(yùn)輸和靶機(jī)等七類.工業(yè)級(jí)工業(yè)級(jí)無人機(jī)一般會(huì)根據(jù)行業(yè)需求不同搭載各種專業(yè)探測(cè)設(shè)備，比如紅外熱像儀、激光雷達(dá)、高光譜相機(jī)、大氣探測(cè)器等等，主要用于各行各業(yè)的日常工作中。一般要求無人機(jī)具有一定的防護(hù)措施來降低意外帶來的自身?yè)p害和連帶傷害，要擁有盡量長(zhǎng)的航時(shí)、盡量遠(yuǎn)的通信距離，還要求有足夠的可靠性來滿足長(zhǎng)年累月的重復(fù)使用。因?yàn)楣I(yè)級(jí)無人機(jī)主要面向行業(yè)用戶定制生產(chǎn)，所以，產(chǎn)量一般不大，售價(jià)較高。0204民用民用無人機(jī)一般對(duì)于速度、升限和航程等要求都較低，但對(duì)人員操作培訓(xùn)、綜合成本有較高的要求，因此需要配套低廉的零部件和售后服務(wù)。民用無人機(jī)主要用于地質(zhì)勘查、地形測(cè)繪、農(nóng)作物病蟲害防治、農(nóng)作物產(chǎn)量評(píng)估、森林防火、汛情監(jiān)視、交通管制、氣象監(jiān)測(cè)等方面。目前，民用無人機(jī)最大的市場(chǎng)還在于為政府提供公共服務(wù)，約占總需求的70%。未來無人機(jī)發(fā)展?jié)摿ψ畲蟮氖袌?chǎng)應(yīng)在民用領(lǐng)域，諸如農(nóng)業(yè)植保、空中無線網(wǎng)絡(luò)以及數(shù)據(jù)獲取等。消費(fèi)級(jí)消費(fèi)級(jí)無人機(jī)一般搭載相機(jī)、攝像頭等一類拍攝設(shè)備，根據(jù)需要再配云臺(tái)和圖傳電臺(tái)等，滿足消費(fèi)者的娛樂需求。消費(fèi)級(jí)無人機(jī)大多針對(duì)普通消費(fèi)者或者航拍愛好者，一般要求無人機(jī)便攜和易操作，且價(jià)格便宜。5.按使用領(lǐng)域分類緒論無人機(jī)的分類6.按控制模式分類遙控式無人機(jī)是由地面人員通過無線電發(fā)送指令并有效控制飛行的無人機(jī)。操控員實(shí)時(shí)操縱控制遙控器面板上的操縱干和按鈕，由遙控器發(fā)射機(jī)發(fā)出對(duì)應(yīng)的無線電指令信號(hào)傳輸?shù)綗o人機(jī)的遙控接收機(jī)上，用指令控制無人機(jī)飛行的高度、速度、航向等參數(shù)，并實(shí)施預(yù)定的飛行和工作計(jì)劃。自主式無人機(jī)是按預(yù)先輸入的程序指令，自動(dòng)飛行并執(zhí)行預(yù)定任務(wù)的無人機(jī)，也稱為時(shí)間程序控制型無人機(jī)半自主式無人機(jī)是在有地面控制指令時(shí)按控制指令飛行，當(dāng)無地面控制指令時(shí)按預(yù)編程序指令飛行的無人機(jī)。操控員通過飛行管理系統(tǒng)界面去執(zhí)行任務(wù)或改變?nèi)蝿?wù)，在沒有輸入控制指令情況下，無人機(jī)將實(shí)施預(yù)編程序的自動(dòng)飛行三者兼?zhèn)涫綗o人機(jī)具有遙控式、半自主式和自主式功能的無人機(jī).遙控式無人機(jī)自主式無人機(jī)半自主式無人機(jī)三者兼?zhèn)涫骄w論無人機(jī)的分類電動(dòng)式無人機(jī)大多都采用無刷電機(jī)作為動(dòng)力裝置，由聚合物鋰電池或燃料電池提供能量。電動(dòng)機(jī)是一種旋轉(zhuǎn)式電動(dòng)機(jī)器，它將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，無人機(jī)在飛行中為了實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、側(cè)飛和轉(zhuǎn)彎等，采用電調(diào)控制無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)是載重小、續(xù)航時(shí)間短、電池消耗大等。油動(dòng)式無人機(jī)通常采用活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)或渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力裝置。具有抗風(fēng)能力強(qiáng)、續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)、載重大等優(yōu)點(diǎn)，但穩(wěn)定性差、操作復(fù)雜、場(chǎng)地適應(yīng)性差、危險(xiǎn)性大等缺點(diǎn)。油電混合式無人機(jī)通常采用燃油發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力裝置，燃油發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電，再驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、載重大、續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。繼承了電動(dòng)式無人機(jī)和油動(dòng)式無人機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，并克服了它們的缺點(diǎn)。電動(dòng)式無人機(jī)油動(dòng)式無人機(jī)油電混合式無人機(jī)7.按動(dòng)力裝置分類緒論無人機(jī)的特點(diǎn)及對(duì)比分析固定翼無人機(jī)固定翼無人機(jī)在三類無人機(jī)中續(xù)航時(shí)間最長(zhǎng)、飛行效率最高、載荷最大、飛行穩(wěn)定性高，但在起飛的時(shí)必須要助跑或者借助器械彈射，降落的時(shí)候必須要滑行或是利用降落傘降落無人直升機(jī)無人直升機(jī)可垂直起降、無需跑道、地形適應(yīng)能力強(qiáng)，但機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護(hù)成本高、續(xù)航及速度都低于固定翼無人機(jī)。多旋翼無人機(jī)多旋翼無人機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)垂直起降，并且自身機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無機(jī)械磨損；但其續(xù)航及載重在三種飛行器當(dāng)中是最低的。1.無人機(jī)的特點(diǎn)1423固定翼無人機(jī)可以以較低功率進(jìn)行巡航，而無人直升機(jī)螺旋槳產(chǎn)生的升力必須一直大于或等于機(jī)身的重量，所以固定翼無人機(jī)的飛行效率是最高的；而無人機(jī)直升機(jī)與多旋翼無人機(jī)相比，其螺旋槳直徑更大，氣動(dòng)效率更高1、在續(xù)航和載重方面擁有飛行控制系統(tǒng)的多旋翼無人機(jī)起降簡(jiǎn)單、操作易上手，其操縱難度是最低的；固定翼無人機(jī)起降較復(fù)雜、空中操作較簡(jiǎn)單；無人直升機(jī)操作復(fù)雜、并且其在飛行時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的氣浪聲，容易對(duì)操縱造成心理壓力。3、在操作難易度方面固定翼無人機(jī)的起降必須借助跑道或者專用器械，所以其起降的便利性是最低的；多旋翼無人機(jī)和無人直升機(jī)都可以垂直起降，起降便利差別不大。2、在起降便利性方面多旋翼無人機(jī)沒有傳動(dòng)部件，唯一旋轉(zhuǎn)的部件就是螺旋槳，所以其工作可靠性是較高的；固定翼無人機(jī)工作可靠性也較高，但是其內(nèi)部有進(jìn)行傳動(dòng)控制的結(jié)構(gòu)，降低了可靠性；無人直升機(jī)擁有復(fù)雜的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)、減速結(jié)構(gòu)、控制結(jié)構(gòu)，工作可靠性相對(duì)較低。4、在工作可靠性方面2.固定翼無人機(jī)、無人直升機(jī)和多旋翼無人機(jī)的對(duì)比分析緒論無人機(jī)的特點(diǎn)及對(duì)比分析緒論無人機(jī)的特點(diǎn)及對(duì)比分析3.多旋翼無人機(jī)與單旋翼無人直升機(jī)的比較142536飛行效率操控性飛行控制方式可靠性結(jié)構(gòu)安全性78維護(hù)性耦合特性多旋翼飛行效率要高多旋翼飛行控制非常簡(jiǎn)單多旋翼機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單多旋翼操控更加簡(jiǎn)單靈活多旋翼無人機(jī)活動(dòng)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無人機(jī)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)簡(jiǎn)便；采用通用、標(biāo)準(zhǔn)化零部件多，互換性好多旋翼具有高度的耦合特性緒論無人機(jī)的特點(diǎn)及對(duì)比分析4.電動(dòng)式無人機(jī)與油動(dòng)式無人機(jī)的對(duì)比分析續(xù)航能力油動(dòng)式優(yōu)于電動(dòng)式載重能力油動(dòng)式優(yōu)于電動(dòng)式旋翼尺寸油動(dòng)式優(yōu)于電動(dòng)式操控性油動(dòng)式優(yōu)于電動(dòng)式安全性油動(dòng)式優(yōu)于電動(dòng)式抗風(fēng)能力油動(dòng)式優(yōu)于電動(dòng)式價(jià)格和成本油動(dòng)式優(yōu)于電動(dòng)式載客特性油動(dòng)式優(yōu)于電動(dòng)式緒論無人機(jī)的發(fā)展1.軍用無人機(jī)進(jìn)展123起步階段（1917-1963）無人機(jī)第一次大規(guī)模應(yīng)用于戰(zhàn)爭(zhēng)開始于20世紀(jì)60年代至70年代的美軍侵越戰(zhàn)爭(zhēng)實(shí)用階段（1964-1990）崛起階段（1991-2009）第一個(gè)浪潮是發(fā)展師級(jí)戰(zhàn)術(shù)無人機(jī)系統(tǒng)第二個(gè)浪潮是發(fā)展中高空長(zhǎng)航時(shí)無人機(jī)系統(tǒng)第三個(gè)浪潮是發(fā)展旅/團(tuán)級(jí)戰(zhàn)術(shù)無人機(jī)系統(tǒng)緒論無人機(jī)的發(fā)展2.民用無人機(jī)發(fā)展概況的特點(diǎn)11983年，日本雅馬哈公司就采用摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)，開發(fā)了一種用于噴灑農(nóng)藥的無人直升機(jī)。日本22003年，NASA成立了世界級(jí)的無人機(jī)應(yīng)用中心美國(guó)42008年給予“蒼鷺”無人機(jī)非軍事任務(wù)執(zhí)行證書，并與有關(guān)部門合作開展了多種民用任務(wù)的試驗(yàn).以色列52006年，歐洲制定并即刻實(shí)施了“民用無人機(jī)發(fā)展路線圖”.歐洲3墨西哥灣鉆井平臺(tái)爆炸后，艾倫實(shí)驗(yàn)室公司用無人機(jī)協(xié)助進(jìn)行了溢油監(jiān)測(cè)和溢油處理墨西哥6早在20世紀(jì)80年代，中國(guó)就嘗試將自行開發(fā)的無人機(jī)用于地圖測(cè)繪和地質(zhì)勘探中國(guó)緒論

無人機(jī)系統(tǒng)組成2.1無人機(jī)系統(tǒng)組成20無人機(jī)系統(tǒng)（UnmannedAeriaISystem，UAS）是指由無人機(jī)、相關(guān)的遙控站、所需的指令與控制數(shù)據(jù)鏈路以及任務(wù)設(shè)備組成的系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由無人機(jī)機(jī)體平臺(tái)分系統(tǒng)、航電分系統(tǒng)、地面站分系統(tǒng)、任務(wù)設(shè)備分系統(tǒng)及地面保障設(shè)備分系統(tǒng)五部分組成。.1、機(jī)體平臺(tái)分系統(tǒng)該系統(tǒng)主要由結(jié)構(gòu)系統(tǒng)及動(dòng)力系統(tǒng)兩部分組成。以多旋翼為例，簡(jiǎn)單介紹兩部分。結(jié)構(gòu)系統(tǒng)是其他所有機(jī)載設(shè)備、模塊的載體，主要包括機(jī)架和起落架。動(dòng)力系統(tǒng)主要包括螺旋槳、電機(jī)、電調(diào)及電池2、航電分系統(tǒng)該系統(tǒng)主要由飛行控制系統(tǒng)和導(dǎo)航系統(tǒng)兩部分組成，承擔(dān)著無人機(jī)飛行控制、導(dǎo)航、數(shù)據(jù)通訊管理、執(zhí)行相關(guān)任務(wù)等工作，是無人機(jī)系統(tǒng)中核心組成部分。3、地面站分系統(tǒng)該系統(tǒng)是整個(gè)無人機(jī)系統(tǒng)的指揮控制中心，通過地面站系統(tǒng)可以對(duì)無人機(jī)的各種飛行數(shù)據(jù)和任務(wù)設(shè)備狀況等進(jìn)行實(shí)時(shí)地監(jiān)控，以便當(dāng)應(yīng)急情況發(fā)生時(shí)能夠及時(shí)地采取相應(yīng)處理措施來保證無人機(jī)的安全，同時(shí)方便事前規(guī)劃和事后分析處理。地面站分系統(tǒng)主要由通信鏈路、地面控制站和地面站軟件組成。5、地面保障設(shè)備分系統(tǒng)該系統(tǒng)主要由無人機(jī)運(yùn)輸與發(fā)射或起飛保障設(shè)備和降落或回收保障設(shè)備組成，是為了保證無人機(jī)順利飛行和完成指定的任務(wù)。4、任務(wù)設(shè)備分系統(tǒng)該系統(tǒng)主要由任務(wù)載荷及其相配套的系列機(jī)載和地面設(shè)備共同組成。任務(wù)設(shè)備分系統(tǒng)的具體組成和無人機(jī)所執(zhí)行的任務(wù)相關(guān)，根據(jù)任務(wù)的不同，同一型號(hào)的無人機(jī)也可裝載不同的任務(wù)設(shè)備，通常將軍用無人機(jī)任務(wù)設(shè)備分系統(tǒng)分為偵察設(shè)備、電子戰(zhàn)設(shè)備、攻擊設(shè)備、通信中繼設(shè)備等；民用無人機(jī)任務(wù)設(shè)備主要有數(shù)字航空照相機(jī)、可見光電視攝像機(jī)、紅外熱像儀和合成孔徑雷達(dá)（SAR），其中數(shù)字（航空）照相機(jī)、可見光電視攝像機(jī)主要執(zhí)行晝間偵察任務(wù)，紅外熱像儀主要執(zhí)行夜間偵察任務(wù)，合成孔徑雷達(dá)（SAR）主要執(zhí)行全天候偵察任務(wù)。此外，為了完成偵察目標(biāo)定位、指示等任務(wù)，還可安裝激光測(cè)距或目標(biāo)指示設(shè)備等緒論

無人機(jī)系統(tǒng)組成2.2