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1、无人机系统组成,无人机发展和系统组成,典型的无人机系统由飞行器平台、动力装置、导航系统、飞行控制系统、控制站、电气系统、通信链路、任务载荷以及其他部件等组成。,2.1 飞行器平台,飞行器平台是无人机最基本的组成部分，是无人机的主体，它将动力装置、导航系统、任务载荷以及其他部件组合成一个整体，实现无人机在空中的飞行。 与有人驾驶飞机一样，无人机飞行器平台可以根据获得升力的方式不同分为两大类：一类是轻于空气的飞行器，它们依靠空气的静浮力而升空，如气球、飞艇；另一类是重于空气的飞行器，它们依靠与空气的相对运动产生升力而升空，如飞机、直升机、旋翼机、扑翼机等。无人机系统飞行器平台主要使用的是重于空气的
2、带动力驱动的航空器。,固定翼平台,直升机平台,多旋翼平台,扑翼机平台,浮空器平台,从结构本身来讲，无人机飞行器平台和有人驾驶飞机并无本质的区别，但无人机飞行器平台结构相对简单，其特点主要体现在以下几个方面： （1）无须生命支持系统，平台规模尺度较小，更加简化。无人机上由于没有驾驶员，所以不需要座舱及相关设备，这样就可以进一步减小飞机的外形尺寸。 （2）无须考虑过载、耐久性等与人相关的因素，平台更加专用化。无人机结构在设计时相对于有人飞机可以根据需要放宽一些限制，包括速度、高度、过载、航时和机动性能等方面都可以有较大幅度的提高。 （3）对外场使用、维护、场地、地面保障等方面的要求相对较低。 （4
3、）与有人驾驶飞机相比可靠性指标要求较低。,1. 固定翼平台,固定翼飞行平台是使用数量最多的无人机平台，它由固定在机体上的机翼产生升力，并由装在机体上的动力装置产生前进的推力或拉力，从而使飞机飞行。 固定翼飞行平台是使用数量最多的无人机平台，它由固定在机体上的机翼产生升力，并由装在机体上的动力装置产生前进的推力或拉力，从而使飞机飞行。,固定翼无人机飞行平台可以根据技术需求的不同设计成不同的形状，但其主要结构与有人驾驶飞机非常类似，主要包括机身、机翼、尾翼、起落架等结构，各组成部分在无人机飞行过程中所起到的作用如下：,（4）起落架 飞机起落架的功用是为飞机起飞、着陆和地面停放之用。它可以吸收着陆冲
4、击时的能量，减小冲击载荷，改善滑行性能。起落架常见的形式有轮式起落架、滑撬式起落架、浮筒式起落架等，为了提高滑撬式无人机的起飞性能经常会采用发射装置帮助其起飞。图2-9所示为无人机常用的轮式起落架，,（1）机身 机身的作用是装载任务载荷、设备、燃油和武器等，同时固定机翼、尾翼、起落架等部件使之连成一个整体。机身横截面以圆形为最好。但为满足其他要求（如安装发动机、隐身等），往往不得不采用椭圆形、卵形以及其他各种各样的形状。,（2）机翼 机翼是产生升力的主要部件，并与尾翼一起保证飞机的稳定性和操纵性。机翼后缘有可操纵的活动面，位于后缘外侧的舵面叫副翼，用于控制飞机的滚转运动；位于后缘内侧的是襟翼，
5、用于增加起飞着陆阶段的升力，如图2-8所示。另外在机翼内部可以装载燃油、设备、武器等，机翼上还可以安装起落架、发动机、悬挂导弹、副油箱及其他外挂设备。,（3）尾翼 尾翼是用来配平、稳定和操纵固定翼飞行器飞行的部件，通常包括垂直尾翼和水平尾翼两部分。垂直尾翼由固定的垂直安定面和安装在其后部的方向舵组成；水平尾翼由固定的水平安定面和安装在其后部的升降舵组成。方向舵用于控制飞机的飞行方向，升降舵用于控制飞机的俯仰运动,两种不同的起落架,轮式起落架,滑撬式起落架飞机起飞,2. 旋翼平台,旋翼平台即旋翼航空器平台，它飞行所需的升力是由绕固定的旋转轴旋转的“旋翼”产生的，旋翼平台的旋翼旋转时与空气产生相对
6、运动从而获得升力。现代旋翼航空器通常包括直升机、自转旋翼机和多旋翼直升机三种类型。,（1）直升机,直升机是一种由相对于机体旋转的旋翼提供升力和推进力的航空器，其动力装置直接驱动旋翼旋转。直升机主要由机身、起落架、动力系统、旋翼系统和尾翼几大组成部分，它们所起到的作用如下： 机身：将其他部件安装到机身上使其形成一个整体。 起落架：为直升机提供地面支撑和在地面的运动，并起减震吸能的作用。 动力系统：为直升机提供动力，驱动旋翼旋转。 旋翼系统：提供直升机飞行所必需的升力，并使直升机产生垂直升降、前后、左右飞行飞行的力。 尾翼：提供反扭力矩，防止直升机旋转，并控制直升机的偏航运动。 直升机具有大多数固
7、定翼飞行器所不具备的垂直升降、悬停、小速度向前或向后飞行的特点，这些特点使得直升机在很多场合能实现固定翼飞机不能完成的功能，如海上救援、吊装、架线、巡查等,（2）自转旋翼机,自转旋翼机简称旋翼机。旋翼机与直升机的最大区别是：旋翼机的旋翼不与发动机传动系统相连，因此，发动机并不能驱动旋翼旋转为飞机提供升力。旋翼机的飞行过程中是：发动机驱动水平布置的螺旋桨产生向前的推力，使旋翼机产生一定的向前的运动速度，从而使相对运动的气流吹动旋翼旋转产生升力，使旋翼机飞行。旋翼机必须像固定翼航空器那样滑跑加速才能起飞，因此，不能像直升机那样进行稳定的垂直起降和悬停。,由于旋翼为自转式，传递到机身上的扭矩很小，因
8、此旋翼机无需像单旋翼直升机那样的尾桨，但一般装有尾翼，以控制飞行。在向前飞行的过程中，旋翼机同直升机最明显的姿态区别是直升机的旋翼面向前倾斜，而旋翼机的旋翼面则是向后倾斜的。 有些旋翼机在起飞时，旋翼也可通过“离合器”与发动机相连，靠发动机带动旋转而产生升力。这样可以缩短起飞滑跑距离，并像直升机那样几乎陡直地向上爬升，但仍不能垂直上升，也不能在空中悬停，升空后再松开离合器，此时旋翼就可以在空气动力作用下自由旋转产生升力。 与直升机相比，旋翼机的结构非常简单、造价低廉、安全性也较好，一般用于通用航空或运动类飞行。,（3）多旋翼直升机,多旋翼直升机多属于无人机，由于其结构简单，便于小型化生产，近年
9、来在小型无人直升机领域大量应用，常见的有四轴、六轴和八轴直升机。 与传统的直升机相比，它的主要优点是：旋翼角度固定，结构简单；每个旋翼的桨叶比较短，桨叶末端的线速度低，发生碰撞时冲击力小，不容易损坏，对人也更安全；它的体积小、重量轻，因此携带方便，能方便地进入人不易进入的各种恶劣环境进行作业。多旋翼直升机可以在无人驾驶的条件下完成复杂的空中飞行任务和搭载各种任务载荷，如可执行航拍、取景、实时监控、地形勘探等多种任务。,3. 其他飞行平台,除了上述几种常见的航空器飞行平台外，扑翼机、倾转旋翼机和飞艇也可作为无人机的飞行平台使用。,（1）扑翼机,扑翼机是通过像鸟类和昆虫那样上下扑动自身翅膀而升空飞
10、行的航空器。作为一种仿生学的器械，扑翼机与它模仿的对象一样，用扑动的机翼同时产生升力和推进力。但由于升力和推进力由同一部件产生，因而涉及的工程力学和空气动力学问题非常复杂，其规律尚未被人类完全掌握。因此具有实用价值的中大型扑翼机还处于研制阶段，而微型的扑翼机目前已有了较大的进展，如图2-18所示为仿蜻蜓微型扑翼机。,（2）倾转旋翼机,倾转旋翼机是一种同时具有旋翼和固定翼功能的航空器，它在机翼两侧各安装有一套可在水平和垂直位置之间转动的可倾转的旋翼系统。倾转旋翼机在动力装置旋转到垂直位置时相当于横列式直升机，可进行垂直起降、悬停、低速空中盘旋等直升机的飞行动作；而在动力装置旋转至水平位置时相当于
11、固定翼螺旋桨式飞机，可实现比直升机更快的巡航速度，因此有人把它称为“直升飞机”，它兼有直升机和固定翼飞机的优点，具有很好的应用前景。图2-19是美国贝尔直升机公司研制的“鹰眼”无人倾转旋翼机，用于海事巡逻等空中作业。,（3）飞艇,飞艇是由发动机提供前进动力的轻于空气的航空器，一般由艇体、尾面、吊舱和推进装置等部分组成。艇体的外形呈流线型以减小航行时的阻力，内部充以密度比空气轻的氢气或氦气，以产生静浮力使飞艇升空。飞艇曾广泛应用于海上巡逻、反潜、远程轰炸和兵力空运等，随着飞机的出现，飞艇的功用逐渐转变为商业运输，并在空中平台、侦查、广告业等方面发挥着重要作用，,2.2 动力装置,无人机使用的动力
12、装置主要有活塞式发动机、涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机、涡轮螺桨发动机、涡轮轴发动机、冲压发动机和电动机等。为了满足不同无人机的需求，无人机动力装置的功率和推力变化范围很大，但基本上是属于中小型发动机的范畴。 无人机发动机类型的选择主要与无人机的飞行性能有关。一般来说，活塞式发动机适用于低速、中低空的侦察、监视无人机和长航时无人机，飞机起飞质量较小，一般为几百千克。涡轮喷气发动机较适合于飞行时间较短的中高空、高速侦察机及靶机和无人攻击机等，起飞质量可达2500kg，如图2-20所示为以涡轮喷气发动机为动力的美国“火蜂”靶机。涡轮风扇发动机较适用于高空长航时无人机和无人战斗机，飞机起飞质量可以很
13、大，如美国的“全球鹰”无人机重达11.6吨，如图2-7所示。涡轮螺桨发动机适用于中高空长航时无人机，飞机起飞质量可达3000kg，如美国“捕食者”系列无人机采用的就是涡轮螺桨发动机，参见图1-3所示的“死神”无人机。涡轮轴发动机适用于中低空、低速短距/垂直起降无人机和倾转旋翼无人机，飞机起飞质量可达1000kg或更高。冲压发动机适用于高超声速的高空无人机，飞行速度可达5倍声速以上。,不同用途的无人机对动力装置的要求也不相同。对一次性使用的靶机、自杀式无人机、导弹等动力装置，主要要求其推重比高、抗过载和抗进口气流畸变能力强，而寿命可以较短；对无人战斗机的动力装置，主要要求其工作包线宽、加减速性能
14、好、巡航耗油率低、隐身性能好；对高空长航时无人机的动力装置，则要求其耗油率低、寿命长、飞行范围广、高空特性好；对于微小型低空无人机的动力装置由于所需功率较小，因此要求其质量小，成本低。,2.3 飞控系统,无人机飞行控制系统一般包含传感器、飞控计算机和伺服作动设备三大部分。,飞行控制系统简称“飞控系统”，是无人机完成起飞、空中飞行、执行任务和返场回收等整个飞行过程的核心系统，飞控系统对于无人机来说相当于驾驶员对于有人机的作用，是无人机最核心的技术之一。,飞控系统在无人机上的功能主要体现在两个方面：一是飞行控制，即无人机在空中保持飞行姿态与航迹的稳定，以及按地面无线电遥控指令或者预先设定好的高度、
15、航线、航向、姿态角等改变飞机的姿态与航迹，保证飞机的稳定飞行；二是飞行管理，即完成飞行状态参数采集、导航计算、遥测数据传送、故障诊断处理、应急情况处理以及任务设备的控制与管理等工作，这也是无人机进行无人飞行和完成既定任务的基础。因此，飞行控制系统也叫飞行控制与管理系统。,飞控系统常用的传感器包括角速率传感器、姿态传感器、航向传感器、高度和空速传感器、飞机位置传感器和迎角传感器等。 角速率传感器是飞控系统的基本传感器之一，用于感受无人机绕机体轴的转动角速率，以构成角速率反馈，改善系统的阻尼特性、提高稳定性。姿态传感器用于感受无人机的俯仰角和滚转角，航向传感器用于感受无人机的航向角，姿态、航向传感
16、器用于实现姿态航向稳定与控制功能。高度和空速传感器用于感受无人机的飞行高度和空速，是高度保持和空速保持的必备传感器。飞机位置传感器用于感受飞机的位置，是飞行轨迹控制的必要前提。迎角传感器是测量飞机迎角的装置，当实际迎角接近临界迎角而使飞机有失速的危险时，失速警告系统即发出告警信号对飞机预警。,角速率传感器是飞控系统的基本传感器之一，用于感受无人机绕机体轴的转动角速率，以构成角速率反馈，改善系统的阻尼特性、提高稳定性。姿态传感器用于感受无人机的俯仰角和滚转角，航向传感器用于感受无人机的航向角，姿态、航向传感器用于实现姿态航向稳定与控制功能。高度和空速传感器用于感受无人机的飞行高度和空速，是高度保持和空速保持的必备传感器。飞机位置传感器用于感受飞机的位置，是飞行轨迹控制的必要前提。迎角传感器是测量飞机迎角的装置，当实际迎角接近临界迎角而使飞机有失速的危险时，失速警告系统即发出告警信号对飞机预警。,飞控计算机是无人机控制与管理的核心部件，它集机载控制测量设备管理、导航管理、飞行状态管理、无线电链路管理、任务设备管理于一体，是联系空中和地面指挥系统的枢纽。从无人机飞
