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1、无人机概述及系统组成姓名：邱晨曦学号：2014010909008专业：物联网工程任课教师：李玉霞【摘要】：本文主要介绍了无人机飞行器的飞行平台、动力装置、飞控系统、导航系统等，同时介绍了无人机地面控制站的组成及其功能以及无人机数据通信关键技术，最后阐述了无人机通信技术中的研究前沿和无人机在农业方面的发展趋势。无人机飞行器概述飞行平台航空器依据获得升力的方式不同分为两大类，一类是轻语空气的航空器，依靠空气的浮力漂浮于空中，如气球、飞艇等；另一类是重于空气的航空器，其中包括非动力驱动和动力驱动两种类型。无人机系统飞行器平台主要使用的是重于空气的动力驱动的航空器。从飞行器平台技术本身来讲，无人机和有
2、人机并无本质的区别，但无人机系统飞行平台更加“简单”，这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（2）无须考虑过载、耐久等人为因素，平台更加专业化（3）为降低采购价格，相对于有人机在一定程度上放宽了可靠性指标（4）对场地、地面保障等依赖减小（5）训练可大量依赖于模拟器，节省飞行器实际使用寿命。动力装置动力装置分类无人机技术得到了越来越多因家的重视，日前无人机广泛采用的动力装置包括往活塞发动机和旋转活塞式发动机以及涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机、涡轮螺桨发动机和涡轮轴发动机在内的然气涡轮发动机，但在微型无人机中普遍使用的电池驱动的电动机等。这些无人机动力装置可以
3、分别应用于高空高速无人机、低空低速无人机、反辐射无人机、侦察监视无人机垂直起降无人机、长航时无人机、攻击无人机、无人战斗机等无人飞行器。为了满足不同需求，无人机助力装置功率，推力变化范围很大.但基本属于中小型发动机范畴.动力装置应用范围无人机发动机类型的选择不但与无人机要求的性能有关，而且与当时的发动机技术水平、研制进度要求及用户的经济承受力等有关。从无人机动力装置的情况来看，活塞式发动机适用于低速、中低空的侦察、监视无人机及长航时无人机，飞机起飞质最较小一般为几百千克;祸喷发动机适用于飞行时间较短的中高空、高速侦察机及靶机、无人攻击机，起飞质最可达 2500kg 涡轴发动机适用于中低空、低速
4、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 涡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 涡扇发动机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大，如“全球鹰重 11.6t。微型电动机等微型动力适用于微型无人机，飞机起飞质量可少于 100g。值得特别指出的是，虽然由于历史原因，目前多数无人机采用活塞发动机，但活塞发动机只适用于低速小型无人机，局限性较大;而推力变化范围大、耗油率低、高空性能好的涡扇发动机在无人机动力装置将占有重要地位。飞控系统飞控系统是无人机的核心控制装置，相当于无人机的大脑，是否装有飞控系统也是无人机区别于普通航空模型的
5、重要标志。飞行控制的目的是通过控制飞行器的姿态和轨迹来完成飞行器各种模态的控制任务,这主要通过飞行控制系统来完成。飞行控制系统作为飞行器机载设备的核心组成部分,能否正常工作直接影响着飞机飞行的各种性能和飞行安全。 飞行控制系统在无人机上的功能主要有两个，一是飞行控制,即无人机在空中保持飞机姿态与航迹的稳定,以及按地面无线电遥控指令或者预先设定好的高度、航线、航向、姿态角等改变飞机姿态与航迹,保证飞机的稳定飞行,这就是通常所谓的自动驾驶。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、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的基础。整个无人机
6、飞行控制系统可分为机载和地面遥控两个部分,机载部分主要负责采集飞机各项飞行参数、维持飞机的稳定飞行和姿态控制,地面部分主要负责飞行目标规划和各项数据分析。为了确保安全,防止自主飞行机构失控,地面部分含有遥控操作器。机载飞行控制系统是核心，所以本文中的飞行控制系统均指机载飞行控制系统。 机载飞行控制系统主要由传感器或敏感元件、舵机和飞行控制器三部分组成。传感器包括电子罗盘、速度传感器、高度传感器和卫星导航接收机。舵机包括升降舵机、副翼舵机和风门舵机等。传感器就是将非电物理量变换成电信号的一种装置。其原理式为：u=f(x)；其中,为传感器输出电信号,为被测非电物理量。一般来讲,与呈线性关系。 舵机
7、是无人机上的执行机构,它的作用是将飞控器的输出电信号转变成机械位移量,带动舵面或发动机风门偏转,实现对飞机的姿态位置或发动机转速控 制。舵机分为模拟舵机、数字舵机两种。模拟舵机根据输入电压与舵机位置反馈电压的电压差调整转动角度,当电压差为零时,舵机停止转动,保持此平衡位置。舵机则是根据波形的脉冲宽度调整转动角度。无人机的舵机主要包括升降舵机、副翼舵机和尾翼舵机,其中升降舵机控制飞机的高度及俯仰平衡,副翼和尾翼舵机控制飞机的左右倾斜平衡和航向。飞行控制器以下简称飞控器是飞行控制系统的核心,也是无人机的中央控制单元。飞控系统实时采集各传感器测量的飞行状态数据、接收无线电测控终端传输的由地面测控站上
8、行信道送来的控制命令及数据，经计算处理，输出控制指令给执行机构，实现对无人机中各种飞行模态的控制和对任务设备的管理与控制；同时将无人机的状态数据及发动机、机载电源系统、任务设备的工作状态参数实时传送给机载无线电数据终端，经无线电下行信道发送回地面测控站。同时,飞控器还负责飞机上各个单元的协调工作。飞控器一般是一个以单片机或机为核心的计算机控制系统,基本功能有：1.保持飞机按给定的高度、航线稳定飞行。2.控制飞机按给定的航向角飞行。3.控制飞机按给定的姿态角机动飞行。等等。导航系统对于操控人员，需要实时地知道任何时刻飞机的位置、对于飞机来说，当自主飞行时，也需要飞机在飞行过程中在任何时刻知道自己
9、的位置。这是任务预规划时的内容，也是系统性能恶化后，飞机紧急返回的基础。对于全自主飞行模式，即无需进行控制站与飞机之间的任何通信，飞机上必须搭载足够数量的导航设备。过去，飞机需要携带高性能、复杂、笨重昂贵的惯性导航（简称惯导）系统，或者是低成本一般性能的惯导系统，但是都需要通过传输链路。由地面站对导航数据进行频繁更新。这些更新数据来源于无线电跟踪或者是地理特殊是识别定位。现在，可以利用全球定位系统，它是利用卫星进行定位，大大减轻了导航定位的复杂性。GPS 接受机重量轻、体积小、价格低，可以连续更新定位信息，因此目前只有非常简单的惯导系统还需求。对于非自主飞行模式，或者 GPS 被阻断的情况，飞
10、机与地面控制站之间的连续通信就很重要，其它后备导航手段包括：（1）雷达跟踪。飞机上安装有异频雷达收发机，可以响应控制站的扫描雷达发射的信息，这样飞机的方位和距离就可以显示在控制站雷达显示器上。（2）无线电跟踪。带有数据的无线电信号从飞机上发送给地面控制站，地面控制站在方位上跟踪这个信号，就可确定方位。同时，距离是根据编码信号从飞机到控制站之间传输所需时间来确定。（3）直接估计。计算机获取速度矢量和飞行时间，就可以计算出飞机的位置。如果飞机携带电视摄像机搜索地面，可根据图像中地理特征信息和地面上的已知位置，确定飞机位置。为了减轻操控强度，即使不能自主飞行，自动化程度也应尽可能地提高。无人机地面控
11、制站组成及其功能无人机地面控制站(Ground Control Station, GCS) 是无人机系统的重要组成部分。其主要目的是完成无人机的飞行操纵、数据链管理、机载任务设备控制, 同时以数字和图形形式提供飞机飞行状态、获取图像侦查信息, 实现对全系统的监控。GCS 作为无人机系统的控制、指挥中心, 其主要使命是:接受上级下达的作战任务, 根据任务要求制定相应的任务规划, 组织和指挥全系统协调工作, 控制无人机飞行并执行任务, 获取战场信息。通常 GCS 与地面数据终端系统(Ground Datalink Terminal,GDT)、发射车(Launcher) 和无人机平台及任务载荷(Pa
12、y load) 等共同完成系统任务。（1）系统原理地面控制站是基于以太网进行构建的, 局域网的组网方式采用双网络冗余结构, 在此基础上实现地面控制站的功能设计。基本功能和基本接口组成地面控制站的基本单元, 在此基础上完成地面站的通用化设计要求, 基本功能可进行扩展, 从而地面控制站的基本单元也进行扩展。具体的设计思路为提取地面控制站的最基本功能, 将地面控制站基本功能分解为最小功能单元进行物理层实现, 最小的功能单元设计为通用化、标准化单元, 最小功能单元可灵活扩展, 通过最小功能单元的组合完成地面控制站的基本功能, 因此, 地面控制站的功能和结构可通过最小功能单元的增加和减少实现有机的扩展和
13、裁减, 从而实现通用地面控制站的通用化、标准化和系列化的设计。地面控制站根据使用要求进行裁减和扩展, 基本功能的实现由一个飞行柜和一个任务柜完成, 控制一架飞机可用一组飞行柜和任务柜的组合来完成;控制两架可用两组飞行柜和任务柜的组合完成。如需要和其它地面控制站完成协同监控, 地面控制站可以以整体形式和其它地面控制站进行组网。同时, 地面控制站可根据使用情况进行裁减, 简化的地面控制站可用一个机柜实现地面控制站的基本单元。地面控制站的设计应遵循以下原则:(1) 提取地面控制站基本功能单元进行设计;(2) 硬件实现模块化、通用化;(3) 软件实现模块化、组合化。（2）技术要求作为无人机系统的重要组
14、成部分, GCS 为完成其在装备系统中的使命, 必须能够提供相应的功能, 系统要求 GCS 应具有以下功能:(1)飞行监控功能;(2) 任务监控功能;(3) 任务规划功能;(4) 数据管理功能;(5) 情报预处理功能;(6) 通信功能。以上也是地面控制站应实现功能的基本要素, 每一个要素是地面控制站的最小功能单元, 根据最小功能单元进行地面控制站基本单元的提取。无人机数据通信关键技术无人机数据链关键技术主要包括中继传输技术、调制技术、抗干扰传输技术以及视频图像编码等一系列技术。(1) 中继传输技术 当无人机超出无线电视距范围时，需要采用中继方式实现地面指挥站与无人机群间的通信。按照中继转发设备
15、所处的不同位置可以分为地面中继以及空中中继方式。地面中继转发设备置于地面控制站与无人机之间的制高点上；空中中继转发设备置于某种合适的空中中继平台上，空中中继平台和任务无人机间采用定向天线，并通过数字引导或自跟踪方式确保天线波束彼此对准，相比较地面中继而言，空中中继成本要高些。按照中继转发设备的不同又可以分为飞机中继以及卫星中继：飞机中继方式采用飞机作为中继转发设备，由地面站、中继飞机、任务无人机群构成超视距通信网，如下图所示：图 1：飞机中继示意图其特点是移动速度快、机动性高、电波受空间限制少并且成本低，但考虑到无人机的抗打击能力不强，采用这种中继方式不是太可靠。 卫星中继方式采用通信卫星（或
16、数据中继卫星）作为转发设备，无人机上要安装一定尺寸的跟踪天线，机载天线采用数字引导指向卫星，采用自跟踪方式实现对卫星的跟踪，如下图所示：图 2：卫星中继示意图相比较无人机中继方式而言，卫星中继的覆盖范围更广，并且卫星的信道性能较稳定，可用频带宽，通信容量大。(2) 调制技术 目前，DS-BPSK，2CPFSK 是无人机数据链系统中两种主要调制方式。其中为了提高遥控信号的抗 干扰能力，上行链路可以采用 DS-BPSK 调制方式，下行链路则采用 2CPFSK 调制方式。 在无人机上行链路中采用 DS-BPSK 调制方式的模型图 3 所示：图 3：DS-BPSK 调制模型Gold 码发生器模块、模 2 加法器及编码模块主 要完成扩频功能，使用芯片AD9854 的 BPSK 的调制功能对扩频、编码后的数据进行 BPSK 调制。调制信号f（t）=Ad（t）m（t）cos（2f0t），式中 A 为载波幅度；f0 为载波频率；m（t）为伪码序列；d（t）为基带数据。为了提高 DS-BPSK 调制器系统的抗侦破能力和载波抑制度，
