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無人機(jī)系統(tǒng)原理 主講 賈秋松 河北科技大學(xué)航模協(xié)會(huì) 無人機(jī)系統(tǒng)原理 一 無人機(jī)的發(fā)展與現(xiàn)狀二 無人機(jī)的特點(diǎn)和用途三 無人機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成四 無人機(jī)飛行與控制原理五 無人機(jī)作業(yè)流程六 無人機(jī)展望 一 無人機(jī)的發(fā)展 1 1無人機(jī)的起源與發(fā)展 遙控飛行器 RPV RemotelyPilotedVehicle 無人機(jī) UAV UnmannedAerialVehicle 無人機(jī)在軍事中的應(yīng)用 第一次世界大戰(zhàn) 美國開發(fā)了攜帶高爆炸藥的雙翼無人機(jī) 越戰(zhàn)中美軍將無人機(jī)用于偵察 以色列1973年第四次中東戰(zhàn)爭中使用無人機(jī)模擬有人機(jī)作戰(zhàn)群 掩護(hù)有人機(jī)突防 以色列1982年派無人機(jī)進(jìn)入貝卡谷地上空 誘使敘利亞地空導(dǎo)彈雷達(dá)開機(jī) 鎖定對(duì)方雷達(dá)位置 海灣戰(zhàn)爭 科索沃戰(zhàn)爭 伊拉克戰(zhàn)爭和阿富汗戰(zhàn)爭中美軍大量使用無人機(jī) 長13 4m 翼展35 5m 最大起飛重量11610kg 最大載油量6577kg 有效載荷900kg 一臺(tái)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)置于機(jī)身上方 最大飛行速度740km h 巡航速度635km h 航程26000km 續(xù)航時(shí)間42h 全球鷹 可監(jiān)視目標(biāo)24小時(shí) 最大續(xù)航時(shí)間60小時(shí) 該機(jī)裝有光電 紅外偵察設(shè)備 GPS導(dǎo)航設(shè)備和具有全天候偵察能力的合成孔徑雷達(dá) 在4000米高處分辨率為0 3米 對(duì)目標(biāo)定位精度0 25米 機(jī)長8 27米 翼展14 87米 最大活動(dòng)半徑3700公里 最大飛行時(shí)速240公里 MQ 1捕食者 1 2國內(nèi)無人機(jī)發(fā)展概述 航模隊(duì)專業(yè)從事無人機(jī)應(yīng)用或研究無人靶機(jī)多用途無人機(jī) 無人機(jī)行業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀 無人機(jī)近幾年呈現(xiàn)出一種跨越式 躍遷式的發(fā)展 我國無人機(jī)發(fā)展的正在步入 黃金年代 目前中高端無人機(jī)研發(fā)與生產(chǎn)能力主要掌握在中航工業(yè)集團(tuán)公司 航空航天類院校 西北工業(yè)大學(xué)第三六五研究所愛生集團(tuán) 北京航空航天大學(xué)無人機(jī)所 南京航空航天大學(xué)無人機(jī)所 等國家隊(duì)和其他科研院所 盡管號(hào)稱有百余家企業(yè)在從事無人機(jī)研究與生產(chǎn) 但真正能夠嚴(yán)格按照研制程序開發(fā)無人機(jī)系統(tǒng)的并不多 翔龍 高空高速無人偵察機(jī)全機(jī)長14 33米 翼展24 86米 機(jī)高5 413米 正常起飛重量6800公斤 任務(wù)載荷600公斤 機(jī)體壽命暫定為2500Fh 巡航高度為18000米 20000米 巡航速度大于700公里 小時(shí) 作戰(zhàn)半徑2000 2500公里 續(xù)航時(shí)間最大10小時(shí) 起飛滑跑距離350米 著陸滑跑距離500米 連翼飛機(jī)具有結(jié)構(gòu)結(jié)實(shí) 抗墜毀能力強(qiáng) 抗顫振能力好 飛行阻力小 航程遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn) 機(jī)身長9 34米 翼展14米 機(jī)高2 7米 翼龍飛機(jī)的展弦比較大 因此升力較大 誘導(dǎo)阻力較小 巡航升阻比較大 可以長時(shí)間在空中滯留 最大起飛重量 1200公斤 最大飛行高度 5300米 最大飛行速度 280公里 小時(shí) 最大續(xù)航時(shí)間 20小時(shí) 最大航程 4000公里 起飛滑跑距離 800米 著陸滑跑距離 600米 剎車 最大燃油和任務(wù)載荷重量 350公斤 最大任務(wù)載荷重量 200公斤 機(jī)翼兩個(gè)掛點(diǎn) 最大載燃油量 300公斤 6 1 3國外民用無人機(jī)應(yīng)用概況 美國將全球鷹和捕食者修改后 應(yīng)用于民用領(lǐng)域 全球鷹成為第一種被美國聯(lián)邦航空管理局批準(zhǔn)授權(quán)可在美國空域飛行的無人機(jī) 美國NASA下屬的德萊頓飛行研究中心正在研究將伊克納無人機(jī)用于滅火 美國海洋與大氣局已成功將無人機(jī)用于風(fēng)暴探測的研究 1 4國內(nèi)民用無人機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀 民用無人機(jī)起步晚 與發(fā)展較好的軍用無人機(jī)在技術(shù)上脫節(jié) 主要無人機(jī)研究單位定位于軍事技術(shù) 先進(jìn)的軍用無人機(jī)技術(shù)向民用無人機(jī)轉(zhuǎn)化不足 民營企業(yè)充分發(fā)揮了自己的市場優(yōu)勢 積極投身民用無人機(jī)行業(yè) 民用無人機(jī)市場正在升溫 民用無人機(jī)行業(yè)存在的不足 從航模轉(zhuǎn)型的多 專業(yè)設(shè)計(jì)研究的少 設(shè)計(jì)水平低 生產(chǎn)規(guī)模小 測繪應(yīng)用多 其它應(yīng)用少 機(jī)型小 總體質(zhì)量水平較低 二 無人機(jī)特點(diǎn)與用途 2 1無人機(jī)與航模 無人機(jī)的定義 機(jī)上沒有駕駛員能一次或多次使用可以自行控制也可以遠(yuǎn)程引導(dǎo)可攜帶有效載荷升力主要靠空氣動(dòng)力航模 只能在視距內(nèi)遙控控制 2 2無人機(jī)的特點(diǎn) 機(jī)上無駕駛員 不再考慮人的安危和生理承受能力 沒有機(jī)上駕駛員 不考慮人的生理承受能力 大機(jī)動(dòng) 和體力限制 可執(zhí)行枯燥 危險(xiǎn) 污染性的工作 即3D任務(wù) Dangerous Dirty Dull 使用靈活 用途廣泛 成本低廉 生存力強(qiáng) 2 3無人機(jī)的分類 2 3 1按功能分類軍用無人機(jī)偵察機(jī) 電子對(duì)抗無人機(jī) 通信中繼無人機(jī) 攻擊無人機(jī)及靶標(biāo)無人機(jī)等民用無人機(jī)各種用途的巡查和監(jiān)視用無人機(jī) 航拍無人機(jī) 氣象無人機(jī) 地質(zhì)勘探無人機(jī) 測繪無人機(jī)等 2 3 2按大小分類微小型無人機(jī)重量一般小于1Kg 尺寸在15cm以內(nèi)小型無人機(jī)重量一般在1 100Kg內(nèi)中型無人機(jī)重量一般在100 1000Kg內(nèi)大型無人機(jī)重量一般大于1000Kg 2 3無人機(jī)的分類 2 3 3按活動(dòng)半徑分類超近程無人機(jī)活動(dòng)半徑在5 15km之間近程無人機(jī)活動(dòng)半徑在15 50km之間短程無人機(jī)活動(dòng)半徑在50 200km之間中程無人機(jī)活動(dòng)半徑在200 800km之間遠(yuǎn)程無人機(jī)活動(dòng)半徑一般大于800km 2 3無人機(jī)的分類 2 3 4按速度分類低速無人機(jī)速度一般小于0 3馬赫亞音速無人機(jī)速度一般在0 3 0 7馬赫跨音速無人機(jī)速度一般在0 7 1 2馬赫超音速無人機(jī)速度一般在1 2 5馬赫高超音速無人機(jī)速度一般大于5馬赫馬赫 奧地利物理學(xué)家 哲學(xué)家 心理學(xué)家 生物學(xué)家恩斯特 馬赫 ErnstMach 1838年 1916年 的簡稱 馬赫在研究氣體中物體的高速運(yùn)動(dòng)時(shí) 發(fā)現(xiàn)了激波 他確定了以物速與聲速的比值 即馬赫數(shù) 為標(biāo)準(zhǔn) 來描述物體的超音速運(yùn)動(dòng) 音速 空氣中的音速在1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓和15 的條件下約為340米 秒 2 3無人機(jī)的分類 2 3 5按實(shí)用升限分類超低空無人機(jī)實(shí)用升限一般在100m以下低空無人機(jī)實(shí)用升限一般在100 1000m之間中空無人機(jī)實(shí)用升限一般在1000 7000m之間高空無人機(jī)實(shí)用升限一般在7000 18000m之間超高空無人機(jī)實(shí)用升限一般大于18000m 2 3無人機(jī)的分類 2 4常見無人機(jī)氣動(dòng)外形 2 4 1常規(guī)布局 2 4 2雙尾撐 雙尾梁 無人機(jī) 2 4 3倒V尾無人機(jī) 2 4 4飛翼無人機(jī) 機(jī)長 21 03米機(jī)高 5 18米翼展 52 43米機(jī)翼后掠角 33度空重 45360 49900千克最大武器載荷 18144千克最大燃油量 81650 90720千克正常起飛重量 152635千克最大起飛重量 170550千克巡航速度 高亞音速 小于331m s 0 8馬赫 12200m 進(jìn)場速度 259千米 小時(shí)實(shí)用升限 15240米航程 不加油10400km 空中加油一次大于18520千米翼負(fù)荷 329千克 平方米推重比 0 205 2 5認(rèn)識(shí)無人機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo) 翼展2 6m最大起飛重量16kg有效載荷重量4kg燃料重量2 5kg巡航速度110km h續(xù)航時(shí)間2h飛行半徑50km實(shí)用升限6000m抗風(fēng)性能5級(jí)起降方式滑跑 彈射 傘降 撞網(wǎng)任務(wù)載荷類型航空測繪 三 無人機(jī)系統(tǒng) 無人機(jī)一般由以下部分組成 飛行器 飛行載體飛行控制系統(tǒng)地面控制系統(tǒng) 地面站任務(wù)設(shè)備 航拍儀器起飛與降落回收系統(tǒng) 3 1飛行載體 ZC 1型無人飛機(jī) 3 2飛行控制系統(tǒng) 飛行控制主要有中央計(jì)算機(jī) 飛行控制類傳感器 伺服作動(dòng)器 導(dǎo)航定位系統(tǒng)及通訊系統(tǒng)組成 飛行控制類傳感器包括高度 速度類傳感器和姿態(tài)類傳感器 伺服作動(dòng)器是將控制指令轉(zhuǎn)化為舵面動(dòng)作及發(fā)動(dòng)機(jī)閥門動(dòng)作的執(zhí)行機(jī)構(gòu) 導(dǎo)航定位系統(tǒng) 慣性導(dǎo)航設(shè)備 衛(wèi)星定位傳感器 慣性 衛(wèi)星組合定位通訊電臺(tái) 3 3地面控制站 地面控制站主要功能 任務(wù)規(guī)劃 飛機(jī)狀態(tài)監(jiān)控 飛機(jī)和任務(wù)設(shè)備的操控 信息處理 3 4任務(wù)設(shè)備 常見的任務(wù)設(shè)備有 照相機(jī)電視攝像機(jī)紅外熱像儀光電偵察穩(wěn)定平臺(tái)合成孔徑雷達(dá) SAR 相機(jī) Canon5Dmark 2100萬像素全畫幅 可用于小飛機(jī)航測的相機(jī) 飛思哈蘇萊卡尼康 3 5起飛與降落 四 無人機(jī)飛行與控制原理 4 1無人機(jī)飛行原理 飛機(jī)姿態(tài)角示意圖 飛機(jī)受力示意圖 飛機(jī)三軸角運(yùn)動(dòng)示意圖 機(jī)翼上下表面壓力示意圖 機(jī)翼受力示意圖 飛機(jī)爬升運(yùn)動(dòng)示意圖 飛機(jī)轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)示意圖 4 2無人機(jī)控制原理 無人機(jī)的飛行控制系統(tǒng)主要包括傳感器 機(jī)載計(jì)算機(jī)和伺服作動(dòng)設(shè)備三部分 其功能有 1 無人機(jī)姿態(tài)穩(wěn)定與控制 2 無人機(jī)導(dǎo)航與航跡控制 3 無人機(jī)起飛和著陸控制 4 無人機(jī)任務(wù)設(shè)備管理與控制等 無人機(jī)控制系統(tǒng)原理圖 五 無人機(jī)作業(yè)流程 設(shè)備地面展開根據(jù)任務(wù)進(jìn)行航線規(guī)劃飛行前全部設(shè)備檢查啟動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)飛機(jī)起飛到達(dá)作業(yè)地點(diǎn) 作業(yè)返回降落飛機(jī)落地后檢查維護(hù)獲取作業(yè)數(shù)據(jù)作業(yè)數(shù)據(jù)的后期處理 1 啟動(dòng) 預(yù)熱2 滑跑3 起飛4 爬升5 巡航6 作業(yè)7 降高8 著陸 六 無人機(jī)發(fā)展展望 6 1軍用發(fā)展熱點(diǎn)和趨勢 高集成化 多任務(wù)平臺(tái) 實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用根據(jù)用途 機(jī)身尺寸向兩端發(fā)展從平臺(tái)武器化到專用獵殺平臺(tái) 6 2關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展 傳感器技術(shù)數(shù)據(jù)鏈及通信技術(shù)自主技術(shù)武器系統(tǒng)技術(shù)生存能力及可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)動(dòng)力技術(shù)地面控制站技術(shù) 6 3民用無人機(jī)應(yīng)用前景展望 無人機(jī)的主要使命是空中觀察和監(jiān)視 1 科學(xué)研究 2 巡線飛行 3 應(yīng)急情況監(jiān)視 4 半軍事用途 5 農(nóng)林生產(chǎn) 6 特殊使命 目前 無人機(jī)主要用于軍事目的 軍用無人機(jī)占世界無人機(jī)市場90 的份額 盡管目前民用市場的開發(fā)較少 但無人機(jī)用途廣泛 它的應(yīng)用前景遠(yuǎn)大 在多個(gè)領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用潛力 謝謝