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無人機系統(tǒng)原理 主講 賈秋松 河北科技大學航模協(xié)會 無人機系統(tǒng)原理 一 無人機的發(fā)展與現(xiàn)狀二 無人機的特點和用途三 無人機系統(tǒng)構成四 無人機飛行與控制原理五 無人機作業(yè)流程六 無人機展望 一 無人機的發(fā)展 1 1無人機的起源與發(fā)展 遙控飛行器 RPV RemotelyPilotedVehicle 無人機 UAV UnmannedAerialVehicle 無人機在軍事中的應用 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 越戰(zhàn)中美軍將無人機用于偵察 以色列1973年第四次中東戰(zhàn)爭中使用無人機模擬有人機作戰(zhàn)群 掩護有人機突防 以色列1982年派無人機進入貝卡谷地上空 誘使敘利亞地空導彈雷達開機 鎖定對方雷達位置 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 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 一臺渦扇發(fā)動機置于機身上方 最大飛行速度740km h 巡航速度635km h 航程26000km 續(xù)航時間42h 全球鷹 可監(jiān)視目標24小時 最大續(xù)航時間60小時 該機裝有光電 紅外偵察設備 GPS導航設備和具有全天候偵察能力的合成孔徑雷達 在4000米高處分辨率為0 3米 對目標定位精度0 25米 機長8 27米 翼展14 87米 最大活動半徑3700公里 最大飛行時速240公里 MQ 1捕食者 1 2國內(nèi)無人機發(fā)展概述 航模隊專業(yè)從事無人機應用或研究無人靶機多用途無人機 無人機行業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀 無人機近幾年呈現(xiàn)出一種跨越式 躍遷式的發(fā)展 我國無人機發(fā)展的正在步入 黃金年代 目前中高端無人機研發(fā)與生產(chǎn)能力主要掌握在中航工業(yè)集團公司 航空航天類院校 西北工業(yè)大學第三六五研究所愛生集團 北京航空航天大學無人機所 南京航空航天大學無人機所 等國家隊和其他科研院所 盡管號稱有百余家企業(yè)在從事無人機研究與生產(chǎn) 但真正能夠嚴格按照研制程序開發(fā)無人機系統(tǒng)的并不多 翔龍 高空高速無人偵察機全機長14 33米 翼展24 86米 機高5 413米 正常起飛重量6800公斤 任務載荷600公斤 機體壽命暫定為2500Fh 巡航高度為18000米 20000米 巡航速度大于700公里 小時 作戰(zhàn)半徑2000 2500公里 續(xù)航時間最大10小時 起飛滑跑距離350米 著陸滑跑距離500米 連翼飛機具有結(jié)構結(jié)實 抗墜毀能力強 抗顫振能力好 飛行阻力小 航程遠等優(yōu)點 機身長9 34米 翼展14米 機高2 7米 翼龍飛機的展弦比較大 因此升力較大 誘導阻力較小 巡航升阻比較大 可以長時間在空中滯留 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 最大續(xù)航時間 20小時 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 最大燃油和任務載荷重量 350公斤 最大任務載荷重量 200公斤 機翼兩個掛點 最大載燃油量 300公斤 6 1 3國外民用無人機應用概況 美國將全球鷹和捕食者修改后 應用于民用領域 全球鷹成為第一種被美國聯(lián)邦航空管理局批準授權可在美國空域飛行的無人機 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用于滅火 美國海洋與大氣局已成功將無人機用于風暴探測的研究 1 4國內(nèi)民用無人機發(fā)展現(xiàn)狀 民用無人機起步晚 與發(fā)展較好的軍用無人機在技術上脫節(jié) 主要無人機研究單位定位于軍事技術 先進的軍用無人機技術向民用無人機轉(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行業(yè) 民用無人機市場正在升溫 民用無人機行業(yè)存在的不足 從航模轉(zhuǎn)型的多 專業(yè)設計研究的少 設計水平低 生產(chǎn)規(guī)模小 測繪應用多 其它應用少 機型小 總體質(zhì)量水平較低 二 無人機特點與用途 2 1無人機與航模 無人機的定義 機上沒有駕駛員能一次或多次使用可以自行控制也可以遠程引導可攜帶有效載荷升力主要靠空氣動力航模 只能在視距內(nèi)遙控控制 2 2無人機的特點 機上無駕駛員 不再考慮人的安危和生理承受能力 沒有機上駕駛員 不考慮人的生理承受能力 大機動 和體力限制 可執(zhí)行枯燥 危險 污染性的工作 即3D任務 Dangerous Dirty Dull 使用靈活 用途廣泛 成本低廉 生存力強 2 3無人機的分類 2 3 1按功能分類軍用無人機偵察機 電子對抗無人機 通信中繼無人機 攻擊無人機及靶標無人機等民用無人機各種用途的巡查和監(jiān)視用無人機 航拍無人機 氣象無人機 地質(zhì)勘探無人機 測繪無人機等 2 3 2按大小分類微小型無人機重量一般小于1Kg 尺寸在15cm以內(nèi)小型無人機重量一般在1 100Kg內(nèi)中型無人機重量一般在100 1000Kg內(nèi)大型無人機重量一般大于1000Kg 2 3無人機的分類 2 3 3按活動半徑分類超近程無人機活動半徑在5 15km之間近程無人機活動半徑在15 50km之間短程無人機活動半徑在50 200km之間中程無人機活動半徑在200 800km之間遠程無人機活動半徑一般大于800km 2 3無人機的分類 2 3 4按速度分類低速無人機速度一般小于0 3馬赫亞音速無人機速度一般在0 3 0 7馬赫跨音速無人機速度一般在0 7 1 2馬赫超音速無人機速度一般在1 2 5馬赫高超音速無人機速度一般大于5馬赫馬赫 奧地利物理學家 哲學家 心理學家 生物學家恩斯特 馬赫 ErnstMach 1838年 1916年 的簡稱 馬赫在研究氣體中物體的高速運動時 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) 為標準 來描述物體的超音速運動 音速 空氣中的音速在1個標準大氣壓和15 的條件下約為340米 秒 2 3無人機的分類 2 3 5按實用升限分類超低空無人機實用升限一般在100m以下低空無人機實用升限一般在100 1000m之間中空無人機實用升限一般在1000 7000m之間高空無人機實用升限一般在7000 18000m之間超高空無人機實用升限一般大于18000m 2 3無人機的分類 2 4常見無人機氣動外形 2 4 1常規(guī)布局 2 4 2雙尾撐 雙尾梁 無人機 2 4 3倒V尾無人機 2 4 4飛翼無人機 機長 21 03米機高 5 18米翼展 52 43米機翼后掠角 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 進場速度 259千米 小時實用升限 15240米航程 不加油10400km 空中加油一次大于18520千米翼負荷 329千克 平方米推重比 0 205 2 5認識無人機的主要技術指標 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)航時間2h飛行半徑50km實用升限6000m抗風性能5級起降方式滑跑 彈射 傘降 撞網(wǎng)任務載荷類型航空測繪 三 無人機系統(tǒng) 無人機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) 地面站任務設備 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 3 2飛行控制系統(tǒng) 飛行控制主要有中央計算機 飛行控制類傳感器 伺服作動器 導航定位系統(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 伺服作動器是將控制指令轉(zhuǎn)化為舵面動作及發(fā)動機閥門動作的執(zhí)行機構 導航定位系統(tǒng) 慣性導航設備 衛(wèi)星定位傳感器 慣性 衛(wèi)星組合定位通訊電臺 3 3地面控制站 地面控制站主要功能 任務規(guī)劃 飛機狀態(tài)監(jiān)控 飛機和任務設備的操控 信息處理 3 4任務設備 常見的任務設備有 照相機電視攝像機紅外熱像儀光電偵察穩(wěn)定平臺合成孔徑雷達 SAR 相機 Canon5Dmark 2100萬像素全畫幅 可用于小飛機航測的相機 飛思哈蘇萊卡尼康 3 5起飛與降落 四 無人機飛行與控制原理 4 1無人機飛行原理 飛機姿態(tài)角示意圖 飛機受力示意圖 飛機三軸角運動示意圖 機翼上下表面壓力示意圖 機翼受力示意圖 飛機爬升運動示意圖 飛機轉(zhuǎn)彎運動示意圖 4 2無人機控制原理 無人機的飛行控制系統(tǒng)主要包括傳感器 機載計算機和伺服作動設備三部分 其功能有 1 無人機姿態(tài)穩(wěn)定與控制 2 無人機導航與航跡控制 3 無人機起飛和著陸控制 4 無人機任務設備管理與控制等 無人機控制系統(tǒng)原理圖 五 無人機作業(yè)流程 設備地面展開根據(jù)任務進行航線規(guī)劃飛行前全部設備檢查啟動動力系統(tǒng)飛機起飛到達作業(yè)地點 作業(yè)返回降落飛機落地后檢查維護獲取作業(yè)數(shù)據(jù)作業(yè)數(shù)據(jù)的后期處理 1 啟動 預熱2 滑跑3 起飛4 爬升5 巡航6 作業(yè)7 降高8 著陸 六 無人機發(fā)展展望 6 1軍用發(fā)展熱點和趨勢 高集成化 多任務平臺 實現(xiàn)一機多用根據(jù)用途 機身尺寸向兩端發(fā)展從平臺武器化到專用獵殺平臺 6 2關鍵技術的發(fā)展 傳感器技術數(shù)據(jù)鏈及通信技術自主技術武器系統(tǒng)技術生存能力及可靠性設計技術動力技術地面控制站技術 6 3民用無人機應用前景展望 無人機的主要使命是空中觀察和監(jiān)視 1 科學研究 2 巡線飛行 3 應急情況監(jiān)視 4 半軍事用途 5 農(nóng)林生產(chǎn) 6 特殊使命 目前 無人機主要用于軍事目的 軍用無人機占世界無人機市場90 的份額 盡管目前民用市場的開發(fā)較少 但無人機用途廣泛 它的應用前景遠大 在多個領域具有極大的應用潛力 謝謝