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无人机系统原理 主讲 贾秋松 河北科技大学航模协会 无人机系统原理 一 无人机的发展与现状二 无人机的特点和用途三 无人机系统构成四 无人机飞行与控制原理五 无人机作业流程六 无人机展望 一 无人机的发展 1 1无人机的起源与发展 遥控飞行器 RPV RemotelyPilotedVehicle 无人机 UAV UnmannedAerialVehicle 无人机在军事中的应用 第一次世界大战 美国开发了携带高爆炸药的双翼无人机 越战中美军将无人机用于侦察 以色列1973年第四次中东战争中使用无人机模拟有人机作战群 掩护有人机突防 以色列1982年派无人机进入贝卡谷地上空 诱使叙利亚地空导弹雷达开机 锁定对方雷达位置 海湾战争 科索沃战争 伊拉克战争和阿富汗战争中美军大量使用无人机 长13 4m 翼展35 5m 最大起飞重量11610kg 最大载油量6577kg 有效载荷900kg 一台涡扇发动机置于机身上方 最大飞行速度740km h 巡航速度635km h 航程26000km 续航时间42h 全球鹰 可监视目标24小时 最大续航时间60小时 该机装有光电 红外侦察设备 GPS导航设备和具有全天候侦察能力的合成孔径雷达 在4000米高处分辨率为0 3米 对目标定位精度0 25米 机长8 27米 翼展14 87米 最大活动半径3700公里 最大飞行时速240公里 MQ 1捕食者 1 2国内无人机发展概述 航模队专业从事无人机应用或研究无人靶机多用途无人机 无人机行业发展的现状 无人机近几年呈现出一种跨越式 跃迁式的发展 我国无人机发展的正在步入 黄金年代 目前中高端无人机研发与生产能力主要掌握在中航工业集团公司 航空航天类院校 西北工业大学第三六五研究所爱生集团 北京航空航天大学无人机所 南京航空航天大学无人机所 等国家队和其他科研院所 尽管号称有百余家企业在从事无人机研究与生产 但真正能够严格按照研制程序开发无人机系统的并不多 翔龙 高空高速无人侦察机全机长14 33米 翼展24 86米 机高5 413米 正常起飞重量6800公斤 任务载荷600公斤 机体寿命暂定为2500Fh 巡航高度为18000米 20000米 巡航速度大于700公里 小时 作战半径2000 2500公里 续航时间最大10小时 起飞滑跑距离350米 着陆滑跑距离500米 连翼飞机具有结构结实 抗坠毁能力强 抗颤振能力好 飞行阻力小 航程远等优点 机身长9 34米 翼展14米 机高2 7米 翼龙飞机的展弦比较大 因此升力较大 诱导阻力较小 巡航升阻比较大 可以长时间在空中滞留 最大起飞重量 1200公斤 最大飞行高度 5300米 最大飞行速度 280公里 小时 最大续航时间 20小时 最大航程 4000公里 起飞滑跑距离 800米 着陆滑跑距离 600米 刹车 最大燃油和任务载荷重量 350公斤 最大任务载荷重量 200公斤 机翼两个挂点 最大载燃油量 300公斤 6 1 3国外民用无人机应用概况 美国将全球鹰和捕食者修改后 应用于民用领域 全球鹰成为第一种被美国联邦航空管理局批准授权可在美国空域飞行的无人机 美国NASA下属的德莱顿飞行研究中心正在研究将伊克纳无人机用于灭火 美国海洋与大气局已成功将无人机用于风暴探测的研究 1 4国内民用无人机发展现状 民用无人机起步晚 与发展较好的军用无人机在技术上脱节 主要无人机研究单位定位于军事技术 先进的军用无人机技术向民用无人机转化不足 民营企业充分发挥了自己的市场优势 积极投身民用无人机行业 民用无人机市场正在升温 民用无人机行业存在的不足 从航模转型的多 专业设计研究的少 设计水平低 生产规模小 测绘应用多 其它应用少 机型小 总体质量水平较低 二 无人机特点与用途 2 1无人机与航模 无人机的定义 机上没有驾驶员能一次或多次使用可以自行控制也可以远程引导可携带有效载荷升力主要靠空气动力航模 只能在视距内遥控控制 2 2无人机的特点 机上无驾驶员 不再考虑人的安危和生理承受能力 没有机上驾驶员 不考虑人的生理承受能力 大机动 和体力限制 可执行枯燥 危险 污染性的工作 即3D任务 Dangerous Dirty Dull 使用灵活 用途广泛 成本低廉 生存力强 2 3无人机的分类 2 3 1按功能分类军用无人机侦察机 电子对抗无人机 通信中继无人机 攻击无人机及靶标无人机等民用无人机各种用途的巡查和监视用无人机 航拍无人机 气象无人机 地质勘探无人机 测绘无人机等 2 3 2按大小分类微小型无人机重量一般小于1Kg 尺寸在15cm以内小型无人机重量一般在1 100Kg内中型无人机重量一般在100 1000Kg内大型无人机重量一般大于1000Kg 2 3无人机的分类 2 3 3按活动半径分类超近程无人机活动半径在5 15km之间近程无人机活动半径在15 50km之间短程无人机活动半径在50 200km之间中程无人机活动半径在200 800km之间远程无人机活动半径一般大于800km 2 3无人机的分类 2 3 4按速度分类低速无人机速度一般小于0 3马赫亚音速无人机速度一般在0 3 0 7马赫跨音速无人机速度一般在0 7 1 2马赫超音速无人机速度一般在1 2 5马赫高超音速无人机速度一般大于5马赫马赫 奥地利物理学家 哲学家 心理学家 生物学家恩斯特 马赫 ErnstMach 1838年 1916年 的简称 马赫在研究气体中物体的高速运动时 发现了激波 他确定了以物速与声速的比值 即马赫数 为标准 来描述物体的超音速运动 音速 空气中的音速在1个标准大气压和15 的条件下约为340米 秒 2 3无人机的分类 2 3 5按实用升限分类超低空无人机实用升限一般在100m以下低空无人机实用升限一般在100 1000m之间中空无人机实用升限一般在1000 7000m之间高空无人机实用升限一般在7000 18000m之间超高空无人机实用升限一般大于18000m 2 3无人机的分类 2 4常见无人机气动外形 2 4 1常规布局 2 4 2双尾撑 双尾梁 无人机 2 4 3倒V尾无人机 2 4 4飞翼无人机 机长 21 03米机高 5 18米翼展 52 43米机翼后掠角 33度空重 45360 49900千克最大武器载荷 18144千克最大燃油量 81650 90720千克正常起飞重量 152635千克最大起飞重量 170550千克巡航速度 高亚音速 小于331m s 0 8马赫 12200m 进场速度 259千米 小时实用升限 15240米航程 不加油10400km 空中加油一次大于18520千米翼负荷 329千克 平方米推重比 0 205 2 5认识无人机的主要技术指标 翼展2 6m最大起飞重量16kg有效载荷重量4kg燃料重量2 5kg巡航速度110km h续航时间2h飞行半径50km实用升限6000m抗风性能5级起降方式滑跑 弹射 伞降 撞网任务载荷类型航空测绘 三 无人机系统 无人机一般由以下部分组成 飞行器 飞行载体飞行控制系统地面控制系统 地面站任务设备 航拍仪器起飞与降落回收系统 3 1飞行载体 ZC 1型无人飞机 3 2飞行控制系统 飞行控制主要有中央计算机 飞行控制类传感器 伺服作动器 导航定位系统及通讯系统组成 飞行控制类传感器包括高度 速度类传感器和姿态类传感器 伺服作动器是将控制指令转化为舵面动作及发动机阀门动作的执行机构 导航定位系统 惯性导航设备 卫星定位传感器 惯性 卫星组合定位通讯电台 3 3地面控制站 地面控制站主要功能 任务规划 飞机状态监控 飞机和任务设备的操控 信息处理 3 4任务设备 常见的任务设备有 照相机电视摄像机红外热像仪光电侦察稳定平台合成孔径雷达 SAR 相机 Canon5Dmark 2100万像素全画幅 可用于小飞机航测的相机 飞思哈苏莱卡尼康 3 5起飞与降落 四 无人机飞行与控制原理 4 1无人机飞行原理 飞机姿态角示意图 飞机受力示意图 飞机三轴角运动示意图 机翼上下表面压力示意图 机翼受力示意图 飞机爬升运动示意图 飞机转弯运动示意图 4 2无人机控制原理 无人机的飞行控制系统主要包括传感器 机载计算机和伺服作动设备三部分 其功能有 1 无人机姿态稳定与控制 2 无人机导航与航迹控制 3 无人机起飞和着陆控制 4 无人机任务设备管理与控制等 无人机控制系统原理图 五 无人机作业流程 设备地面展开根据任务进行航线规划飞行前全部设备检查启动动力系统飞机起飞到达作业地点 作业返回降落飞机落地后检查维护获取作业数据作业数据的后期处理 1 启动 预热2 滑跑3 起飞4 爬升5 巡航6 作业7 降高8 着陆 六 无人机发展展望 6 1军用发展热点和趋势 高集成化 多任务平台 实现一机多用根据用途 机身尺寸向两端发展从平台武器化到专用猎杀平台 6 2关键技术的发展 传感器技术数据链及通信技术自主技术武器系统技术生存能力及可靠性设计技术动力技术地面控制站技术 6 3民用无人机应用前景展望 无人机的主要使命是空中观察和监视 1 科学研究 2 巡线飞行 3 应急情况监视 4 半军事用途 5 农林生产 6 特殊使命 目前 无人机主要用于军事目的 军用无人机占世界无人机市场90 的份额 尽管目前民用市场的开发较少 但无人机用途广泛 它的应用前景远大 在多个领域具有极大的应用潜力 谢谢