《无人机概论》第2章 无人机结构与系统ppt课件.pptx

,目 录,第一节 无人机结构与系统概述,第二节 无人机的基本结构,第三节 无人机动力系统,第四节 无人机控制站与飞行控制系统,第五节 无人机通信导航系统,第六节 无人机任务载荷系统与发射回收系统,一、无人机结构与系统概述,无人机结构与系统主要包括无人机、动力系统、控制站、飞行控制系统、通讯导航系统、任务载荷系统和发射回收系统等。无人机，按飞行平台构型的不同可分为固定翼无人机、无人直升机、多旋翼无人机、伞翼无人机、扑翼无人机和无人飞艇等.动力系统，提供无人机飞行所需动力。控制站，监测和控制无人机。飞行控制系统，保证无人机姿态稳定和控制。通信导航系统，保证遥控指令准确传输，保证信息反馈的可靠性、精确性、实时性及有效性。任务载荷系统，实现无人机飞行要完成的特定任务。发射回收系统，保证无人机顺利升空以及安全着陆。,目 录,第一节 无人机结构与系统概述,第二节 无人机的基本结构,第三节 无人机动力系统,第四节 无人机控制站与飞行控制系统,第五节 无人机通信导航系统,第六节 无人机任务载荷系统与发射回收系统,二、无人机的基本结构,固定翼无人机大多数都由机翼、机身、尾翼、起落装置和动力装置五个部分组成，其基本结构如图。,1.固定翼无人机的基本结构,1-螺旋桨；2-副翼；3-垂直尾翼；4-水平尾翼；5-机翼；6-起落架,二、无人机的基本结构,1.机翼功能：产生无人机飞行所需要的升力。组成 翼梁：承受弯矩（缘条）和剪力（腹板） 纵墙：与蒙皮形成封闭的合段承受扭矩，与机身连接方式为铰接 桁条：铝合金挤压或板材弯制而成，与翼肋相连并且铆接在蒙皮内表面，支持蒙皮以提高其承载能力更好的承受机翼的扭矩和弯矩 翼肋：包括普通翼肋和加强翼肋 蒙皮：承受局部空气动力和形成机翼外形,1.固定翼无人机的基本结构,1-接头；2-加强肋；3-翼梁；4-前墙；5-蒙皮；6-后墙；7-翼肋；8-桁条,二、无人机的基本结构,2.机身功能 装载、安装基础。组成 蒙皮：与机翼蒙皮作用相似； 桁条：与机翼桁条作用相似； 桁梁：作用与翼梁相似； 隔框：作用与翼肋相似。,1.固定翼无人机的基本结构,1桁梁；2桁条；3蒙皮；4加强隔框；5普通隔框,二、无人机的基本结构,3.尾翼功能：稳定和控制俯仰及偏转。组成 水平尾翼：由固定的水平安定面及其后的可转动的升降舵组成。垂直尾翼：由固定的垂直安定面及其后的可转动的方向舵组成。,1.固定翼无人机的基本结构,3-垂直尾翼；4-水平尾翼,二、无人机的基本结构,4.起落装置功能：支撑无人机在地面上的活动，包括起飞和着陆滑跑、滑行、停放。组成 支柱：起支撑作用并作为机轮的安装基础。减震器：吸收着陆和滑跑冲击能量机轮：与地面接触支持无人机的重量，减少无人机地面运动的阻力，可以吸收一部分撞击动能有一定的减震作用收放机构：用于收放起落架以及固定支柱，飞行时可减少阻力,1.固定翼无人机的基本结构,1-收放动作筒；2-撑杆；3-机轮；4-铰链；5-减震支柱,二、无人机的基本结构,5.动力装置功能：产生拉力（螺旋桨式）或推力（喷气式）使无人机产生相对空气的运动。组成 在下节中详述,1.固定翼无人机的基本结构,二、无人机的基本结构,2.无人直升机的基本结构,无人直升机是由旋翼提供升力和推进力进行飞行。一般由主旋翼、机身、尾桨、起落装置、操纵系统、传动系统、电动机或发动机组成。,1-机身；2-主旋翼；3-尾旋翼；4-操纵系统；5-动力系统；6-起落架,二、无人机的基本结构,2.无人直升机的基本结构,（1）主旋翼主要由桨叶和桨毂组成，是无人直升机最关键的部位，既产生升力，又是无人直升机水平运动的拉力的来源，旋翼旋转的平面是升力面也是操纵面。,1-桨叶；2-桨叶摇臂；3-桨毂；4-拨杆；5-变距拉杆；6-外环,二、无人机的基本结构,2.无人直升机的基本结构,旋翼的结构形式：指浆叶与桨毂的连接方式四类：全铰式旋翼、半铰式旋翼、无铰式旋翼、无轴承式旋翼,二、无人机的基本结构,2.无人直升机的基本结构,（2）机身无人直升机机身与固定翼机身结构和功能类似。主要功能：装载燃料、货物和设备等，同时作为安装基础将各部分连成一个整体。机身具有承载和传力的作用，承受各种装载的载荷，还承受各类动载荷。,（3）尾桨尾桨的主要作用是产生一个侧向的拉力/推力通过力臂形成偏转力矩，平衡主旋翼的反扭矩并且控制航向，相当于直升机的垂直安定面，可以改善直升机的航向稳定性提和提供一部分升力等。尾桨分为推式尾桨和拉式尾桨，尾桨拉力方向指向直升机的对称面，为推式尾桨；从对称面向外指为拉式尾桨。,二、无人机的基本结构,2.无人直升机的基本结构,（4）起落装置用于地面停放时支撑重量和着陆时吸收撞击能量的部件。结构形式有轮式、滑撬式和浮筒式。,（5）操纵系统操纵系统是用来控制无人直升机飞行的系统。由自动倾斜器、座舱操纵机构和操纵线系等组成。无人直升机的垂直、俯仰、滚转和偏航四种运动形式，分别对应于操纵系统的总距操纵、纵向操纵、横向操纵和航向操纵。,二、无人机的基本结构,2.无人直升机的基本结构,1-桨叶摇臂；2-拨杆；3-变距拉杆；4-旋转环；5-驾驶杆；6-油门总距杆；7-导筒；8-滑筒；9-内环；10-外环,自动倾斜器,二、无人机的基本结构,2.无人直升机的基本结构,（6）传动系统在无人直升机中，发动机提供的动力要经过传动系统才能到达主旋翼和尾浆，从而使主旋翼旋转产生升力，尾旋翼旋转平衡扭矩。传动系统的主要部件由主减速器、传动轴、尾减速器和中间减速器组成。,1-主减速器；2-传动轴；3-轴承支座；4-中间减速器；5-尾减速器；6-尾桨轴；7-附件传动,二、无人机的基本结构,3.多旋翼无人机的基本结构,多旋翼无人机的基本结构一般由机架、动力装置和飞控等组成。,1-电调；2-电池；3-飞控；4-桨叶；5-电机；6-机架,二、无人机的基本结构,1.机架是多旋翼无人机的机身，其他结构的安装基础，起承载作用。根据旋翼轴数的不同，可分为三轴、四轴等。根据发动机个数分有三旋翼、四旋翼等。轴数和旋翼数一般情况下是相等的，但也有特殊情况，比如三轴六旋翼。1）机架材质（1）塑料：价格比较低廉，比较适合初学者。（2）玻璃纤维：相比塑料机架，玻纤强度高、重量轻、价格贵，中心板多用玻纤，机臂多用管型。（3）碳纤维：相比玻纤机架，强度更高、价格更贵。（4）铝合金/钢：适合自己制作。,3.多旋翼无人机的基本结构,二、无人机的基本结构,2）机架布局常见的机架布局有X型、I型、V型、Y型和IY型等,3.多旋翼无人机的基本结构,二、无人机的基本结构,3）机架轴距轴距是机架最重要的数据指标，它是指对角线两个电机或者桨叶中心的距离，单位为毫米（mm）四轴250：表示对角线电机中心的距离为250毫米,3.多旋翼无人机的基本结构,四轴250,二、无人机的基本结构,2.动力装置1）电池 主要为无人机提供能量，无人机多采用锂聚合物电池。2）电调 （Electronic Speed Controller，ESC），全称电子调速器。它的主要功能是将飞控板的控制信号进行功率放大，并向各开关管送去能使其饱和导通和可靠关断的驱动信号，以控制电动机的转速；将电源电压转换为5V，为飞控板、遥控接收机供电；将直流电源转换为三相电源，为无刷电机供电。3）电机 带动浆叶旋转使多旋翼无人机产生升力，通过对各电机转速的控制，可使多旋翼无人机完成飞行活动。4）螺旋桨 旋转产生拉力或推力使无人机完成飞行活动。3.飞控稳定无人机飞行姿态，并能控制无人机自主或半自主飞行。,3.多旋翼无人机的基本结构,目 录,第一节 无人机结构与系统概述,第二节 无人机的基本结构,第三节 无人机动力系统,第四节 无人机控制站与飞行控制系统,第五节 无人机通信导航系统,第六节 无人机任务载荷系统与发射回收系统,三、无人机动力系统,无人机的动力系统为无人机提供了动力，使无人机能够进行飞行活动。无人机的动力系统有三种类型：（1）以电池为能源的电动系统（2）以燃油类发动机为动力的油动系统（3）油电混合系统。目前油电混合系统更多的应用于汽车中，在无人机领域较少使用。,三、无人机动力系统,电动系统是将化学能转化为电能再转化为机械能为无人机飞行提供动力的系统电动系统由电池、电调、电机和螺旋桨等四个部分组成。,1.电动系统,三、无人机动力系统,1）电池主要为无人机提供能量，有镍镉、镍氢、锂离子、锂聚合物电池考虑到电池的重量和效率问题无人机多采用锂聚合物电池电压，分为额定电压、开路电压、工作电压和充电电压等，单位为伏特（V），符号U。额定电压，是指电池工作时公认的标准电压，例如锂聚合物电池为3.7V；开路电压，是指无负载使用情况下的电池电压；工作电压，是指电池在负载工作情况下的放电电压，它通常是一个电压范围。例如：锂聚合物电池的工作电压为3.74.2V；充电电压是指外电路电压对电池进行充电时的电压，一般充电电压要大于电池开路电压。,1.电动系统,三、无人机动力系统,1）电池电池容量，是指电池储存电量的大小，电池容量分为实际容量、额定容量、理论容量，单位为毫安时（mAh），符号C。实际容量，是指在一定放电条件下，在终止电压前电池能够放出的电量；额定容量，是指电池在生产和设计时，规定的在一定放电条件下电池能够放出的最低电量；理论容量，是指根据电池中参加化学反应的物质计算出的电量。电池倍率，一般充放电电流的大小常用充放电倍率来表示，符号C，即：充放电倍率=充放电电流/额定容量；例如：额定容量为10Ah的电池用4A放电时，其放电倍率为0.4C；1000mAh、10C的电池，最大放电电流=100010=10000mA=10A。,1.电动系统,三、无人机动力系统,2）电调电调主要功能是将飞控板的控制信号进行功率放大，并向各开关管送去能使其饱和导通和可靠关断的驱动信号，以控制电动机的转速。电调两端都有接线，输入线与电池相连，输入电流，输出线与电机相连，用以调整电机转速，无刷电调有三根输出线，信号线与飞控连接，接收飞控信号并给飞控供电。3）电机电机旋转带动浆叶使无人机产生升力和推力等，通过对电机转速的控制，可使无人机完成各种飞行状态。有刷电机中的电刷在电机运转时产生电火花会对遥控无线电设备产生干扰，且电刷会产生摩擦力，噪音大，目前在无人机领域已较少使用，更多采用的是无刷电机。电机的型号通常用形如“XXXX”型数字来表示。例如：2212外转子无刷动力电机，即表示电机定子直径22mm，电机定子高度为12mm。,1.电动系统,三、无人机动力系统,2）电调电调主要功能是将飞控板的控制信号进行功率放大，并向各开关管送去能使其饱和导通和可靠关断的驱动信号，以控制电动机的转速。因为电机的电流是很大的，正常工作时通常为320A。飞控没有驱动无刷电机的功能，需要电调将直流电源转换为三相电源，为无刷电机供电。同时电调在多旋翼无人机中也充当了电压变化器的作用，将11.1V的电源电压转换为5V电压给飞控、遥控接收机供电，如果没有电调，飞控板根本无法承受这样大的电流电调两端都有接线，输入线与电池相连，输入电流，输出线与电机相连，用以调整电机转速，无刷电调有三根输出线，信号线与飞控连接，接收飞控信号并给飞控供电。,1.电动系统,三、无人机动力系统,3）电机电机旋转带动浆叶使无人机产生升力和推力等，通过对电机转速的控制，可使无人机完成各种飞行状态。有刷电机中的电刷在电机运转时产生电火花会对遥控无线电设备产生干扰，且电刷会产生摩擦力，噪音大，目前在无人机领域已较少使用，更多采用的是无刷电机。电机的型号通常用形如“XXXX”型数字来表示。例如：2212外转子无刷动力电机，即表示电机定子直径22mm，电机定子高度为12mm。电机KV值，用来表示电机空载转速，指电压每增加1V，无刷电机增加的每分钟转速，即电机空载转速=电机KV电池电压。例如：920KV的电机，电池电压为11.1V，那么电机的空载转速应该为92011.1=10212转/分钟。,1.电动系统,三、无人机动力系统,4）螺旋桨多旋翼无人机多采用定距螺旋桨，即桨距固定。螺旋桨尺寸，通常用形如“XXXX”型数字来表示，前两位数字表示螺旋桨直径，后两位数表示螺旋桨螺距，单位均为英寸（in），一英寸约等于2.54厘米，螺距即桨叶旋转一圈旋转平面移动的距离。螺旋桨有正反桨之分，顺时针方向旋转的是正桨，逆时针旋转方向旋转的是反桨。电机与螺旋桨的配型原则：高KV电机配小桨，低KV电机配大桨。因为电机KV值越小转动惯量越大，KV值越大转动惯量越小，所以螺旋桨尺寸越大，无人机产生的升力就越大，需要更大力量来驱动螺旋桨旋转，采用低KV电机；反之螺旋桨越小，需要转速更快，才能达到足够升力，采用高KV电机。,1.电动系统,三、无人机动力系统,5）接线方式多旋翼无人机的多个旋翼轴上的电调，其输入端的红、黑线需并联接到电池的正、负极上；其输出端的3根黑色线连接到电机；其BEC信号输出线，用于输出5V电压给飞控供电和接收飞控的控制信号；遥控接收机连接在飞行控制器上，输出遥控信号，并同时从飞控上得到5V供电。,1.电动系统,动力系统中电池、电调、电机之间的接线方式,三、无人机动力系统,燃油类发动机工作过程是将化学能转化为机械能的过程。常用的燃油类发动机有活塞式发动机和燃气涡轮发动机。1.活塞式发动机1）活塞式发动机的结构活塞发动机，也叫往复式发动机，是一种利用气缸内燃料燃烧膨胀产生压力推动活塞运动做功的机器，将化学能转化为热能又转化成了机械能。活塞式发动机是内燃机的一种，靠汽油、柴油等燃料提供动力。活塞式发动机主要由气缸、活塞、连杆、曲轴、气门机构、螺旋桨减速器和机匣等组成。根据燃料点火方式的不同，活塞式发动机以分为电火花点燃燃料的点燃式发动机和压缩空气使空气温度升高点燃燃料的压燃式发动机，大部分汽油机都是点燃式，大部分柴油机都是压燃式,2.油动系统,三、无人机动力系统,2）四冲程发动机工作原理冲程：活塞从上止点到下止点或者从下止点到上止点称为一个冲程，即曲轴转动半圈。活塞式航空发动机是由汽车的活塞式发动机发展而来，大多是四冲程发动机，活塞在气缸内要经过四个冲程，依次是进气冲程、压缩冲程、做功冲程和排气冲程，工作原理如图2-25所示。发动机除主要部件外，还须有若干辅助系统与之配合才能工作。,2.油动系统,三、无人机动力系统,3）二冲程发动机工作原理发动机完成两个行程作为一个完整工作循环的。进气、压缩、膨胀和排气这四个步骤是曲轴旋转一圈完成的，且曲轴每旋转一圈对外做一次功。二冲程发动机的进气孔和排气孔设置在缸体上，活塞的上下移动就能打开或关闭气孔，实现进气和排气。而四冲程发动机则是由相应的驱动机构定时的打开或者关闭进气门和排气门。,2.油动系统,三、无人机动力系统,4）发动机系统组成发动机除主要部件外，还须要有其他相关系统与之相互配合才能工作。主要有进气系统、燃油系统、点火系统、冷却系统、启动系统、散热系统等。进气系统，为燃烧做功提供燃料和清洁空气并使之混合然后输送到气缸内。进气系统内常装有增压器，作用是用来增大进气压力。燃油系统，燃料系统由油箱、油泵、汽化器或燃料喷射装量等组成。作用是为发动机持续不断提供洁净燃油。燃料泵将汽油压入气化器，汽油在此雾化并与空气混合进入气缸。点火系统，用于点燃式发动机，点燃空气和燃油的混合气体。点火系统由磁电机产生的高压电在规定的时间产生电火花，将气缸内的混合气体点燃。,2.油动系统,三、无人机动力系统,冷却系统，发动机内燃料燃烧时产生的热量除转化为动能使活塞运动和排出废气带走部分内能外，还有很大一部分传给了气缸壁和其他有关机件。冷却系统的作用就是将这些热量散发出去，以保证发功机的正常工作。启动系统，发动机由静止到工作需要外力转动曲轴，使活塞开始往复运动直到工作循环能够自动进行。这个过程叫做发动机的启动。散热系统，为了使发动机产生的热量能及时排出，在合适的温度工作，必须对气缸和气缸盖进行适当地冷却。冷却方法有两种，一种是水冷，另一种是风冷。水冷发动机的气缸周围和气缸盖中都加工有冷却水套，并且气缸体和气缸盖冷却水套相通，冷却水在水套内不断循环，带走部分热量，对气缸和气缸盖起冷却作用。,2.油动系统,三、无人机动力系统,2.燃气涡轮发动机1）燃气涡轮发动机的结构燃气涡轮发动机主要由进气道、压气机、燃烧室、涡轮和尾喷管五个部分组成。其中压气机、燃烧室、涡轮是发动机的核心组成部分，称为“核心机”。,2.油动系统,1-压气机；2-燃烧室；3-涡轮；4-进气道；5-燃油喷嘴；6-尾喷管,三、无人机动力系统,2）工作原理新鲜空气进入进气道，流经压气机时，压气机对气体做功，气体变成高温高压气体，进入燃烧室与燃油混合燃烧成为具有很高能量的高温高压燃气。燃气流过涡轮时驱动涡轮旋转，从而带动压气机工作，最后从涡轮中流出的温度和压力都下降但速度增大的燃气，在尾喷管中继续膨胀，以高速沿发动机轴向从喷口向后排出。,2.油动系统,三、无人机动力系统,3）涡轮喷气发动机组成：进气道，压气机，燃烧室，涡轮，尾喷管。工作原理：进气道进气压气机增压燃烧室加热涡轮膨胀做功带动压气机尾喷管膨胀加速排气到体外。4）涡轮螺旋桨发动机组成：进气道，压气机，燃烧室，涡轮，尾喷管，减速器，螺旋桨。工作原理：进气道进气压气机增压燃烧室加热涡轮膨胀做功带动压气机和螺旋桨尾喷管膨胀加速排气到体外5）涡轮轴发动机组成：进气道，压气机，燃烧室，涡轮，尾喷管，功率输出轴，主减速器等。工作原理：进气道进气压气机增压燃烧室加热涡轮膨胀做功带动压气机和螺旋桨尾喷管膨胀加速排气到体外。,2.油动系统,目 录,第一节 无人机结构与系统概述,第二节 无人机的基本结构,第三节 无人机动力系统,第四节 无人机控制站与飞行控制系统,第五节 无人机通信导航系统,第六节 无人机任务载荷系统与发射回收系统,四、无人机控制站与飞行控制系统,无人机控制站，又称地面站，通常由显控台和通信设备组成，是无人机系统的重要组成部分，主要功能是监测和控制无人机的飞行过程、飞行航迹、有效载荷、通讯链路等，并对一些故障予以及时警报并采取相应的诊断处理措施。1.控制站功能导航和目标定位。有效载荷数据的显示和有效载荷的控制。无人机的姿态控制。任务规划、飞行器位置监控、及航线的地图显示。与其他子系统的通信链路。2.控制站软件3.控制站硬件地面站系统泛指地面上可以对无人机发出指令以及接受无人机传回信息的设备，它的硬件可以是一个遥控器，也可以是一部手机，或者说一台笔记本电脑。,1.无人机控制站,四、无人机控制站与飞行控制系统,无人机飞行控制系统是控制无人机飞行姿态和运动的设备，由传感器、机载计算机和执行机构三大部分组成。1.飞行控制系统的组成1）传感器陀螺仪 加速度计 气压计 GPS2）机载计算机机载计算机是飞行控制系统的核心部件，应具有姿态稳定与控制、导航与制导控制、自主飞行控制、自动起飞及着陆控制的功能。3）执行机构执行机构其主要作用是根据飞控计算机的指令，按规定的静态和动态要求，通过对无人机各控制舵面和发动机节风门等的控制，实现对无人机的飞行控制。,2.无人机飞行控制系统,四、无人机控制站与飞行控制系统,2.飞行控制系统的功能完成多路模拟信号的高精度采集，包括陀螺信号、航向信号、舵偏角信号、发动机转速、缸温信号、动静压传感器信号、电源电压信号等。输出各类能适应不同执行机构控制要求的信号。利用多个通信信道，分别实现与机载数据终端、GPS信号、数字量传感器以及相关任务设备的通信。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。,2.无人机飞行控制系统,目 录,第一节 无人机结构与系统概述,第二节 无人机的基本结构,第三节 无人机动力系统,第四节 无人机控制站与飞行控制系统,第五节 无人机通信导航系统,第六节 无人机任务载荷系统与发射回收系统,五、无人机通信导航系统,无人机通信导航系统由机载设备和地面设备组成。机载设备也称机载数据终端，包括机载天线、遥控接收机、遥测发射机、视频发射机和终端处理机等。地面设备包括由天线、遥控发射机、遥测接收机、视频接收机和终端处理机构成的测控站数据终端，以及操纵和监视设备。机载设备一方面接收处理各个传感器的飞行参数，并将这些数据发送给地面站；另一方面接收来自地面站的遥控指令，以调整无人机飞行参数。地面设备对来自无人机的数据接收处理，也发送指令调整飞行状态。,五、无人机通信导航系统,无人机的通信不仅仅体现在遥控操纵方面，还有数据和图像资料的传输方面。通信是通过信号来传输的，所以一般把无人机的无线控制信号分为遥控器信号、数据传输信号和图像传输信号。1.频段1）2.4G无人机的遥控器信号大多数采用的无线通信芯片用的是2.4G无线技术，也有图传使用2.4G无线技术的。,1.无人机通信,五、无人机通信导航系统,2）5.8G5.8GHz频段包含了三个100MHz频段，分别是：（1）5.155.25GHz，适用于室内无线通信；（2）5.255.35GHz，适用于中等距离通信；（3）5.7255.825GHz，目前用于社区的宽带无线接入。（4）5.8G相比较2.4G而言优势是比较明显的，实现容易，频谱利用率高，业务种类多，接口简单统一，升级容易，特别适合于非连接的数据传输业务；基于电路的技术时延小，适合于进行传统的语音传送和基于连接的传输业务。但是5.8G也有缺点，波长较短、绕射能力较差、传输带宽也比2.4GHz要小些。3）1.2G1.2G频率最低，穿透力最强，所以直线传输距离也最远，但是这是军方和政府常用的频段，民用是禁止的。,1.无人机通信,五、无人机通信导航系统,2.传输技术1）Wi-Fi传输Wi-Fi，全称Wireless Fidelity ，是基于IEEE 802.11b标准的无线局域网技术，通常使用2.4G特高频无线电波或5G超高频无线电波。和蓝牙技术类似，通过该技术，相关电子设备可以接入无线局域网以实现在小范围里高速传输信号。手机端通过Wi-Fi沟通地面中继端的的Wi-Fi模块SKW77，地面中继端的的Wi-Fi模块SKW77通过Wi-Fi再沟通无人机端的Wi-Fi模块SKW77，既可以发送来自地面手机端的控制信号，也可以通过Wi-Fi传输无人机航拍的视频数据到手机端。,1.无人机通信,五、无人机通信导航系统,2）4G网络在航模领域，控制飞行器常用的是遥控器。信号较好的2.4G、5.8G遥控器往往能高质量的传输控制信号，但这是在视线以内可直线传输信号的情况下。如果在非视距内的情况下，比如被建筑物遮挡等，就会出现失控。但如果有了4G网络，假设网络信号稳定且时延小到忽略不计，那么4G网络无论是作为遥控器信号的辅助，还是完全作为控制信号，无人机的可控范围就会大很多。这就相当于让可以控制的范围扩大到整个4G网络信号覆盖区域。4G网络的优点是通信传输距离可以很远，缺点是限于低空200米，所以只能用于低空民用无人机。3）数据卫星4G通信的最大缺陷是低空控制，那么高空控制就需要卫星来实现。通过发射卫星提供中继服务，可以使无人机控制范围更广，但是成本高，所以这种方式只作为辅助通信使用。,1.无人机通信,五、无人机通信导航系统,1.无人机通信,五、无人机通信导航系统,4）COFDM在无人机的视频传输方面，一般的做法是采用模拟图传或者Wi-Fi图传，但是模拟图传画面质量不够好，Wi-Fi图传会有马赛克、容易停顿或卡死。COFDM技术刚好解决了两个方面的问题。COFDM高清图传是指前端摄像机或播放设备通过数字高清接口（HDMI/SDI数字信号）传送 19201080像素逐行扫描画质的视频给到 COFDM 调制方式的发射机，发射机编码后通过天线用无线微波方式向外传送信号，另外一端接收机通过天线隔空接收信号，解码还原为全高清数字信号（HDMI）输出。 COFDM高清图传设备，如图2-33所示。通过COFDM技术，传输数据量大，距离远，是民用无人机通信的首选。,1.无人机通信,五、无人机通信导航系统,导航是把飞行器从出发地引导到目的地的过程。一般需要测定的导航参数有位置、方向、速度、高度和航迹等。目前用于无人机的导航技术有：无线电导航、惯性导航、卫星导航、图像匹配导航、天文导航和组合导航等。1.无线电导航无线电导航（Radio Navigation）借助于无线电波的发射和接收，测定飞行器相对于导航台的方位、距离等，以确定飞行器的导航参数。其特点是受气候条件限制少，作用距离远，精度高，设备简单可靠，应用广。无线电导航根据测量参数不同分为测向无线电导航、测距无线电导航、测距差无线电导航和测速无线电导航。,2.无人机导航,五、无人机通信导航系统,2.惯性导航惯性导航是通过测量飞行过程中的加速度（注：加速度是指一段时间内速度的变化量与这段时间的比值，反应速度变化的快慢），经过运算得到无人机当时速度和位置的一种综合性导航技术，这是应用较为广泛的导航方式。惯性导航原理简述：在二自由度惯性导航中，无人机上装有陀螺平台，平台始终平行于地面，在平台上沿南北方向和东西方向分别放置一个加速度计，如图2-34所示，飞行起点为原点，无人机开始飞行后，加速度计，随时测量两个方向的直线加速度，最终计算得到速度和位移。,2.无人机导航,五、无人机通信导航系统,3.卫星导航卫星导航是利用导航卫星发射的无线电信号，求出无人机相对卫星的位置，再根据已知的卫星相对地面的位置，计算出无人机在地球上的位置。卫星导航系统由导航卫星、地面台站和用户定位设备三个部分组成。目前世界上已有的卫星导航系统有：美国的卫星全球定位系统（GPS）、俄罗斯的全球导航卫星网（GLONASS）、欧洲的“伽利略”导航卫星系统和中国的“北斗”导航定位卫星系统（BDS）。,2.无人机导航,五、无人机通信导航系统,4.图像匹配导航由于地表特征一般很难发生变化，所以预先拍摄地表图片保存在无人机中，当无人机飞过时，通过辨别原图和当前地表特征来判断飞行位置，从而进行导航。图像匹配导航分为地形匹配导航和景象匹配导航两种。图像匹配导航的关键数据原图称为数字地图。5.天文导航天文导航是以已知准确空间位置的自然天体为基准，通过天体测量仪器被动地探测天体位置，经解算确定测量点所在载体的导航信息。常用的天文导航仪器有星体跟踪器、天文罗盘和六分仪等。6.组合导航组合导航，是无线电导航、卫星导航、图像匹配导航和天文导航等一个或几个与惯性导航组合在一起，形成的综合导航系统。因为惯性导航能够提供比较多的导航参数，还能够提供全姿态信息参数，所以一般组合导航中以惯性导航为主。,2.无人机导航,目 录,第一节 无人机结构与系统概述,第二节 无人机的基本结构,第三节 无人机动力系统,第四节 无人机控制站与飞行控制系统,第五节 无人机通信导航系统,第六节 无人机任务载荷系统与发射回收系统,六、无人机任务载荷系统与发射回收系统,无人机任务载荷系统，是指装备到无人机上用以实现无人机飞行所要完成的特定任务的设备、仪器及其子系统。1.军用任务载荷军用无人机安装的光电侦察设备主要有CCD、前视红外仪、合成孔径雷达、激光测距和激光雷达等。,1.无人机任务载荷系统,六、无人机任务载荷系统与发射回收系统,2.民用任务载荷 航空照相机、摄像机、红外热像仪、搭载药箱、喷洒设备或者GPS定位系统等任务载荷的无人机，可以完成很多人难以完成的任务。,1.无人机任务载荷系统,六、无人机任务载荷系统与发射回收系统,发射回收系统保证无人机顺利完成起飞升空，并在执行完任务后保证无人机从天空安全降落到地面。多旋翼无人机和无人直升机的发射回收一般采用垂直起降的方式。固定翼无人机常采用以下发射回收方式：1.发射系统手抛发射，这种发射方式简单可靠但是受到重量限制，是所有发射方式中最简单的，由操作手投掷到空中，一般适用于微、小型低速无人机，靠无人机自身动力起飞。,2.无人机发射回收系统,六、无人机任务载荷系统与发射回收系统,零长发射，一台或者多台助飞火箭发动机作为助推器产生推力，使安装在零长发射装置上的无人机发射升空，助飞火箭发动机工作时间只有几秒，无人机飞离发射装置后，助飞火箭将被抛离机体，此时无人机由机上的主发动机产生升力并完成飞行任务。一般适用于中小型无人机，如美国的“火蜂”、“猎人等”。,2.无人机发射回收系统,六、无人机任务载荷系统与发射回收系统,弹射式发射，是将弹性势能转换为机械能，使无人机加速到安全起飞速度。比如在压缩空气、橡皮筋或者液压等弹射装置产生的弹力作用下，使安装在轨道式发射装置上的无人机发射升空，当无人机飞离发射装置后，由无人机上的主发动机产生升力并完成飞行任务。,2.无人机发射回收系统,六、无人机任务载荷系统与发射回收系统,起落架滑跑起飞，无人机起落架滑跑起飞受到地面环境条件的限制，与有人机起飞方式机相似，不同的地方在于以下两点。（1）无人机起落架可以采用可弃式起落架，只在起飞阶段用到起落架，起飞后便抛弃，减轻无人机重量，等到回收时用其他回收方式。 （2）轻、微型无人机一般采用固定起落架，结构简单。而远航飞行的大、小型无人机则采用可收放起落架，以减少飞行过程中因起落架产生的阻力。 起落架滑跑起飞几乎适用于任何类型的无人机。,2.无人机发射回收系统,六、无人机任务载荷系统与发射回收系统,空中发射，无人机一般由直升机携带在两侧或者悬挂在固定翼翼下和机腹的挂架上，由有人驾驶无人机携带无人机到空中，当达到无人机预定所需高度和速度时，先启动无人机发动机再将无人机投放至空中。但无人机空中发射成本较高，除任务特别要求外一般不采用。,2.无人机发射回收系统,六、无人机任务载荷系统与发射回收系统,垂直起飞，这种起飞方式对场地要求不高，且旋翼无人机和固定翼无人机垂直起飞方式不同。旋翼无人机垂直起飞，以旋翼作为产生升力的部件，动力系统工作带动旋翼旋转产生升力，垂直起飞。固定翼无人机垂直起飞，有两种形式，一种是在发射场上将无人机以垂直的形态放置，由无人机尾部支座支撑，在机上发动机作用下起飞。另一种是在无人机上配置专门用于垂直起飞用的发动机，使无人机能够无人机垂直起飞。,2.无人机发射回收系统,六、无人机任务载荷系统与发射回收系统,2.回收系统伞降回收，由主伞和减速伞（阻力伞）二级伞组成降落伞，回收方式较为普通。使用伞降方式回收的无人机在回收时，先由无人机接收地面站发送的回收指令，无人机开始无动力飞行，减速降高到合适值时，减速伞打开，减小无人机下降过程的速度直到合适高度速度时主伞打开，充气完成的主伞悬挂无人机慢慢着陆，着陆瞬间开关接通主伞脱离。,2.无人机发射回收系统,六、无人机任务载荷系统与发射回收系统,空中回收，用有人机回收无人机，使用这种回收方式的前提是有人机上必须有空中回收系统，无人机上必须有减速伞、主伞、钩挂伞、吊索和可旋转的脱落机构。它的工作过程是地面站给无人机发出遥控指令，无人机接收指令，减速伞打开，同时使发动机停车，无人机开始下降；当无人机在减速伞作用下降到合适高度和速度时，主伞和钩挂伞打开，钩挂伞高于主伞，吊索方向指向前进的方向。此时有人机逆风进入，钩住无人机钩挂伞和吊索，主伞自动脱离无人机，有人机空中悬挂运走无人机。这种回收方式的好处是不会损伤无人机，不足之处是成本过高，不能大范围使用。,2.无人机发射回收系统,六、无人机任务载荷系统与发射回收系统,起落架滑跑着陆，与有人机相似，无人机起落架滑跑着陆受到地面环境条件的限制，不同之处在于：（1）在跑道要求方面，无人机比有人机要求低。（2）有些无人机特意将起落架局部设计成较脆弱的结构，用以吸收无人机着陆时撞地能量。（3）有些无人机会在尾部装上尾钩，在回收着陆滑跑过程中，尾钩勾住地面的拦截锁，通过拦截索的弹性变形吸收无人机的动能，降低速度缩短滑跑距离。,2.无人机发射回收系统,六、无人机任务载荷系统与发射回收系统,撞网回收，用阻拦网系统回收无人机是目前世界小型无人机较普遍采用的回收方式之一。阻拦网系统通常由阻拦网、能量吸收装置和自动引导设备组成。能量吸收装置与拦阻网相连，其作用是吸收无人机撞网的能量，免得无人机触网后在网上弹跳不止，以致损伤。自动引导设备一般是一部置于网后的电视摄像机，或是装在拦阻网架上的红外接收机，由它们及时向地面站报告无人机返航路线的偏差。,2.无人机发射回收系统,六、无人机任务载荷系统与发射回收系统,“天钩”回收，和撞网回收相似，回收时控制无人机飞向绳索，利用无人机翼尖挂钩钩住绳索回收。气垫着陆，这种方式不需要起落架和降落伞，无人机在着陆前打开气囊，发动机把空气压入气囊，压宿空气从囊口喷出，在机腹下形成高压空气区气垫，实现无人机着陆时的缓冲目的。但需要注意的是，依靠气囊直接着陆，缓冲能力有限，只适用于微小型无人机。垂直着陆回收，同垂直起飞方式一样，对场地要求不高，且旋翼无人机和固定翼无人机垂直着陆方式不同。（1）旋翼无人机垂直着陆，以旋翼作为产生升力的部件，旋翼旋转产生升力，控制旋翼转速能控制升力大小使无人机垂直着陆。（2）固定翼垂直着陆：同固定翼垂直起飞的两种方式相同，实质上是以发动机推力直接抵消重力。,2.无人机发射回收系统,