第一讲--无人机系统原理和系统组成

课程内容：（1）无人机的系统定义（2）无人机的系统组成和基本原理•无人驾驶飞机简称“无人机”，英文缩写为“UAV”，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机。从技术角度定义可以分为：无人固定翼机、无人垂直起降机、无人飞艇、无人直升机、无人多旋翼飞行器、无人伞翼机等。•（1）系统组成无人机飞行平台任务装置地面控制站（地面站）发射与回收系统机身动力装置飞行控制系统显示系统控制系统数据传输系统•机身•固定翼无人机机身一般由epp、epo、玻璃钢、木材等高强度低质量的材质构成。•多旋翼无人机机身一般由碳纤维材料作为主要材质。•飞控•飞控系统用于无人机的导航、定位和自主飞行控制，它由飞控板、惯性导航系统(IMU,、GPS接收机、气压传感器、空速传感器等部件组成•飞控系统性能指标要求•a)飞行姿态控制稳度:横滚角应小于±3°俯仰角应小于±3°航向角应小于±3°•b)航迹控制精度:偏航距应小于±20米、航高差应小于±20米、航迹弯曲度应小于±5°。•以四旋翼为例：•1.结构：旋翼对称分布在机体的前后、左右四个方向，四个旋翼处于同一高度平面，且四个旋翼的结构和半径都相同，四个电机对称的安装在飞行器的支架端，支架中间空间安放飞行控制计算机和外部设备。结构形式如图1.1所示。•工作原理•四旋翼飞行器通过调节四个电机转速来改变旋翼转速，实现升力的变化，从而控制飞行器的姿态和位置。四旋翼飞行器是一种六自由度的垂直升降机，但只有四个输入力，同时却有六个状态输出，所以它又是一种欠驱动系统。•四旋翼飞行器的电机1和电机3逆时针旋转的同时，电机2和电机4顺时针旋转，因此当飞行器平衡飞行时，陀螺效应和空气动力扭矩效应均被抵消。•在上图中，电机1和电机3作逆时针旋转，电机2和电机4作顺时针旋转，规定沿x轴正方向运动称为向前运动，箭头在旋翼的运动平面上方表示此电机转速提高，在下方表示此电机转速下降。•（1）垂直运动：同时增加四个电机的输出功率，旋翼转速增加使得总的拉力增大，当总拉力足以克服整机的重量时，四旋翼飞行器便离地垂直上升；反之，同时减小四个电机的输出功率，四旋翼飞行器则垂直下降，直至平衡落地，实现了沿z轴的垂直运动。当外界扰动量为零时，在旋翼产生的升力等于飞行器的自重时，飞行器便保持悬停状态。•（2）俯仰运动：在图（b）中，电机1的转速上升，电机3的转速下降（改变量大小应相等），电机2、电机4的转速保持不变。由于旋翼1的升力上升，旋翼3的升力下降，产生的不平衡力矩使机身绕y轴旋转，同理，当电机1的转速下降，电机3的转速上升，机身便绕y轴向另一个方向旋转，实现飞行器的俯仰运动。•（3）滚转运动：与图b的原理相同，在图c中，改变电机2和电机4的转速，保持电机1和电机3的转速不变，则可使机身绕x轴旋转（正向和反向），实现飞行器的滚转运动。•（4）偏航运动：旋翼转动过程中由于空气阻力作用会形成与转动方向相反的反扭矩，为了克服反扭矩影响，可使四个旋翼中的两个正转，两个反转，且对角线上的各个旋翼转动方向相同。反扭矩的大小与旋翼转速有关，当四个电机转速相同时，四个旋翼产生的反扭矩相互平衡，四旋翼飞行器不发生转动；当四个电机转速不完全相同时，不平衡的反扭矩会引起四旋翼飞行器转动。在图d中，当电机1和电机3的转速上升，电机2和电机4的转速下降时，旋翼1和旋翼3对机身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4对机身的反扭矩，机身便在富余反扭矩的作用下绕z轴转动，实现飞行器的偏航运动，转向与电机1、电机3的转向相反。•（5）前后运动：要想实现飞行器在水平面内前后、左右的运动，必须在水平面内对飞行器施加一定的力。在图e中，增加电机3转速，使拉力增大，相应减小电机1转速，使拉力减小，同时保持其它两个电机转速不变，反扭矩仍然要保持平衡。按图b的理论，飞行器首先发生一定程度的倾斜，从而使旋翼拉力产生水平分量，因此可以实现飞行器的前飞运动。向后飞行与向前飞行正好相反。（在图b图c中，飞行器在产生俯仰、翻滚运动的同时也会产生沿x、y轴的水平运动。）•（6）倾向运动：在图f中，由于结构对称，所以倾向飞行的工作原理与前后运动完全一样。•例：md4-1000•microdronesmd4-1000四旋翼系统是一种全球技术领先的垂直起降小型自动驾驶无人飞行器系统，可用于执行资料收集、协调指挥、搜索、测量、通讯、检测、侦查等多种空中任务。机体和云台完全采用特殊的碳纤维材料制造，制造工艺源自德国著名的无人机复合材料公司SCHÜBELER，拥有更轻的重量和更高的强度，折叠式支臂设计更方便运输。•md4-1000可以通过遥控器人工操控飞行，也可以借助独一无二的GPSWaypoint系统进行自动驾驶飞行，和md4-200一样，是目前全世界同类无人飞行器产品中唯一可以提供自动驾驶飞行功能的先进无人飞行器系统。•md4-1000拥有优秀的安全设计，任何时候只要停止遥控器操作，飞行器就会自动悬停在空中。如果时间超过30秒接收不到遥控器信号或者电池电量过低，飞行器就会自动缓慢迫降到地面。•做为一种小型电动无人飞行器，md4-1000拥有极高的动力效率，一块机载电池支撑的续航时间最高可长达70分钟（视电池配置、任务载荷及环境如风速、环境温度等状况而定），更换机载电池的操作不超过1分钟就可完成•由于4个250W无刷直驱电机工作时不需要齿轮传动，机械安全性大幅提高，电机高效率运转的同时产生的噪音却很小，在3米的距离悬停时噪音小于71dBA。•固定翼航测无人机组成和原理•1.组成：机体结构、航电系统、动力系统、起降系统和地面控制站。•机体结构由可拆卸的模块化机体组成，既方便携带，又可以在短时间内完成组装、起飞。•航电系统由飞控电脑、感应器、酬载、无线通讯、空电电池组成，完成飞机控制系统的需要。•动力系统由动力电池、螺旋桨、无刷马达组成，提供飞机飞行所需的动力。起降系统由弹射绳、弹射架、降落伞组成，帮助飞机完成弹射起飞和伞降着陆。地面控制站包括地面站电脑、手柄、电台等通讯设备，用以辅助完成路线规划任务和飞行过程的监控。•2.原理：•动力原理：动量守恒P=mv。一般可通过机身前部或者后部的螺旋桨推送空气提供反向动力，同时在高空中借助气流飞行与姿态调整。借助副翼，升降舵，方向舵提供无人机飞行需要的横滚，俯仰，姿态力矩。•飞行原理：固定翼无人机，其机翼外形让上下面空气流速不一样，产生了压力差，空气将其托举于长空;无人直升机则可以看成把机翼旋转起来，靠螺旋桨上下表面的压力差。•多旋翼和固定翼无人机各自有哪些优缺点：•在操控性方面，多旋翼的操控是最简单的。它不需要跑道便可以垂直起降，起飞后可在空中悬停。它的操控原理简单，操控器四个遥感操作对应飞行器的前后、左右、上下和偏航方向的运动。在自动驾驶仪方面，多旋翼自驾仪控制方法简单，控制器参数调节也很简单。相对而言，学习固定翼和直升机的飞行不是简单的事情。固定翼飞行场地要求开阔，而直升机飞行过程中会产生通道间耦合，自驾仪控制器设计困难，控制器调节也很困难。•在可靠性方面，多旋翼也是表现最出色的。若仅考虑机械的可靠性，多旋翼没有活动部件，它的可靠性基本上取决于无刷电机的可靠性，因此可靠性较高。相比较而言，固定翼和直升机有活动的机械连接部件，飞行过程中会产生磨损，导致可靠性下降。而且多旋翼能够悬停，飞行范围受控，相对固定翼更安全。•在勤务性方面，多旋翼的勤务性是最高的。因其结构简单，若电机、电子调速器、电池、桨和机架损坏，很容易替换。而固定翼和直升机零件比较多，安装也需要技巧，相对比较麻烦。•在续航性能方面，多旋翼的表现明显弱于其他两款，其能量转换效率低下。•在承载性能方面，多旋翼也是二者中最差的。•航测无人机安全性要求•1.无人机应配备伞降设备，在无人机遇到突发故障时，可通过降落伞减缓下降速度、避免或减小对地面目标的冲击和损害、减小飞行平台和机载设备的损伤；•2.设计飞行高度应高于摄区和航路上最高点100m以上；•3.设计航线总航程应小于无人机能到达的最远航程；•4.距离军用、商用机场须在10km以上；•5.起降场地相对平坦、通视良好；•6.远离人口密集区，半径200m范围内不能有高压线、高大建筑物、重要设施等；•7.起降场地地面应无明显凸起的岩石块、土坎、树桩，也无水塘、大沟渠等；•8.附近应无正在使用的雷达站、微波中继、无限通信等干扰源，在不能确定的情况下，应测试信号的频率和强度，如对系统设备有干扰，须改变起降场地；•9.无人机采用滑跑起飞、滑行降落的，滑跑路面条件应满足其性能指标要求。