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无人机是怎么飞起来的?了解一下
左小木 | 2018-05-07 11:15:00    阅读:12267   发布文章

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你知道吗?无人机开始航拍了。

你知道吗?无人机开始打药施肥了。

你知道吗?无人机又要开始送快递了。

       无人机作为当下集高热度、高科技、高逼格于一身的产品,如若年轻的你现在还不甚了解,就有像家中爸妈不了解智能手机的感觉了,所以,还是很有必要拿出来讲解一下。本编通过搜罗各种资料及分析报告,主要就系统组成架构和相关技术应用(分两期)为大家搞一波普及,让大家对无人机有一定基本的了解。

       无人机的出现其实与计算机有点类似,都是为战争服务的。而现在的无人机发展也同计算机一样,普及应用到了众多领域。若论军用领域,还是人家老美玩得大,整体来看仍是高于其他玩家一个段位;但是若论消费领域,我国的无人机绝对不输给老美,毕竟,一个大疆就拿下了全球民用无人机过半的市场份额,也是没谁了。

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(奥迪A8L发布会上的5003D立体无人机编队)

无人机的定义

      无人机(Unmanned Aerial Vehicle)的定义很宽泛,简单来说,所有利用无线电遥控设备和程序控制装置的不载人飞机都可以叫做无人机。按照操作平台不同,无人机主要可以分为无人直升机、固定翼无人机和多旋翼无人机,而现在市面上应用最火的四旋翼无人机其实属于多旋翼无人机较为特殊的一类,也是现在的主流应用。

无人机分类及用途

固定翼无人机

      固定翼无人机。通过机翼与空气的相对运动产生上升的升力,通过螺旋桨或涡轮发动机产生推力作为其向前飞行的动力。因而固定翼无人机在飞行范围、速度、高度及续航能力等方面有突出优势。但是固定翼无人机有一个比较大的短板,即无法实现悬停。主要应用在军用和多数民用场景中,例如高空侦察、电力巡线、公路监控等。

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    多旋翼无人机

  多旋翼无人机。依靠多个旋翼产生的升力来平衡飞行器的重力,并升空起飞,通过改变每个旋翼的转速来控制飞行器的姿态及飞行路径。因而多旋翼无人机可以实现悬停,在一定速度范围内,可以以任意的速度飞行。灵活性介于固定翼无人机和无人直升机之间,但操作简单、成本低,而且能够实现空中悬停,因而在消费级和部分民用领域得以广泛应用。

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    无人直升机

      相对于固定翼无人机和多旋翼无人机,无人直升机算是比较特殊的一类,虽然其灵活性相对是最高的,同时也可以原地起飞悬停,但是由于其结构复杂(机械部件多达上千个,同时,还要解决尾翼带来的诸多问题),操作复杂,成本较高,因而主要仍是应用在军用领域。

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      具体各类无人机(以电动为例)性能对比参见表1所示。

1 各类无人机性能对比

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      另外,实际上由于固定翼无人机和多旋翼无人机各有明显优/劣势,现在市场上已有融合两者优势的无人机,即可以实现垂直升降及悬停的固定翼无人机,这也是技术发展的一个必然趋势。

无人机系统架构

      无人机系统架构基本由四大块构成:飞控系统、导航系统、动力系统和数据链传输系统。另外,还可以通过加装特定的传感器、相机以及机械臂等外围设备,以实现特定功能和特殊场景应用。 

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飞控系统

飞控系统是无人机完成起飞、空中飞行、执行任务和返场回收等整个飞行过程的核心子系统,飞控系统对于无人机相当于CPU对于计算机的作用,也是整个无人机开发最难,也是最为关键的系统。一般来说,飞控系统硬件主要包括主控制模块、信号调理及接口模块、数据采集模块、舵机驱动模块以及各类传感器。

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其中,机身大量装配的各种传感器是飞控系统的基础,是保证飞机控制精度的关键,在不同飞行环境下、不同用途的无人机对传感器的配置要求也不同。例如,用于航拍的无人机对悬停能力及稳定性要求很高,因而需要精度较高的测距传感器和图像传感器,同时还需要高分辨率的摄像头。

在无人机整个工作过程中,主要实现包括无人机姿态稳定和控制、无人机任务设备管理和应急控制等功能。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。

导航系统

无人机导航系统是按照要求的精度,沿着预定的航线在指定的时间内正确地引导无人机至目的地。导航系统向无人机提供参考坐标系的位置、速度、飞行姿态,引导无人机按照指定航线飞行。

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无人机载导航系统主要分非自主导航和自主导航,但分别有易受干扰和误差累积大的缺点;同时,还可以分为单一导航和组合导航,单一导航技术现在主要有惯性导航、卫星导航(GPS)、多普勒导航、地形辅助导航和地磁导航等类别。其中,惯性导航和多普勒导航属于比较典型的自主导航。

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这里为大家展开介绍一下当下发展较快、应用较为普遍的惯性导航。

惯性导航依靠安装在无人机内部的加速度计测量无人机在三个轴向运动的加速度,经积分运算得出其瞬时速度和位置,以及测量其姿态的一种导航方式。惯性导航系统通常由惯性测量装置、计算机、控制显示器等组成。惯性测量装置包括加速度计和陀螺仪。三自由度陀螺仪用来测量飞行器的三个转动运动;三个加速度计用来测量飞行器的三个平移运动的加速度。

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计算机根据测得的加速度信号计算出飞行器的速度和位置数据。控制显示器显示各种导航参数。惯性导航完全依靠机载设备自主完成导航任务,工作时不依赖外界信息,也不向外界辐射能量,不易受到干扰,不受气象条件限制,是一种自主式的导航系统,具有完全自主、抗干扰、隐蔽性好、全天候工作、输出导航信息多、数据 更新率高等优点。实际的惯性导航可以完成空间的三维导航或地面上的二维导航。

由于无人机应用场景越来越广泛,而诸如要求障碍回避、物资或武器投放、自动进场着陆等功能,对精度、可靠性和抗干扰性能都有很高的要求,因此,多种导航技术结合的系统将是未来发展的方向,同时研制新型惯导系统、研发数据融合技术也是未来另一发展方向。

动力系统

  无人机的动力系统可以分为电动和油动,即电动机和内燃机两类。其中,在消费和民用市场中,电动机的应用仍是主流。电动机的动力系统包括发动机、电子调速器(电调)、旋翼/螺旋桨和电池。以发动机进行分类来讲的话,主要可以分为活塞式发动机、涡轮式发动机和电动机。

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就目前来看,由于消费和民用级的无人机的成本的限制,以及低速低空的小型无人机已经可以满足绝大多数场景应用需求,该类无人机的动力系统仍以活塞式发动机和电动机为主流;其中电池驱动的电动机虽然在续航问题上存在一定劣势(续航低于1小时),但是在消费级市场,尤其是多旋翼无人机上的应用仍然十分广泛。

另外,在军用和部分对高空长续航有需求的民用方面,仍是以涡轮式发动机为主要动力系统,例如对于一次性使用的靶机、自杀式无人机或导弹,此类无人机要求推重比高,但寿命可以短至1-2小时,一般使用涡喷式发动机;而低空无人直升机一般使用涡轴发动机,高空长航时的大型无人机一般使用涡扇发动机。

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  不同用途的无人机虽然对动力系统要求不同,但都希望发动机体积小、成本低、工作可靠。而随着涡轮发动机推重比和寿命的不断提高、油耗降低,涡轮式发动机很有可能取代活塞式发动机成为无人机的主力动力机型;另外,随着新能源电动机的不断发展,也有望为小型无人机提供更持久的动力。

数据链传输系统

数据链传输系统是无人机的重要技术组成,其与导航系统联系最为直接,也最为紧密,主要负责完成对无人机遥控、遥测、跟踪定位和传感器传输。数据链传输系统按传输方向可以分为上行链路和下行链路,上行数据链实现对无人机遥控,下行数据链执行遥测、数据传输等功能。由此可见,数据链传输系统性能的好坏直接影响着无人机性能的优劣。

现代数据链技术的发展推动者无人机数据链向着高速、宽带、保密、抗干扰的方向发展,当下大家比较认可的用于衡量无人机数据链优劣的主要参数有5个:1)调频扩频功能;2)存储转发功能;3)数据加密功能;4)高速率;5)低功耗、低误码率及高接收灵敏度。

目前来看,普通无人机大多采用定制视距数据链,而中高空、长航时无人机则都会采用视距和超视距卫星通信数据链。

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