無(wú)人機(jī)系統(tǒng)原理和系統(tǒng)組成課程內(nèi)容：（1）無(wú)人機(jī)的系統(tǒng)定義（2）無(wú)人機(jī)的系統(tǒng)組成和基本原理2.無(wú)人機(jī)系統(tǒng)定義無(wú)人駕駛飛機(jī)簡(jiǎn)稱“無(wú)人機(jī)”，英文縮寫為“UAV”，是利用無(wú)線電遙控設(shè)備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛機(jī)。從技術(shù)角度定義可以分為：無(wú)人固定翼機(jī)、無(wú)人垂直起降機(jī)、無(wú)人飛艇、無(wú)人直升機(jī)、無(wú)人多旋翼飛行器、無(wú)人傘翼機(jī)等。3.無(wú)人機(jī)系統(tǒng)組成和基本原理（1）系統(tǒng)組成無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)任務(wù)裝置地面控制站（地面站）發(fā)射與回收系統(tǒng)機(jī)身動(dòng)力裝置飛行控制系統(tǒng)顯示系統(tǒng)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)機(jī)身固定翼無(wú)人機(jī)機(jī)身一般由epp、epo、玻璃鋼、木材等高強(qiáng)度低質(zhì)量的材質(zhì)構(gòu)成。多旋翼無(wú)人機(jī)機(jī)身一般由碳纖維材料作為主要材質(zhì)。飛控飛控系統(tǒng)用于無(wú)人機(jī)的導(dǎo)航、定位和自主飛行控制，它由飛控板、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(IMU,、GPS接收機(jī)、氣壓傳感器、空速傳感器等部件組成飛控系統(tǒng)性能指標(biāo)要求a)飛行姿態(tài)控制穩(wěn)度:橫滾角應(yīng)小于±3°

俯仰角應(yīng)小于±3°

航向角應(yīng)小于±3°b)

航跡控制精度:偏航距應(yīng)小于±20米、

航高差應(yīng)小于±20米、

航跡彎曲度應(yīng)小于±5°。以四旋翼為例：1.結(jié)構(gòu)：旋翼對(duì)稱分布在機(jī)體的前后、左右四個(gè)方向，四個(gè)旋翼處于同一高度平面，且四個(gè)旋翼的結(jié)構(gòu)和半徑都相同，四個(gè)電機(jī)對(duì)稱的安裝在飛行器的支架端，支架中間空間安放飛行控制計(jì)算機(jī)和外部設(shè)備。結(jié)構(gòu)形式如圖1.1所示。工作原理四旋翼飛行器通過調(diào)節(jié)四個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)改變旋翼轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)升力的變化，從而控制飛行器的姿態(tài)和位置。四旋翼飛行器是一種六自由度的垂直升降機(jī)，但只有四個(gè)輸入力，同時(shí)卻有六個(gè)狀態(tài)輸出，所以它又是一種欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。四旋翼飛行器的電機(jī)1和電機(jī)3逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，電機(jī)2和電機(jī)4順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，因此當(dāng)飛行器平衡飛行時(shí)，陀螺效應(yīng)和空氣動(dòng)力扭矩效應(yīng)均被抵消。在上圖中，電機(jī)1和電機(jī)3作逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，電機(jī)2和電機(jī)4作順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，規(guī)定沿x軸正方向運(yùn)動(dòng)稱為向前運(yùn)動(dòng)，箭頭在旋翼的運(yùn)動(dòng)平面上方表示此電機(jī)轉(zhuǎn)速提高，在下方表示此電機(jī)轉(zhuǎn)速下降。（1）垂直運(yùn)動(dòng)：同時(shí)增加四個(gè)電機(jī)的輸出功率，旋翼轉(zhuǎn)速增加使得總的拉力增大，當(dāng)總拉力足以克服整機(jī)的重量時(shí)，四旋翼飛行器便離地垂直上升；反之，同時(shí)減小四個(gè)電機(jī)的輸出功率，四旋翼飛行器則垂直下降，直至平衡落地，實(shí)現(xiàn)了沿z軸的垂直運(yùn)動(dòng)。當(dāng)外界擾動(dòng)量為零時(shí)，在旋翼產(chǎn)生的升力等于飛行器的自重時(shí)，飛行器便保持懸停狀態(tài)。（2）俯仰運(yùn)動(dòng)：在圖（b）中，電機(jī)1的轉(zhuǎn)速上升，電機(jī)3的轉(zhuǎn)速下降（改變量大小應(yīng)相等），電機(jī)2、電機(jī)4的轉(zhuǎn)速保持不變。由于旋翼1的升力上升，旋翼3的升力下降，產(chǎn)生的不平衡力矩使機(jī)身繞y軸旋轉(zhuǎn)，同理，當(dāng)電機(jī)1的轉(zhuǎn)速下降，電機(jī)3的轉(zhuǎn)速上升，機(jī)身便繞y軸向另一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)飛行器的俯仰運(yùn)動(dòng)。（3）滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)：與圖b的原理相同，在圖c中，改變電機(jī)2和電機(jī)4的轉(zhuǎn)速，保持電機(jī)1和電機(jī)3的轉(zhuǎn)速不變，則可使機(jī)身繞x軸旋轉(zhuǎn)（正向和反向），實(shí)現(xiàn)飛行器的滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。（4）偏航運(yùn)動(dòng)：旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)過程中由于空氣阻力作用會(huì)形成與轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的反扭矩，為了克服反扭矩影響，可使四個(gè)旋翼中的兩個(gè)正轉(zhuǎn)，兩個(gè)反轉(zhuǎn)，且對(duì)角線上的各個(gè)旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同。反扭矩的大小與旋翼轉(zhuǎn)速有關(guān)，當(dāng)四個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速相同時(shí)，四個(gè)旋翼產(chǎn)生的反扭矩相互平衡，四旋翼飛行器不發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)四個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速不完全相同時(shí)，不平衡的反扭矩會(huì)引起四旋翼飛行器轉(zhuǎn)動(dòng)。在圖d中，當(dāng)電機(jī)1和電機(jī)3的轉(zhuǎn)速上升，電機(jī)2和電機(jī)4的轉(zhuǎn)速下降時(shí)，旋翼1和旋翼3對(duì)機(jī)身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4對(duì)機(jī)身的反扭矩，機(jī)身便在富余反扭矩的作用下繞z軸轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)飛行器的偏航運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)向與電機(jī)1、電機(jī)3的轉(zhuǎn)向相反。（5）前后運(yùn)動(dòng)：要想實(shí)現(xiàn)飛行器在水平面內(nèi)前后、左右的運(yùn)動(dòng)，必須在水平面內(nèi)對(duì)飛行器施加一定的力。在圖e中，增加電機(jī)3轉(zhuǎn)速，使拉力增大，相應(yīng)減小電機(jī)1轉(zhuǎn)速，使拉力減小，同時(shí)保持其它兩個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速不變，反扭矩仍然要保持平衡。按圖b的理論，飛行器首先發(fā)生一定程度的傾斜，從而使旋翼拉力產(chǎn)生水平分量，因此可以實(shí)現(xiàn)飛行器的前飛運(yùn)動(dòng)。向后飛行與向前飛行正好相反。（在圖b圖c中，飛行器在產(chǎn)生俯仰、翻滾運(yùn)動(dòng)的同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生沿x、y軸的水平運(yùn)動(dòng)。）（6）傾向運(yùn)動(dòng)：在圖f中，由于結(jié)構(gòu)對(duì)稱，所以傾向飛行的工作原理與前后運(yùn)動(dòng)完全一樣。例：md4-1000microdronesmd4-1000四旋翼系統(tǒng)是一種全球技術(shù)領(lǐng)先的垂直起降小型自動(dòng)駕駛無(wú)人飛行器系統(tǒng)，可用于執(zhí)行資料收集、協(xié)調(diào)指揮、搜索、測(cè)量、通訊、檢測(cè)、偵查等多種空中任務(wù)。機(jī)體和云臺(tái)完全采用特殊的碳纖維材料制造，制造工藝源自德國(guó)著名的無(wú)人機(jī)復(fù)合材料公司SCHüBELER，擁有更輕的重量和更高的強(qiáng)度，折疊式支臂設(shè)計(jì)更方便運(yùn)輸。md4-1000可以通過遙控器人工操控飛行，也可以借助獨(dú)一無(wú)二的GPSWaypoint系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)駕駛飛行，和md4-200一樣，是目前全世界同類無(wú)人飛行器產(chǎn)品中唯一可以提供自動(dòng)駕駛飛行功能的先進(jìn)無(wú)人飛行器系統(tǒng)。md4-1000擁有優(yōu)秀的安全設(shè)計(jì)，任何時(shí)候只要停止遙控器操作，飛行器就會(huì)自動(dòng)懸停在空中。如果時(shí)間超過30秒接收不到遙控器信號(hào)或者電池電量過低，飛行器就會(huì)自動(dòng)緩慢迫降到地面。做為一種小型電動(dòng)無(wú)人飛行器，md4-1000擁有極高的動(dòng)力效率，一塊機(jī)載電池支撐的續(xù)航時(shí)間最高可長(zhǎng)達(dá)70分鐘（視電池配置、任務(wù)載荷及環(huán)境如風(fēng)速、環(huán)境溫度等狀況而定），更換機(jī)載電池的操作不超過1分鐘就可完成由于4個(gè)250W無(wú)刷直驅(qū)電機(jī)工作時(shí)不需要齒輪傳動(dòng)，機(jī)械安全性大幅提高，電機(jī)高效率運(yùn)轉(zhuǎn)的同時(shí)產(chǎn)生的噪音卻很小，在3米的距離懸停時(shí)噪音小于71dBA。固定翼航測(cè)無(wú)人機(jī)組成和原理1.組成：機(jī)體結(jié)構(gòu)、航電系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、起降系統(tǒng)和地面控制站。機(jī)體結(jié)構(gòu)由可拆卸的模塊化機(jī)體組成，既方便攜帶，又可以在短時(shí)間內(nèi)完成組裝、起飛。航電系統(tǒng)由飛控電腦、感應(yīng)器、酬載、無(wú)線通訊、空電電池組成，完成飛機(jī)控制系統(tǒng)的需要。動(dòng)力系統(tǒng)由動(dòng)力電池、螺旋槳、無(wú)刷馬達(dá)組成，提供飛機(jī)飛行所需的動(dòng)力。起降系統(tǒng)由彈射繩、彈射架、降落傘組成，幫助飛機(jī)完成彈射起飛和傘降著陸。地面控制站包括地面站電腦、手柄、電臺(tái)等通訊設(shè)備，用以輔助完成路線規(guī)劃任務(wù)和飛行過程的監(jiān)控。2.原理：動(dòng)力原理：動(dòng)量守恒P=mv。一般可通過機(jī)身前部或者后部的螺旋槳推送空氣提供反向動(dòng)力，同時(shí)在高空中借助氣流飛行與姿態(tài)調(diào)整。借助副翼，升降舵，方向舵提供無(wú)人機(jī)飛行需要的橫滾，俯仰，姿態(tài)力矩。飛行原理：固定翼無(wú)人機(jī)，其機(jī)翼外形讓上下面空氣流速不一樣，產(chǎn)生了壓力差，空氣將其托舉于長(zhǎng)空;無(wú)人直升機(jī)則可以看成把機(jī)翼旋轉(zhuǎn)起來(lái)，靠螺旋槳上下表面的壓力差。多旋翼和固定翼無(wú)人機(jī)各自有哪些優(yōu)缺點(diǎn)：在操控性方面，多旋翼的操控是最簡(jiǎn)單的。它不需要跑道便可以垂直起降，起飛后可在空中懸停。它的操控原理簡(jiǎn)單，操控器四個(gè)遙感操作對(duì)應(yīng)飛行器的前后、左右、上下和偏航方向的運(yùn)動(dòng)。在自動(dòng)駕駛儀方面，多旋翼自駕儀控制方法簡(jiǎn)單，控制器參數(shù)調(diào)節(jié)也很簡(jiǎn)單。相對(duì)而言，學(xué)習(xí)固定翼和直升機(jī)的飛行不是簡(jiǎn)單的事情。固定翼飛行場(chǎng)地要求開闊，而直升機(jī)飛行過程中會(huì)產(chǎn)生通道間耦合，自駕儀控制器設(shè)計(jì)困難，控制器調(diào)節(jié)也很困難。在可靠性方面，多旋翼也是表現(xiàn)最出色的。若僅考慮機(jī)械的可靠性，多旋翼沒有活動(dòng)部件，它的可靠性基本上取決于無(wú)刷電機(jī)的可靠性，因此可靠性較高。相比較而言，固定翼和直升機(jī)有活動(dòng)的機(jī)械連接部件，飛行過程中會(huì)產(chǎn)生磨損，導(dǎo)致可靠性下降。而且多旋翼能夠懸停，飛行范圍受控，相對(duì)固定翼更安全。在勤務(wù)性方面，多旋翼的勤務(wù)性是最高的。因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，若電機(jī)、電子調(diào)速器、電池、槳和機(jī)架損壞，很容易替換。而固定翼和直升機(jī)零件比較多，安裝也需要技巧，相對(duì)比較麻煩。在續(xù)航性能方面，多旋翼的表現(xiàn)明顯弱于其他兩款，其能量轉(zhuǎn)換效率低下。在承載性能方面，多旋翼也是二者中最差的。航測(cè)無(wú)人機(jī)安全性要求1.無(wú)人機(jī)應(yīng)配備傘降設(shè)備，在無(wú)人機(jī)遇到突發(fā)故障時(shí)，可通過降落傘減緩下降速度、避免或減小對(duì)地面目標(biāo)的沖擊和損害、減小飛行平臺(tái)和機(jī)載設(shè)備的損傷；2.設(shè)計(jì)飛行高度應(yīng)高于攝區(qū)和航路上最高點(diǎn)100m以上；3.設(shè)計(jì)航線總航程應(yīng)小于無(wú)人機(jī)能到達(dá)的最遠(yuǎn)航程；4.距離軍用、商用機(jī)場(chǎng)須在10km以上；5.起降場(chǎng)地相對(duì)平坦、通視良好；6.遠(yuǎn)離