无人机概述及系统组成(理论教员)20170420A

机器人时代的先锋——无人机概述及系统组成民航理论教员培训2017年4月陆上机器人海上机器人空中机器人特种人形机器人太空机器人大背景教学方法执照背景培训重要性本部分内容建议的教学方法★对学员高大上的介绍自己，可以吹一点；开宗明义介绍本部分要点，无人机知识的树干；以系统性的知识作为目的，不要把考核作为目的，关键是让大家知道树干；以PPT图片、视频、重要公式、定义作为主线；每个图都有一个故事，讲不讲看课堂时间；以故事性的叙述讲述发展、沿革、背景等内容；此处用视频很省事；以类比的方式讲述理论与技术概念；以交互式的提问活跃课堂气氛；以固定的课堂小作业控制纪律。孙毅出生自航空城…毕业于北航…从事无人机相关研究…AOPA工作经历…特聘教授…<多轴飞行器概论>…今日要点即树干（以今天举例，今天不是讲概述与系统组成，而是给大家介绍讲课的方法，其中PPT及视频课后可以向我索取）一个技术领域网络化条件下的空中机器人技术一个公式升力公式(平台技术的基础)三个轴机体轴（飞控技术的基础）四个组成桨机调池（电动动力技术的基础）七个子系统结构动力飞控机载链显示操纵地面链大背景教学方法执照背景培训重要性民航局飞行 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 司驾照车本道路安全法培训的依据无人机 管理办法 关于高温津贴发放的管理办法稽核管理办法下载并购贷款管理办法下载商业信用卡管理办法下载处方管理办法word下载 (故事及汽车类比讲背景)民航局飞行标准司民航局适航司民航局飞行标准司民航局适航司国家空管委空军培训主管部门驾照管理平台培训机构培训学员U-Cloud(优云)系统大背景教学方法执照背景培训重要性培训的重要性1：避免飞行事故（关键视频1）坠机、伤亡、任务失败原因：操作不当；设备故障；环境干扰。事故：培训的重要性2：规范行为（3到4个小故事）中南海事件首都机场事件亚马逊isis培训中的考试（本页不在目录中，以显示重要及保密，吸引学员兴趣）机考实践考试实践考试口试1、飞行理论。2、平台知识。3、动力系统。4、遥控器。5、应急操作升力、轴系桨、机、调、池地面站1、界面信息。2、下拉信息。3、界面浏览。4、五点航线。5、上传及存储航线6、电台设置。7、应急操作。飞行技术背景技术革命未来战士未来摄影师重要技术关键技术核心技术现代无人机技术运动平台技术（身体）AI人工智能（脑子）总体气动结构隐身动力控制通讯管控大数据互联网+传统无人机技术飞控技术飞行器数据链技术ATM技术机器人运动指挥协同作业无人机涉及的技术领域前三次技术革命可预见的第四次技术革命4、机械化、网络化基础上的机器人革命美军：X-37下一代航天飞机跟踪我潜艇的美军无人水面艇反水雷作战的无人潜艇多国已装备的武装多旋翼美航母舰载的X-47美陆军无人坦克俄无人轮式装甲车美山地部队机器骡子第四次技术革命可能的未来世界军用需求态势感知力量投送力量投送态势感知态势感知与力量投送两大类民用需求航摄测绘与快递植保两大类类似于军用的态势感知与力量投送航空测绘快递航空摄像植保概述无人机的定义无人机的分类无人机的发展无人驾驶航空器（UA：UnmannedAircraft），是一架由遥控站管理（包括远程操纵或自主飞行）的航空器，也称遥控驾驶航空器（RPA：RemotelyPilotedAircraft），简称无人机。无人机的定义（正文中以金字标出要点）北航“毒蜂”单兵无人机（公斤级）中航“翔龙”战略无人机（十吨级）无人机系统（UAS：UnmannedAircraftSystem），也称无人驾驶航空器系统（RPAS：RemotelyPilotedAircraftSystems），是指一架无人机、相关的遥控站、所需的指令与控制数据链路以及批准的型号 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 规定的任何其他部件组成的系统。无人机系统的定义（机、站、链）以色列“轨道”无人机系统北航“灰蜂”无人机系统飞控子系统地面站分系统动力子系统结构子系统飞行器分系统显示子系统操纵子系统机载链路子系统地面链路子系统链路分系统（链路分系统的硬件安装于飞行器与地面站上）地面任务子系统发射回收子系统机载任务子系统运输携行子系统一种典型无人机系统的组成3+1个分系统任务分系统（任务分系统的硬件安装于飞行器与地面站上）无人机系统驾驶员，由运营人指派对无人机的运行负有必不可少职责并在飞行期间适时操纵飞行控制的人。无人机系统的机长，是指在系统运行时间内负责整个无人机系统运行和安全的驾驶员。无人机系统驾驶员的定义概述无人机的定义无人机的分类无人机的发展按飞行平台构型分类：无人机系统可分为固定翼、旋翼、飞艇、伞翼、扑翼、变模态等。按平台构型分类伞翼无人机系统美蜻蜓变模态无人机系统固定翼无人机系统旋翼无人机系统无人飞艇系统扑翼无人机系统最主要的平台构型（点出这是学员必须知道的5种最主流构型）常规布局固定翼全球鹰双尾撑布局固定翼苍鹭B无尾布局固定翼暗星尾桨单旋翼火力侦查兵多旋翼大疆精灵按用途分类（民用）按用途分类（民用）快递巡检警用植保气象探矿娱乐穿越训练影视按用途分类（军用）攻击靶标中继反辐射特种侦查我军按活动半径分类超近程：15km以内近程：15-50km之间短程：50-200km之间中程：200-800km之间远程：大于800km。超近程毒蜂近程ASN104短程ASN206中程翼龙中程利剑远程翔龙美军按任务高度分类超低空：0-100m低空：100-1000m中空：1000-7000m高空：7000-18000m超高空：大于18000m超高空X37超低空乌鸦低空影子中空捕食者A高空捕食者B分类——其他方式其他分类方式按尺度分类（点出民航只认这个）概述无人机的定义无人机的分类无人机的发展国外无人机的发展越战火蜂越战D21（SR71背负）第四次中东战争猛犬冷战末期全球鹰当代火力侦查兵当代捕食者3国内无人机的发展改一型靶机ASN105京商260日进口雅马哈日进口翔龙神雕（侠侣）反隐形无侦5（运八挂载）长空一号靶机12B各军区特种大队蜂8南方装甲部队车载北航灰蜂北航005系统组成飞行器飞行平台动力装置导航飞控电气系统任务设备控制站显示系统操纵系统通讯链路机载地面飞行器是指能在地球大气层内外空间飞行的器械。通常按照飞行环境和工作方式，把飞行器分为几大类：——航空器：——航天器：——空天飞行器：——火箭和导弹：——巡飞弹型无人机：飞行器的定义航空器的定义根据产生升力的原理航空器轻于空气的航空器重于空气的航空器气球飞艇固定翼航空器旋翼航空器扑翼机变模态机飞机滑翔机旋翼机直升机杂交航空器系统组成飞行器飞行平台动力装置导航飞控电气系统任务设备控制站显示系统操纵系统通讯链路机载地面由动力装置产生前进的推力或拉力，由机体上固定的机翼产生升力，在大气层内飞行的重于空气的无人航空器。固定翼Fixed-wing无人机平台旋翼无人机平台是一种重于空气的无人航空器，其在空中飞行的升力由一个或多个旋翼与空气进行相对运动的反作用获得，与固定翼为相对的关系。旋翼Rotarywing无人机平台多轴飞行器是一种具有三个及以上旋翼轴的特殊的直升机。旋翼的总距固定而不像一般直升机那样可变。通过改变不同旋翼之间的相对转速可以改变单轴推进力的大小，从而控制飞行器的运行轨迹。多轴multirotor无人机平台（关键视频3、4）常规固定式不带边框常规固定式带边框穿越式手动水平变形式手动垂直变形式自动脚架收放式自动整体变形式其他类型无人飞艇平台及系留气球各类变模态平台伯努利方程管道中以稳定的速度流动的流体，若流体不可压缩，且与外界无能量交换，则沿管道各点的流体的动压与静压之和等于常量。伯努利方程公式p+1/2v2=常数流体的基本规律（开始为1个公式做铺垫，讲4个人的故事）伯努利方程现象流体的基本规律（讲纸、伞、船、香蕉球、飓风、喷雾器故事）升力作用在飞机上的空气动力（重点讲第一个图）升力的计算公式：对于某一种翼型，通过实验可以获得升力系数与迎角的关系曲线，即Cy—α曲线。升力公式（标星的告诉学员都是重中之重）（结合每一个字母举例，讲固定翼迎角加一倍，多轴转速加一倍的故事、将螺旋桨为啥反扭）★三种飞行器的操纵（基本原理）失速（让学员记住13度就行）翼面的几何形状机翼翼型及其参数翼型：机翼的横剖面形状。翼型厚度：指上下翼面在垂直于翼弦方向的距离，其中最大者成为最大厚度。中弧线：翼型厚度中点的连线。翼弦：翼型前缘点与后缘点间的连线。翼型弯度：中弧线与翼弦之间的最大距离。低速飞机阻力的产生及减阻措施（阻力不重要，时间不够可迅速带过）按阻力产生的原因，飞机低速飞行时的阻力一般可分为：摩擦阻力干扰阻力诱导阻力压差阻力影响摩擦阻力的因素空气的粘性飞机表面的形状（主要是光滑程度）同气流接触的飞机表面积的大小（浸润面积）附面层中气流的流动情况压差阻力（讲故事，手伸车窗外）运动着的物体前后由于压力差而形成的阻力叫做压差阻力。诱导阻力（讲故事，一群大雁往南飞及你在菲尔普斯身后游泳）诱导阻力是翼面所独有的一种阻力，它是伴随着升力的产生而产生的，因此可以说它是为了产生升力而付出的一种“代价”。减小诱导阻力（讲故事鸟的初级飞羽）干扰阻力干扰阻力就是飞机各部分之间由于气流相互干扰而产生的一种额外的阻力。稳定性（交互：现场让学员叠一个纸飞机，你现场正反飞一飞，演示固定翼前飞是有天然稳定性的）（再拿根棍或笔，拿手支一支，展示直升机或多轴是天然不稳定的，需要频繁调整）（表明旋翼的飞控比固定翼的难度大）航空器---机翼结构名称（记住梁、翼肋、蒙皮就行）航空器---机身结构名称（记住梁、隔框及火墙、蒙皮就行）航空器——起落装置（记住固定翼前后三点、旋翼滑撬就行）系统组成飞行器飞行平台动力装置导航飞控电气系统任务设备控制站显示系统操纵系统通讯链路机载地面动力装置---分类无人机的发动机以及保证发动机正常工作所必需的系统和附件的总称。无人机使用的动力装置主要有活塞式发动机、涡喷发动机、涡扇发动机、涡桨发动机、涡轴发动机、冲压发动机、火箭发动机、电动机等。目前主流的民用无人机所采用的动力系统通常为活塞式发动机和电动机两种。动力装置动力装置---活塞式（关键视频5）活塞式发动机也叫往复式发动机，由气缸、活塞、连杆、曲轴、气门机构、螺旋桨减速器、机匣等组成主要结构。活塞式发动机属于内燃机，它通过燃料在气缸内的燃烧，将热能转变为机械能。活塞式发动机系统一般由发动机本体、进气系统、增压器、点火系统、燃油系统、启动系统、润滑系统以及排气系统构成。动力装置---活塞式动力装置---电动★（开讲4个组成桨、机、调、池。从机开始，A讲中国稀土，外转子无刷三相交流异步电机、啥叫2208、磁悬浮、电磁弹射、电磁炮。B电调2粗3中3细8根线、啥叫BEC。C聚合物锂电及其他电池、啥叫2200mAh、6S、20C。D碳桨、木桨、塑胶桨，啥叫22×10、英寸、螺距就是在豆腐里转一圈的距离、右旋前进是正桨，CCW是英文反、时针、方向简称）目前大型、小型、轻型无人机广泛采用的动力装置为活塞式发动机系统。而出于成本和使用方便的考虑，微型无人机中普遍使用的是电动动力系统，电动系统主要由动力电机、动力电源、调速系统三部分组成。动力装置---涡喷（关键视频6）（讲核心机涡喷、涡扇、涡桨、涡轴、M1坦克涡轮发动机、052燃气轮机、涡轮叶片工业皇冠的宝石）涡轮喷气发动机的组成：进气道压气机燃烧室涡轮尾喷管动力装置---涡轮螺桨发动机动力装置---涡轮轴发动机系统组成飞行器飞行平台动力装置导航飞控电气系统任务设备控制站显示系统操纵系统通讯链路机载地面物体自由度运动学基础（开始为3个轴做铺垫，横纵立）（世间一切物体都是沿3轴和绕3轴的六个自由度）机体坐标系（绕3轴是俯仰、横滚、偏航；沿3轴是左右平移、前进后退、上升下降）★注（民用固定翼俯仰与上下耦合、横滚偏航和左右耦合、只能前进不能后退；所以人和飞控有2个通道就能控制）（民用多轴与直升机俯仰与前后耦合、横滚和左右耦合、偏航独立、上下独立；所以人和飞控有4个通道就能控制）三种飞行器的操纵（基本原理）耦合为4个自由度耦合为4个自由度耦合为2-3个自由度人与机器人（讲故事，为啥无人机是空中机器人；飞控3轴加速度计仿生人内耳3个半规管；小盆友把你绕3圈的故事）都是控制姿态即绕3轴，姿态就是飞控内回路，是核心。同时讲一讲控制位置即沿3轴，位置是飞控外回路。好多玩具无人机就没有外回路，没GPS吗。人与机器人（姿态）视力3轴磁力计半规管3轴加速度计肌肉3轴加速度计人与机器人（位置）视觉与智力地形匹配与环境重构指南针惯导航迹推算天文导航GPS自由度（延伸，无人机系统中不光飞控用到姿态）获得必要的导航要素：高度、速度、姿态、航向；给出满足精度要求的定位信息：经度、纬度；引导飞机按规定计划飞行；接收预定任务航线计划的装定、并对任务航线的执行进行动态管理；接收控制站的导航模式控制指令并执行；并具有指令导航模式与预定航线飞行模式相互切换的功能；具有接收并融合无人机其它设备的辅助导航定位信息的能力；配合其它系统完成各种任务。导航飞控系统---导航子系统（沿3轴，位置回路、外回路）导航子系统功能：向无人机提供相对于所选定的参考坐标系的位置、速度、飞行姿态，引导无人机沿指定航线安全、准时、准确的飞行。因此导航子系统之于无人机相当于领航员之于有人机。无人机姿态稳定与控制；与导航子系统协调完成航迹控制；无人机起飞（发射）与着陆（回收）控制；无人机飞行管理；无人机任务设备管理与控制；应急控制；信息收集与传递。导航飞控系统---飞控子系统（绕3轴、姿态回路、内回路）飞控子系统是无人机完成起飞、空中飞行、执行任务、返场回收等整个飞行过程的核心系统，对无人机实现全权控制与管理，因此飞控子系统之于无人机相当于驾驶员之于有人机，是无人机执行任务的关键。导航飞控系统常用传感器---人内耳、眼（类比）无人机导航飞控系统常用的传感器包括角速率传感器、姿态传感器、位置传感器、迎角侧滑角传感器、加速度传感器、高度传感器及空速传感器等，这些传感器构成无人机导航飞控系统设计的基础。导航飞控系统飞控计算机（自驾）---脑导航飞控计算机或简称飞控计算机是导航飞控系统的核心部件，飞控计算机应具备如下功能：姿态稳定与控制；导航与制导控制；自主飞行控制；自动起飞、着陆控制。模拟式数模混合式数字式单余度多余度导航飞控系统执行机构---手（关键讲舵机、电调。F16、无人机天生都是电传操纵）无人机执行机构都是伺服作动设备，是导航飞控系统的重要组成部分。其主要功能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。电动伺服执行机构电液伺服执行机构气动伺服执行机构导航飞控系统---飞控计算机硬件（电路板）导航飞控计算机或简称飞控计算机是导航飞控系统的核心部件，飞控计算机应具备如下功能：主处理控制器通用型处理器（MPU）、微处理器（MCU）、数字信号处理器（DSP）+可编程门阵列（FPGA）二次电源5V、±15V等直流电源模拟量输入/输出接口离散量接口通信接口RS232/RS422/RS485ARINC429、1553B总线余度管理信息交换电路，同步指示电路，通道故障逻辑综合电路及故障切换电路。加温电路检测接口飞控计算机机箱导航飞控系统---民用飞控计算机硬件发展（头一个军用）导航飞控系统---机载飞控软件（飞控程序）机载导航飞控软件或简称机载飞控软件是一种运行于飞控计算机上的嵌入式实时任务软件，不仅要求功能正确、性能好、效率高，而且要求其具有较好的质量保证、可靠性和可维护性。硬件接口驱动模块；传感器数据处理模块；飞行控制律模块；导航与制导律模块；飞行任务管理模块；任务设备管理模块；余度管理模块；数据传输、 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 模块；自检测模块；其它模块。系统组成飞行器飞行平台动力装置导航飞控电气系统任务设备控制站显示系统操纵系统通讯链路机载地面电气系统（机载电源及布线有优先级）无人机电气系统可分为机载电气系统和地面供电系统两部分。机载电气系统主要由主电源、应急电源、电气设备的控制与保护装置及辅助设备组成。电气系统一般包括电源、配电系统、用电设备3个部分，电源和配电两者组合统称为供电系统。供电系统的功能是向无人机各用电系统或设备提供满足预定设计要求的电能。正常汇流条（发电机汇流条或主汇流条）重要汇流条（转换汇流条）应急汇流条（不间断汇流条或备用汇流条）系统组成飞行器飞行平台动力装置导航飞控电气系统任务设备控制站显示系统操纵系统通讯链路机载地面任务设备---类型（此处结合你最了解的，尽情吹）按任务设备用途，可以分为侦查搜索设备、测绘设备、军用专用设备、民用专用设备等。侦搜设备常用的有光电平台、SRA雷达、激光测距仪等，测绘设备则是测绘雷达、航拍相机等。系统组成飞行器飞行平台动力装置导航飞控电气系统任务设备控制站显示系统操纵系统通讯链路机载地面控制站---介绍无人机地面站也称控制站、遥控站或任务规划与控制站。在规模较大的无人机系统中，可以有若干个控制站，这些不同功能的控制站通过通信设备连接起来，构成无人机地面站系统指挥调度功能主要包括上级指令接收、系统之间联络、系统内部调度；任务规划功能主要包括飞行航路规划与重规划、任务载荷工作规划与重规划；操作控制功能主要包括起降操纵、飞行控制操作、任务载荷操作、数据链控制；显示记录功能主要包括飞行状态参数显示与记录、航迹显示与记录、任务载荷信息显示与记录等。控制站---系统组成四类硬件：数据链路控制、飞行控制、载荷控制、载荷数据处理等四类硬件设备机柜或机箱构成。三类不同功能控制站模块：指挥处理中心：制定任务、完成载荷数据的处理和应用，一般都是通过无人机控制站等间接地实现对无人机的控制和数据接收；无人机控制站：飞行操纵、任务载荷控制、数据链路控制和通信指挥。载荷控制站：载荷控制站与无人机控制站的功能类似，但载荷控制站只能控制无人机的机载任务设备，不能进行无人机的飞行控制。系统组成飞行器飞行平台动力装置导航飞控电气系统任务设备控制站显示系统操纵系统通讯链路机载地面控制站---显示系统地面控制站内的飞行控制席位、任务设备控制席位、数据链管理席位都设有相应分系统的显示装置，因此需综合规划，确定所显示的内容、方式、范围。A、飞行参数综合显示飞行与导航信息、数据链状态信息、设备状态信息、指令信息B、告警视觉：灯光、颜色、文字；听觉：语音、音调。一般分为提示、注意和警告三个级别C、地图航迹显示导航信息显示、航迹绘制显示以及地理信息的显示。系统组成飞行器飞行平台动力装置导航飞控电气系统任务设备控制站显示系统操纵系统通讯链路机载地面控制站---操纵系统无人机操纵与控制主要包括起降操纵、飞行控制、任务设备（载荷）控制和数据链管理等。地面控制站内的飞行控制席位、任务设备控制席位、数据链路管理席位都应设有相应分系统的操作装置。知识与实践的综合★（很重要）3个轴---飞控的操纵---人的操纵控制站---起降操纵起降阶段是无人机操纵中最难的控制阶段，起降控制程序应简单、可靠、操纵灵活，操纵人员可直接通过操纵杆和按键快捷介入控制通道，控制无人机起降。根据无人机不同的类别及起飞重量，其起飞降落的操纵方式也有所不同。对于民用无人机，可采用纯自主控制、组合控制（人工修正及姿态遥控）或人工遥控（舵面遥控）等模式进行起降控制。控制站---飞行操纵（即航线操纵）飞行操纵是指通过数据链对无人机在空中整个飞行过程的控制。无人机的种类不同、执行任务的方式不同，决定了无人机有多种飞行操纵方式。一般包括纯自主控制、组合控制（人工修正及姿态遥控）等方式，一般不采用舵面遥控。控制站---任务与链路操纵任务设备控制是地面站任务操纵人员通过任务控制单元，发送任务控制指令，控制机载任务设备工作；同时地面站任务控制单元处理并显示机载任务设备工作状态，供任务操纵人员判读和使用。数据链管理主要是对数据链设备进行监控，使其完成对无人机的测控与信息传输任务。机载数据链主要有：V/UHF视距数据链、L视距数据链、C视距数据链、UHF卫星中继数据链、Ku卫星中继数据链。系统组成飞行器飞行平台动力装置导航飞控电气系统任务设备控制站显示系统操纵系统通讯链路机载地面无人机通讯链路：主要用于无人机系统传输控制、无载荷通讯、载荷通讯三部分信息的无线电链路。根据ITU-RM.2171 报告 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 给出的无人机系统通讯链路是指控制和无载荷链路，主要包括：指挥与控制（C&C），空中交通管制（ATC），感知和规避（S&A）三种链路。通讯链路（世界民航组织官方说法，了解一下就行）系统组成飞行器飞行平台动力装置导航飞控电气系统任务设备控制站显示系统操纵系统通讯链路机载地面无人机系统通讯链路机载终端常被称为机载电台，集成于机载设备中。视距内通讯的无人机多数安装全向天线，需要进行超视距通讯的无人机一般采用自跟踪抛物面卫通天线。通讯链路---机载终端与天线系统组成飞行器飞行平台动力装置导航飞控电气系统任务设备控制站显示系统操纵系统通讯链路机载地面通讯链路---天线极化定向定向全向全向体积代表功率，功率一样距离越来越远，方向越来越窄。民用通讯链路的地面终端硬件一般会被集成到控制站系统中，称作地面电台，部分地面终端会有独立的显示控制界面。视距内通讯链路地面天线采用鞭状天线、八木天线和自跟踪抛物面天线，需要进行超视距通讯的控制站还会采用固定卫星通讯天线。通讯链路---地面终端与天线民用通讯链路的地面终端硬件一般会被集成到控制站系统中，称作地面电台，部分地面终端会有独立的显示控制界面。视距内通讯链路地面天线采用鞭状天线、八木天线和自跟踪抛物面天线，需要进行超视距通讯的控制站还会采用固定卫星通讯天线。通讯链路---地面终端与天线GPS天线（1.575M）外接式IMU（惯性测量单元）或外接其他传感器主板（飞控软件）飞控地面站电机电调桨电池（锂电及充电器)动力飞行器显示操纵遥控发射机杆、开关键盘、鼠标、头追等机载链路地面链路遥控接收机（72M、433M、2.4G）机载数传模块及天线（900M、2.4G）机载图传模块及天线（1.2G、2.4G、5.8G）遥控发射机（72M、433M、2.4G）地面数传模块及天线（900M、2.4G）地面图传模块及天线（1.2G、2.4G、5.8G）飞控地面站界面（飞控地面站软件）图传显示屏（及OSD）链路民用多轴常用的3条链：也比较重要A遥控器上行B图传下行C数传上下行云台机架（包括支臂）脚架结构