《无人机结构与系统》第5章 无人机其他系统

无人机结构与系统主讲人：张翼无人机结构与系统电气系统5.1第五章无人机其他系统

无人机结合行业应用，搭载不同的任务载荷，实现无人机的功能最大化。除动力系统以外，无人机顺利执行各种任务仍需电气系统、控制站、通讯系统、任务设备等提供辅助支持。学习导论5.1电气系统根据国家标准对无人机电气系统的要求，其正常工作应该满足以下要求：1）稳定输电；2）在个别部件发生故障时，电气系统的其他部分不受影响，继续保持正常工作；3）在应急状态下应该保证应急用电设备的供电质量。电气系统组成无人机电气系统一般包括电源、配电系统、用电设备三个部分，电源和配电系统两者的组合统称为供电系统。5.1.1无人机电气系统的作用·11供电系统的作用：是向无人机各个系统或设备提供满足预定设计要求的电能。5.1.1无人机电气系统的作用·11

根据电气系统的位置，无人机电气系统又可以分为：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（或发动机启动电源）、应急电源、电气设备的控制与保护装置及辅助设备组成。

电源需要满足的特点

高比能量方向宽温度范围电池管理方向高安全可靠性方向1.电源机载电源：主要是为小型无人机提供续能动力，同时为机载用电设备供电，要求满足比能量高、温度范围(尤其低温性能)宽、比功率高、工作时间长等性能要求，主要来用单独的镉镍电池、锌银电池、锂离子电池、锂硫电池、太阳能电池等。1.电源表5-1无人机机载电源常用组成形式类别组成形式应用方向主电源1台独立蓄电池组小型无人机系统启动电源或应急电源或不间断供电电源1台独立蓄电池组中型或大型无人机及无人机系统1台独立蓄电池组（内置监测系统）1台独立蓄电池组（内置管理系统）1台蓄电池组+1台机载充电控制器启动-应急2台蓄电池组（相同，互为冗余）+1台机载充电控制器1台独立蓄电池组（内部独立，内置监测系统）1台独立蓄电池组（内部独立，内置管理系统）启动-应急-不间断（内部独立）1台蓄电池组1台蓄电池组（内置监测系统）1台蓄电池组（内置管理系统）配电系统2.2.配电系统

配电系统的主要作用是：依据设备的用电要求，对电源系统的电能进行合理的分配和控制，其中核心设备是配电控制器。2.配电系统配电系统按控制方式可分为集中控制方式、分散控制方式和集散控制方式。目前常用方式是分散控制方式和集散控制方式。其配电控制器的工作原理如图5-1所示。5.1.2系留无人机电气系统

所谓系留无人机系统是：通过地面起降平台将无人机长时间悬停在空中进行作业。任务设备5.25.2.1概述无人机应用领域航拍测绘农业植保公安特警管道巡检电力巡线消防救援1.农业方面(农业植保、农作物数据监测)

用于农业事前预防用于农业事中监测用于农业事后控制1.农业方面(农业植保、农作物数据监测)2.林业方面(森林防火、森林灾害防治、保护区野生动物监测)无人机搭载可见光成像和红外成像等设备，可实现在中低空领域对车、人无法到达地域的林业资源调查、生态环境、森林防火、森林病虫害防治等工作。3.电力石油方面(电力巡线、石油管道巡检)传统电力巡线面临巡线线路距离长、工作量大、步行巡线效率低、巡线员安全等问题，特别是当遇到冰雪、水灾、地震、滑坡等自然灾害天气时，巡线抢修任务又增添了新的难度。传统电力巡检无人机电力巡检4.抗震救灾方面(灾情监测、应急指挥、地震调查)在地质灾害的灾前预警、灾时监测、灾后重建等工作中，需对灾区进行反复遥感动态监测。搭载了高清拍摄装置的多旋翼无人机对受灾地区进行航拍，可以提供最新影像资料。4.抗震救灾方面(灾情监测、应急指挥、地震调查)5.气象方面(空气监测)无人机在气象、环保方面的应用最初是无人机搭载可见光照相机云台，通过视频、拍照片等对污染浓度较大的可见性污染源，如黑烟囱、秸秆焚烧等进行监控。但该方法容易受光照、雨雾、摄像头分辨率等因素的影响，不能达到很好的监测效果。6.国土资源方面(矿产资源勘探、国土资源开采)无人机系统搭载三维激光扫描仪、传感器、摄像器等可完成国土资源方面的事先控制和事后评估考察两个层次的应用。

7.警用方面(交通巡逻、边境巡视)无人机在警用方面主要是搭载高清摄像头、喊话器等设备，摄像头采集的画面可实时传输到指挥车辆上，使指挥员实时获取现场情况，为指挥员提供高效准确的指挥调度依据。8.水利方面无人机可进行海洋环境监测、水资源开发、生态环境保护监测、洪涝灾害监测、干旱缺水监测、水环境污染监测、河床河道监测、内陆湖泊及水库监测和农田灌溉监测等。任务设备5.29.城市规划、市政管理无人机遥感技术在城市建设工程的环境监测方面也发挥着重大作用。城市建设工程应该坚持环境保护与经济、社会协调发展的原则。10.测绘方面(测绘、航空摄影测量)无人机在测绘中具有非常重要的作用，可以机载遥感设备，如高分辨率CCD数码照相机、轻型光学照相机、红外扫描仪、激光扫描仪、磁测仪等获取图像信息，用计算机对图像信息进行处理，并按照一-定精度要求进行数据分析处理，生成6D数据产品。5.2.2照相机按任务设备用途：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。5.2.2照相机335.2.2照相机搭载不同任务载荷的无人机在各行各业的应用越来越广泛，目前无人机应用最广泛、最成熟的是航空拍摄。1)由于无人机载重能力有限，要求照相机体积小、重量轻。2)无人机在低空中飞行，易受风向、风力的影响，要求照相机防抖动能力强。3)为将拍摄图像实时传输到地面控制站，要求无线图传系统稳定可靠。5.2.2照相机1.照相机分类2.可见光照相机3.红外线照相机4.其他常用照相机可见光照相机：根据电子传感器工作原理的不同可分为两种:一种是光感应式的电荷耦合器件(CCD)，另一种是互补金属氧化物半导体(CMOS)。CCD的优势在于成像质量好，旧其制作工艺复杂，成本较高，在相同分辨率的情况下，CMOS价格相对较低，但图像质量也相应变差。可见光照相机红外线探测器：是红外线辐射能的接收器，它通过光电变换作用，将接收的红外线辐射能量变为电信号，并经过放大、处理，形成图像。红外线探测器可分为热探测器和光子探测器。红外线照相机作业1.无人机电气系统的组成及其作用分别是什么?2.无人机机载电源常见的组织形式是什么?3.简述系留无人机的概念及其供电特点?4.简述不同任务设备在各行各业中的不同应用？5.比较不同照相机的成像原理和应用场合？任务设备5.2其他常用照相机1、多光谱照相机是在普通航空照相机的基础上发展而来的。多光谱照相是指在可见光的基础上向红外光和紫外光两个方向扩展，并通过各种滤光片或分光器与多种感光胶片的组合，使其同时分别接收同一目标在不同窄光谱带上所辐射或反射的信息，即可得到目标的几张不同光谱带的照片的照相机。多光谱照相机2、合成孔径雷达(SAR)是一种高分辨率成像雷达，可以在能见度极低的气象条件下得到类似光学照相的高分辨雷达图像。SAR主要应用于军事领域，用于侦察战术目标并对其进行定位和识别。在民用领域的应用主要是资源勘探、大地测量、灾情监测等方面。合成孔径雷达5.2.3云台

随着无人机在各行各业的广泛应用，根据不同的任务要求，无人机需要搭载不同的任务设备。

无人机云台就是无人机用于安装、固定摄像机等任务载荷的支撑设备。1、云台的分类2、云台的结构及工作原理3、云台材料的选择4、云台的无线传输5、云台系统的发展云台的分类固定云台一般用于拍摄范围不大的情况。可根据需求调整设备的水平、俯仰角度，确定最佳拍摄姿态后锁定调整机构即可。电动云台适用于大范围进行扫描拍摄的情况。一般在云台旋转轴上装有电动机，可通过手动或程序远程控制云台旋转或按照一定的运动规律旋转，从而得到全方位的拍摄。

云台系统主要由主控制器、姿态反馈元件、执行机构、机械框架四部分组成。云台的结构及工作原理

由于无人机功能和用途的不同，各种不同的传感器或相机会被搭载在无人机云台，因此无人机云台也根据需要被设计不同的结构。限制于无人机载荷能力，通常要求保证云台正常工作的前提下，减小云台结构的重量、体积和增加云台的载荷能力。

无人机云台自身结构的稳定性是云台性能的重要性能指标，它直接影响着云台的稳像效果，合理稳定的云台结构对于提高无人机作业性能有着很大的作用。由于无人机的振动和气流的扰动等因素的影响，所以采用一些结构或者材料隔离振动可以有效解决这些问题。云台的结构及工作原理云台的结构及工作原理

当云台向前运动，云台支架就向后运动，保持云台上固定的仪器前后位置不变。左右运动也是相同的原理。

在云台中，测量位置变化的是陀螺仪，也叫“加速度测量仪”，测量到任意加速度都给它一个相反的加速度，云台就能一动不动的杵在那里，充分让你感受到“一顿操作猛如虎，云台还在原地杵！”云台的结构及工作原理

一般无人机云台都能满足相机的三个活动自由度：绕X、Y、Z轴旋转，每个轴心内都安装有电机，当无人机倾斜时，同样会配合陀螺仪给相应的云台电机加强反方向的动力，防止相机跟着无人机“倾斜”，从而避免相机抖动。云台的结构及工作原理任务设备5.2云台的常用材料可分为三类：①金属材质以不锈钢、铝合金为代表这类材料制造的云台安全性能高、刚性好，但是重量较大。云台材料的选择②碳纤维板和碳纤维管这类材料制造的云台质量轻，但是刚性不足，稳定性差。③光敏树脂材料固化后的树脂材料具有良好的物理特性，重量轻、韧度强、耐高温和腐蚀。这类材料制造的云台制作简单、精度高，但是刚性不足。

一是考虑云台的工作环境，在一定风速、加速度下工作，且在高温和低温环境下受影响小。

二是针对小型无人机，考虑云台尺寸和重量都要小。

三是考虑经济性，根据不同部分受力强度不同，选择不同的材料。在选择云台材料时，要考虑三个问题：操控者通过遥控器与接收机两部分完成了人机之间的无线传输。通讯频率

多选用2.4GHz为遥控频率，其优点是频率高、同频概率小、功耗低、反应迅速、控制精度好等。调制方式

遥控信号等调制方式一般分为脉冲信号（PCM）和