《无人机概论》第1章 无人机概述

第一章无人机概述清华出版社“十三五”应用型人才培养规划教材无人机应用技术重点专业建设示范教材目录第一节无人机相关概念第二节无人机的特点与分类第三节无人机的发展历史、现状与未来一、无人机相关概念航空：是指飞行器在地球大气层中的航行活动。航空的实现：稠密的大气层中、依靠空气动力学原理提供升力（须克服航空器自身重力和空气的阻力）。例如：气球、飞艇利用空气的浮力在大气层内飞行飞机利用与空气相互作用产生的空气动力在大气层内飞行飞机上的发动机依靠飞机携带的燃料和大气中的氧气工作。1.航空航天航天：是指飞行器在地球大气层外宇宙空间的航行活动。航天的实现：稀薄的大气层外，模拟自然天体的运动（须克服的地球的引力或太阳的引力）。例如：环绕地球运行的人造地球卫星，飞往月球的月球探测器、登月载人飞船，飞往行星及其卫星的行星和行星际探测器、卫星式载人飞船，行星际航行和恒星际航行等。一、无人机相关概念飞行器：是指由人类制造、能飞离地面、在大气层内或大气层外空间飞行的机械飞行物。飞行器的演变：（1）春秋战国时期墨子（生卒年不详），用三年时间以木头研制成木鸟（又称木鹞、木鸢）——人类最早的风筝起源。（2）春秋时期的鲁班（公元前507年～公元前444年），用竹子改进风筝材质。（3）东汉时期的蔡伦（？～121年）革新造纸术后，坊间才开始以纸作为风筝材质，称为“纸鸢”。（4）春秋战国时期（公元前770年～公元前221年）出现的风筝、五代时期（907年～979年）出现的孔明灯（又称松脂灯）、东晋时期（317年～420年）出现的竹蜻蜓——飞行器的早期雏形。（5）文艺复兴时期意大利科学家和画家达·芬奇通过长期研究撰写的《论鸟的飞行》——航空科学的先知（6）1783年法国蒙哥尔费兄弟的热气球成功升空——航空先驱（7）1784年法国罗伯特兄弟制造了第一艘人力飞艇。2.飞行器一、无人机相关概念飞行器的分类：按飞行器的飞行环境和工作方式的不同分：（1）航空器：指在大气层内飞行的飞行器。（2）航天器：指在大气层外宇宙空间飞行的飞行器。（3）火箭：是以火箭发动机为动力，可在大气层内或大气层外飞行的飞行器。2.飞行器一、无人机相关概念2.飞行器航空器按其用途的不同，可分为军用航空器和民用航空器。如下图：一、无人机相关概念2.飞行器航空器按其升力的基本原理的不同，可分为轻于空气和重于空气的航空器。如下图：一、无人机相关概念2.飞行器航天器按其用途的不同，可分为军用航天器和民用航天器。如下图：一、无人机相关概念中国民用航空航局飞行标准司2016年7月11日下发《民用无人机驾驶员管理规定》（AC-61-FS-2016-20-R1）中规定：无人机（UnmannedAerial，UA）：是指由控制站管理（包括远程操纵或自主飞行）的航空器，也称远程驾驶航空器（RemotelyPilotedAircraft，RPA）。无人机系统（UnmannedAerialSystem，UAS）：是指由无人机、相关的控制站、所需的指令与控制数据链路以及批准的型号设计规定的任何其他部件组成的系统，也称远程驾驶航空器系统（RemotelyPilotedAircraftSystems，RPAS）。无人机系统驾驶员：是指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无人机的人。控制站：也称遥控站、地面站，是无人机系统的组成部分，包括用于操纵无人机的设备。指令与控制数据链路（CommandandControldatalink，C2）：是指无人机和控制站之间为飞行管理之目的的数据链接。3.无人机和无人机系统一、无人机相关概念3.无人机和无人机系统一种典型的无人机系统目录第一节无人机相关概念第二节无人机的特点与分类第三节无人机的发展历史、现状与未来二、无人机的特点与分类1.无人机的特点无人机的优势：（1）机上没有驾驶员，无需配备生命支持系统，简化了系统、减轻了重量、降低了成本。（2）机上没有驾驶员，执行危险任务时不会危及飞行员安全，更适合执行危险性高的任务。（3）机上没有驾驶员，可以适应更激烈的机动飞行和更加恶劣的飞行环境，留空时间也不会受到人所固有的生理限制。（4）无人机在制造、使用和维护方面的技术门槛和成本相对更低。制造方面：放宽了冗余性和可靠性指标，放宽了机身材料、过载、耐久等要求。使用方面：使用相对简单，训练更易上手，且可用模拟器代替真机进行训练，节省了真机的实际使用寿命。维护方面：维护相对简单，维护成本低。（5）无人机对环境要求较低，包括起降环境、飞行环境和地面保障等。（6）无人机相对重量轻、体积小、结构简单，应用领域广泛。二、无人机的特点与分类1.无人机的特点无人机的局限性：（1）无人机上没有驾驶员和机组人员，对导航系统和通信系统的依懒性更高。（2）无人机放宽了冗余性和可靠性指标，降低了飞行安全。当发生机械故障或电子故障时，无人机及机载设备可能会产生致命损伤。（3）无人机的续航时间相对较短，尤其是电动系统的无人机。（4）无人机遥控器、地面站、图传、数传电台等设备的通信频率和地面障碍物等，限制了无人机系统的通信传输距离，限制了无人机的飞行范围。（5）无人机的体积、重量和动力等，决定了无人机的抗风、抗雨能力有限。二、无人机的特点与分类2.无人机的分类1.按飞行平台构型分类固定翼无人机无人直升机多旋翼无人机无人伞翼机、无人扑翼机、无人飞艇混合式无人机（1）固定翼无人机定义：由动力装置产生前进的推力或拉力，由机身固定的机翼产生升力，在大气层内飞行的重于空气的无人机。特点：载荷大、续航时间长、航程远、飞行速度快、飞行高度高，但起降受场地限制、无法悬停。二、无人机的特点与分类2.无人机的分类1.按飞行平台构型分类固定翼无人机无人直升机多旋翼无人机无人伞翼机、无人扑翼机、无人飞艇混合式无人机（2）无人直升机定义：依靠动力系统驱动一个或多个旋翼产生升力和推进力，实现垂直起落及悬停、前飞、后飞、定点回转等可控飞行的无人机。特点：可垂直起降、可悬停、操作灵活，可任意方向飞行，但结构复杂、故障率较高。与固定翼无人机相比，飞行速度低、油耗高、载荷小、航程短、续航时间短。二、无人机的特点与分类2.无人机的分类1.按飞行平台构型分类固定翼无人机无人直升机多旋翼无人机无人伞翼机、无人扑翼机、无人飞艇混合式无人机（3）多旋翼无人机定义：具有三个及以上旋翼轴提供升力和推进力的可垂直起降的无人机。特点：结构简单、价格低廉、操作灵活，可向任意方向飞行，但有效载荷较小、续航时间较短等。二、无人机的特点与分类2.无人机的分类1.按飞行平台构型分类固定翼无人机无人直升机多旋翼无人机无人伞翼机、无人扑翼机、无人飞艇混合式无人机（4）无人伞翼机定义：指以伞翼为升力面，以柔性伞翼代替刚性机翼的无人机。伞翼位于全机的上方，多用纤维织物制成不透气柔性翼面，可收叠存放，张开后利用迎面气流产生升力。特点：体积小、速度慢、飞行高度低等。二、无人机的特点与分类2.无人机的分类1.按飞行平台构型分类固定翼无人机无人直升机多旋翼无人机无人伞翼机、无人扑翼机、无人飞艇混合式无人机（5）无人扑翼机定义：是一种利用仿生原理，通过机翼主动运动模拟鸟的翅膀振动，产生升力和前行力的无人机。其特征是机翼主动运动、靠机翼拍打空气的反作用力作为升力和前行力、通过机翼及尾翼的位置改变进行机动飞行。特点：扑翼空气动力学尚未成熟，扑翼无人机的材料和结构也有待进一步研发改进。二、无人机的特点与分类2.无人机的分类1.按飞行平台构型分类固定翼无人机无人直升机多旋翼无人机无人伞翼机、无人扑翼机、无人飞艇混合式无人机（6）无人飞艇定义：是一种轻于空气、具有操纵和推进系统的无人机。分为硬式、半硬式和软式三种类型。现代无人飞艇多为软式飞艇。特点：最大的优势是滞空时间和静音性能，但也存在造价昂贵、速度过低等问题。二、无人机的特点与分类2.无人机的分类1.按飞行平台构型分类固定翼无人机无人直升机多旋翼无人机无人伞翼机、无人扑翼机、无人飞艇混合式无人机（7）混合式无人机定义：指混合以上两种或多种平台构型的无人机。特点：倾转旋翼无人机兼具固定翼和旋翼机的优点，具有垂直起降、空中悬停和高速巡航飞行的能力。二、无人机的特点与分类2.无人机的分类2.按应用领域分类军用无人机民用无人机科研无人机（1）军用无人机定义：指应用于军事领域的无人机。无人机最早起源和应用于军事领域。特点：机具有较强的技术保密和垄断性质。分类：靶机、侦查无人机、诱饵无人机、电子对抗无人机、通信中继无人机、无人战斗机等（2）军用无人机定义：指应用于民用领域的无人机。无人机最早起源和应用于军事领域。特点：机具技术要求低、更注重经济性。分类：消费级无人机、工业级无人机。消费级无人机主要用于个人娱乐、个人航拍、青少年科普教育等方面，强调产品的易操作性、便携性和性价比。工业级无人机主要用于行业应用领域，强调产品的专业性、稳定性和可靠性。（3）科研无人机定义：指应用于科学研究、科学试验或类似用途的无人机。二、无人机的特点与分类2.无人机的分类3.按飞行航程分类二、无人机的特点与分类2.无人机的分类4.按飞行高度分类二、无人机的特点与分类2.无人机的分类5.按民航法规分类二、无人机的特点与分类2.无人机的分类6.按运行风险分类目录第一节无人机相关概念第二节无人机的特点与分类第三节无人机的发展历史、现状与未来三、无人机的发展历史、现状与未来1.无人机的发展历史与现状（1）国外无人机的发展历史与现状：第一次世界大战，1914年英国的卡德尔和皮切尔两位将军向英国军事航空学会提出了研制一种使用无线电操纵的小型无人驾驶飞机，使它能飞到敌方目标区上空投下事先装好的炸弹的建议，该设想得到认可并由A.M.洛教授率领一班人马进行研制。1915年10月，德国西门子公司成功研制了采用伺服控制装置和指令指导的滑翔炸弹。1916年9月12日，第一架无线电操纵的无人驾驶飞机在美国试飞。1917～1918年，英国与德国先后研制成功无人机遥控飞机，这些被公认为有控无人机的先驱。20世纪30年代，英国政府决定研制一种无人靶机，用于校验战列舰上火炮对目标的攻击效果，于1933年研制成功并试飞。在1934年～1943年期间，英国一共生产了420架命名为“蜂王”的全木结构的双翼无人靶机。1945年，第二次世界大战结束后，很多退役或多余的飞机被改装为靶机，成为近代无人机改装趋势的先河。随后的越南战争、海湾战争和北约空袭南斯拉夫等战争中，无人机都被频繁地用于军事行动中。三、无人机的发展历史、现状与未来1.无人机的发展历史与现状（1）国外无人机的发展历史与现状：1973年第四次中东战争中，以色列用无人机成功捣毁埃及部署的地空导弹防空网。1982年加利和平行动（黎巴嫩战争）中，以色列国防军用无人机进行侦察、情报收集、跟踪和通讯，侦察者无人机系统担任了重要的战斗角色。1991年的沙漠风暴行动中，美军曾经发射专门欺骗雷达系统的小型诱饵无人机，此后诱饵无人机成为其他国家仿效的对象。1996年3月，美国国家航空航天局研制出两架试验机：X-36试验型无尾无人战斗机。该机使用分列副翼和转向推力系统，比常规战斗机具有更高的灵活性；水平垂直尾翼减轻了重量和拉力、缩小了雷达反射截面。20世纪90年代后，西方国家充分认识到无人机在战争中的作用，竞相把新翼型、轻型材料、先进的信号处理与通信技术、先进的自动驾驶仪技术等应用于无人机系统上。20世纪末，许多国家研制出新时代的军用无人机，很大程度上改变了军事战争和军事调动的原始形式。目前，美国的无人机技术处于世界领先水平，以色列是无人机的出口大国但在技术方面完全依靠美国，欧洲国家中的俄、英、法、德等国家的无人机技术发展较快。我国周边国家如日本、印度、韩国等主要依靠外国进口，自主研发力量较为薄弱。三、无人机的发展历史、现状与未来1.无人机的发展历史与现状（2）国内无人机的发展历史与现状：我国无人机的研制始于20世纪五六十年代。1966年12月6日“长空一号”大型喷气式无线电遥控高亚音速无人靶机首飞成功，该机型于1976年底批准设计定型，之后多次改进，在此基础上改装成的核试验取样机于1977年圆满完成了一次核试验穿云取样任务。“长空一号”开创了我国无人机的先河。1972年11月28日“无侦-5”（又称“长虹”1号）高空高亚音速无人驾驶侦察机试飞成功，1980年批准设计定型，1981年开始装备部队，1986年对越自卫反击战中参加实战，是到目前为止中国唯一参加过实战、且在中国正式装备的无人机型号中保持着最大升限和最快飞行速度纪录的无人机。我国无人机的研制着眼军民两用。用于导弹打靶和防空部队训练的“长空一号”经过适当改装，就可执行大气污染监控、地形与矿区勘察等民用任务，并在此基础上研发了WZ-2000隐身无人机、“蜂王”无人机和“翔鸟”无人驾驶直升机等一系列无人机，形成了目前种类繁多、用途多样的无人机研发制造体系。三、无人机的发展历史、现状与未来1.无人机的发展历史与现状（2）国内无人机的发展历史与现状：目前，我国专门从事无人机的企事业单位超过了300