无人机设计调研

1、,消费级无人机,无人机设计,2017,CONTENTS,调研总结,现有产品分析,面临的问题,材料及表面工艺,06,行为习惯分析,01,02,03,04,人群及使用环境,05,现有产品分析,01,PROJECT DESCRIPTION,无人驾驶飞机简称“无人机”，英文缩写为“UAV”，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机。 从技术角度定义可以分为：无人固定翼机、无人垂直起降机、无人飞艇、无人直升机、无人多旋翼飞行器、无人伞翼机等。 无人机按应用领域，可分为军用与民用。军用方面，无人机分为侦察机和靶机。民用方面，无人机+行业应用，是无人机真正的刚需；目前在航拍、农业、植保、微型

2、自拍、快递运输、灾难救援、观察野生动物、监控传染病、测绘、新闻报道、电力巡检、救灾、影视拍摄、制造浪漫等等领域的应用，大大的拓展了无人机本身的用途，发达国家也在积极扩展行业应用与发展无人机技术。,1.1 无人机定义及分类,1.2 研制背景,无人机最早在20世纪20年代出现，1914年第一次世界大战正进行得如火如荼，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一项建议：研制一种不用人驾驶，而用无线电操纵的小型飞机，使它能够飞到敌方某一目标区上空，将事先装在小飞机上的炸弹投下去。这种大胆的设想立即得到当时英国军事航空学会理事长戴亨德森爵士赏识。他指定由A.M.洛教授率领一班人马进行研制。

3、无人机当时是作为训练用的靶机使用的。是一个许多国家用于描述最新一代无人驾驶飞机的术语。从字面上讲，这个术语可以描述从风筝，无线电遥控飞机，到V-1飞弹从发展来的巡航导弹，但是在军方的术语中仅限于可重复使用的比空气重的飞行器。,研制背景,1.3发展历程,PROJECT DESCRIPTION,20世纪55年到74年的越南战争，海湾战争乃至北约空袭南斯拉夫的过程中，无人机都被频繁地用于执行军事任务。,02,20世纪40年代，二战中无人靶机用于训练防空炮手。,01,1991年的沙漠风暴作战当中，美军曾经发射专门设计欺骗雷达系统的小型无人机作为诱饵，这种诱饵也成为其他国家效彷的对象,03,20世纪90

4、年代后，西方国家充分认识到无人机在战争中的作用，竞相把高新技术应用到无人机的研制与发展上：新翼型和轻型材料大大增加了无人机的续航时间；采用先进的信号处理与通信技术提高了无人机的图像传递速度和数字化传输速度；先进的自动驾驶仪使无人机不再需要陆基电视屏幕领航，而是按程序飞往盘旋点，改变高度和飞往下一个目标。,04,1.4 品牌分析,PROJECT DESCRIPTION,大疆,大疆：是一家总部位于中国深圳的无人机制造厂商，成立于 2006 年。该公司生产的 DJI无人机被广泛运用于航拍。,极飞 (XAIRCRAFT),极飞 (XAIRCRAFT)作为国内最早开始研发多旋翼无人机的公司之一，成立于

5、2007 年总部位于中国广州的极飞科技( XAIRCRAFT ) 由前微软中国区 MVP 彭斌创立。,Parrot(派诺特),Parrot(派诺特)：比大疆成立早十二年的 Parrot公司是一家总部位于法国巴黎的无人机及无线产品制造商。,亿航(Ehang),亿航(Ehang)：作为无人机市场新锐，总部位于中国广州的亿航无人机团队于去年四月获得来自乐博资本杨宁的第一笔天使投资。紧接着的五月，亿航发布旗下首款无人机产品Ghost。其创始人为有着 “16 岁就考上清华少年班”神奇经历的胡华智。,1,2,3,4,1.5 操作流程,PROJECT DESCRIPTION,开始界面：快捷实现任务的规划，进

6、入任务监控界面，实现航拍任务的快速自动归档，各功能划分开来，实现软件运行的专一而稳定。,航前检查：为保证任务的安全进行，起飞前结合飞行控制软件进行自动检测，确保飞机的GPS、罗盘、空速管及其俯仰翻滚等状态良好，避免在航拍中危险情况的发生。,飞行任务规划：在区域空照、导航、混合三种模式下进行飞行任务的规划。,航飞监控：实时掌握飞机的姿态、方位、空速、位置、电池电压、即时风速风向、任务时间等重要状态，便于操作人员实时判断任务的可执行性，进一步保证任务的安全。,1,2,3,4,1.6 造型定位,PROJECT DESCRIPTION,未来,现在,高端,低端,1.7工作原理,旋翼对称分布在机体的前后、

7、左右四个方向，四个旋翼处于同一高度平面，且四个旋翼的结构和半径都相同，四个电机对称的安装在飞行器的支架端，支架中间空间安放飞行控制计算机和外部设备。结构形式如图 1.1所示。 四旋翼飞行器通过调节四个电机转速来改变旋翼转速，实现升力的变化，从而控制飞行器的姿态和位置。四旋翼飞行器是一种六自由度的垂直升降机，但只有四个输入力，同时却有六个状态输出，所以它又是一种欠驱动系统。 （a）垂直运动：同时增加四个电机的输出功率，旋翼转速增加使得总的拉力增大，当总拉力足以克服整机的重量时，四旋翼飞行器便离地垂直上升；反之，同时减小四个电机的输出功率，四旋翼飞行器则垂直下降，直至平衡落地，实现了沿 z轴的垂直

8、运动。当外界扰动量为零时，在旋翼产生的升力等于飞行器的自重时，飞行器便保持悬停状态。 （b）俯仰运动：在图（b）中，电机 1的转速上升，电机 3 的转速下降（改变量大小应相等），电机 2、电机 4 的转速保持不变。由于旋翼1 的升力上升，旋翼 3 的升力下降，产生的不平衡力矩使机身绕 y 轴旋转，同理，当电机 1 的转速下降，电机 3的转速上升，机身便绕y轴向另一个方向旋转，实现飞行器的俯仰运动。,1.7工作原理,（c）滚转运动：与图 b 的原理相同，在图 c 中，改变电机 2和电机 4的转速，保持电机1和电机 3的转速不变，则可使机身绕 x 轴旋转（正向和反向），实现飞行器的滚转运动。 （d

9、）偏航运动：旋翼转动过程中由于空气阻力作用会形成与转动方向相反的反扭矩，为了克服反扭矩影响，可使四个旋翼中的两个正转，两个反转，且对角线上的各个旋翼转动方向相同。反扭矩的大小与旋翼转速有关，当四个电机转速相同时，四个旋翼产生的反扭矩相互平衡，四旋翼飞行器不发生转动；当四个电机转速不完全相同时，不平衡的反扭矩会引起四旋翼飞行器转动。在图 d中，当电机 1和电机 3 的转速上升，电机 2 和电机 4 的转速下降时，旋翼 1和旋翼3对机身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4对机身的反扭矩，机身便在富余反扭矩的作用下绕 z轴转动，实现飞行器的偏航运动，转向与电机 1、电机3的转向相反。,1.7工作原理,（5）前

10、后运动：要想实现飞行器在水平面内前后、左右的运动，必须在水平面内对飞行器施加一定的力。在图 e中，增加电机 3转速，使拉力增大，相应减小电机 1转速，使拉力减小，同时保持其它两个电机转速不变，反扭矩仍然要保持平衡。按图 b的理论，飞行器首先发生一定程度的倾斜，从而使旋翼拉力产生水平分量，因此可以实现飞行器的前飞运动。向后飞行与向前飞行正好相反。（在图 b 图 c中，飞行器在产生俯仰、翻滚运动的同时也会产生沿 x、y轴的水平运动。） （6）倾向运动：在图 f 中，由于结构对称，所以倾向飞行的工作原理与前后运动完全一样。,1.8无人机组成部件,电动机 小型四旋翼无人机（轴距250mm左右）大都选用

11、KV2000左右（配5-6寸桨）的电机。,桨叶 桨叶与电机的搭配主要是从机架大小、能否提供足够动力这两方面进行考虑。 电池 现在几乎所有的四旋翼无人机都使用锂电池，主要考量电池的容量、放电速率、自身重量。如：ACE格瑞普2200mAh锂电池，充电倍率20C，重量186g，尺寸25mm*34mm*105mm,1.8无人机组成部件,支撑和外观系统 支撑和外观系统（机架）是指无人机的承载平台，主要由中心板、力臂、脚架和摄像头组成。 多轴飞行器的轴数，常见的还是以4、6、8轴为主。,1.8无人机组成部件,材料及表面工艺,02,2.1 性能良好的材料,PROJECT DESCRIPTION,碳纤维,工程

12、塑料,PAIN POINTS,01,PAIN POINTS,02,2.2 碳纤维,PROJECT DESCRIPTION,碳纤维（carbon fiber，简称CF），是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。它是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成，经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维“外柔内刚”，质量比金属铝轻，但强度却高于钢铁，并且具有耐腐蚀、碳纤维的轴向强度和模量高，密度低、比性能高，无蠕变，非氧化环境下耐超高温，耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小且具有各向异性，耐腐蚀性好，X射线透过性好。良好的导电导热性能、电磁屏蔽性好等

13、又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。,2.3 市场价值,PROJECT DESCRIPTION,工程塑料可作工程材料和代替金属制造机器零部件等的塑料。工程塑料具有优良的综合性能，刚性大，蠕变小，机械强度高，耐热性好，电绝缘性好，可在较苛刻的化学、物理环境中长期使用，可替代金属作为工程结构材料使用，但价格较贵，产量较小。,2.4 碳纤维表面处理,PROJECT DESCRIPTION,碳纤维表面处理是指为改善碳纤维与树脂基体等的钻合性、提高复合材料的层间剪切力而须进行的表面处理。防止弱层面的生成改善树脂和增强材料的亲和力 表而处理法有五种: (1液相氧化法，氧化剂 为1N Na2Cr

14、2或6N HNO,等t 2)等离子体处理法、使等 离子体聚合物附着于碳纤维表面卜或起刻蚀作用; 3)阳极电 解或电沉积处理法，便带竣基等的共聚体负离子在电场作用 下均匀地沉积在碳纤维表面;l 4)臭氧处理法; 5)气相氧化 法.采用0，+cu在约1000进行。 6)表面涂层法。,适用环境及使用人群,03,3.1使用人群,高收入阶级,航模爱好者,发烧友,航拍爱好者,3.1使用人群,消费级无人机市场的客户群体主要是高收入阶级、航模爱好者、发烧友等小众群体。 这与此类群体的受教育程度、文化程度、收入水平有很大关系。对于多数消费者而言，无人机仍是新奇的产品且价格昂贵，一般消费者不会选择购买。而对于此类

15、小众群体来说，购买并使用无人机不仅是一种身份地位的象征，更是一种品味的体现。 无人机凭借能随时随地拍摄出震撼的鸟瞰照片及炫酷视频等优点，更是深受航拍爱好者的欢迎。 消费级无人机大多针对普通消费者或者航拍爱好者，强调飞机的便携性和易操作，用户通常对售价敏感。,3.2适用环境,无人机能胜任“3D”环境下的工作任务(“3D”即 Dull 枯燥的、Dirty 肮脏的、Dangerous 危险的)。 常规航摄作业根据无人机的起降方式，无人机起降环境应满足以下要求： a）距离军用、商用机场须在10km以上； b）起降场地相对平坦、通视良好； c）远离人口密集区，半径200m范围内不能有高压线、高大建筑物、

16、重要设施等； d）起降场地地面应无明显凸起的岩石块、土坎、树桩，也无水塘、大沟渠等； e）附近应无正在使用的雷达站、微波中继、无限通信等干扰源，在不能确定的情况下，应测试信号的频率和强度，如对系统设备有干扰，须改变起降场地； f）无人机采用滑跑起飞、滑行降落的，滑跑路面条件应满足其性能指标要求。,行为习惯分析,04,4.1 操控器分析,PROJECT DESCRIPTION,控制器是指人通过某种装置操纵控制一台机器或一个设备系统的专用机具。控制器的类型很多，分类方法也不尽相同。一般来说，常见的分类方法有以下几种： 摆动控制器 如开关杆、调节杆、杠杆键，拨动式开关、摆动开关、踏板等。 转换控制器

17、 用于把系统从一个工作状态转到另一个工作状态的操纵控制。常用的有手柄、选择开关、选择旋钮、操纵盘等控制器。 调整控制器 用于使系统的工作参数稳定地增加或减少。常用有手柄、按钮、操纵盘和旋钮等。,4.2 人机工程分析,PROJECT DESCRIPTION,根据人机工程学分析得到，人体的正常操作视觉范围为60人手最大作业区为59cm通常作业区为35cm手长平均在1622.5cm上展范围为3260下展范围为73110内展范围为5575外展范围为15。大拇指与食指的夹角约等于65。,面临的问题,05,5.1,5.1 面临的问题,PROJECT DESCRIPTION,噪音大,STEP 1,续航能力差,STEP 2,抗撞击能力差易损坏,STEP 3