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漫谈无人机及其关键技术(民用类)一

发布日期:2017-12-13  来源:传感器技术mp我要投稿我要评论

 无人驾驶飞机简称“无人机”,英文缩写为“UAV”,主要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。

无人机的起源

 

无人机最早是在20世纪20年代出现的,1914年第一次世界大战中有人研制一种不用人驾驶,而用无线电操纵的小型飞机。现代战争是推动无人机发展的基本动力。世界第一架无人机诞生于1917年,而无人机真正投入作战始于越南战争,主要用于战场侦察。

1982年以色列与叙利亚在贝卡谷战争中,以色列使用无人机进行侦察、干扰、诱敌,无人机的作用再次被重视和开发。

1991年初的海湾战争中无人机已成为 “必须有”的战场能力,六套先锋无人机系统参战。提供了高品质、近实时、全天时的侦察、监视、目标捕获、拦截和战损评估。

科索沃战争是历次战争中使用无人机架次最多的一次,也是发挥作用最大的一次。

1995年第一次俄罗斯车臣反恐战争和1999年第二次俄罗斯车臣反恐战争中,俄军使用了无人侦察机对战区进行侦察和监视,尤其在第二次车臣战争中,俄军的“蜜蜂”无人侦察机侦察了大量叛军资料,为俄军精确打击提供准确资料。

前述战争中,无人机担当的主要是侦察的角色,在阿富汗战争中,美国用“捕食者”作为载机,发射了“AGM-114C”“海尔法”空地导弹,首次在实战中实现了无人机发射导弹直接对地定点攻击,进一步发展了作战无人机的功能,也是对无人作战飞机的实战使用进行了验证,真正开始了无人化战争的起步。

 漫谈无人机及其关键技术(民用类)

无人机的种类

 

 

按功能无人机可以分为军用无人机和民用无人机两大类。

军用无人机又分为信息支援、信息对抗、火力打击三大类;而民用无人机包括检测巡视类无人机、通信中继类无人机、遥感绘制类无人机和时敏目标打击类无人机。本文重点讨论民用无人机系统。

从技术角度,民用无人机一般可以分为:无人固定翼机)、无人直升机、无人多旋翼飞行器等。

1、固定翼无人机:

 漫谈无人机及其关键技术(民用类)

优点:续航时间长、航程远、飞行速度快、飞行高度高、负载能力强

缺点:起降受场地限制、不能在空中悬停

2、直升机无人机

 漫谈无人机及其关键技术(民用类)

优点:载荷较大、可垂直起降、空中悬停、灵活性强

缺点:结构复杂、故障率高、维修成本高、续航时间短

3、多旋翼无人机

优点:操作灵活、结构简单、成本低、起降方便、可在空中悬停

缺点:续航时间短、负载能力弱、飞行速度慢

无人机主要硬件结构

 

1、芯片

一个高性能FPGA芯片就可以在无人机上实现双CPU的功能,以满足导航传感器的信息融合,实现无人飞行器的最优控制。

2、惯性传感器

伴随着应用加速计、陀螺仪、地磁传感器等设备广泛应用,MEMS惯性传感器开始大规模兴起,6轴、9轴的惯性传感器也逐渐取代了单个传感器,成本和功耗也进一步降低。

3、WIFI等无线通信

wifi等通信芯片用于控制和传输图像信息,通信传输速度和质量已经可以充分满足几百米的传输需求。

4、电池

电池能量密度不断增加,使得无人机在保持较轻的重量下,续航时间能有25-30分钟,达到可以满足一些基本应用的程度,此外,太阳能电池技术使得高海拔无人机可持续飞行一周甚至更长时间。

5、云台

安装、固定摄像机的支撑设备,它要保证无人机在各种环境下做到稳定拍摄。

6、飞机机体

包含螺旋桨、电机马达、机体外壳等

7、相机等

包括4K、3D、高像素摄像头等。

无人机主要系统

 

 漫谈无人机及其关键技术(民用类)

 

 

无人机系统主要由三部分组成,分别为飞行器平台、控制站与通讯链路。

飞行器平台:包括飞行机体结构、动力系统、飞控系统、导航系统、电气系统、通信系统;

控制站:包括显示系统、操纵系统;

通讯链路:包括机载通讯与地面通讯。

1、飞控系统

飞控系统是无人机的“驾驶员”,是无人机完成起飞、空中飞行、执行任务和返场回收等整个飞行过程的核心系统。

飞控一般包括传感器、机载计算机和伺服作动设备三大部分,实现的功能主要有无人机姿态稳定和控制、无人机任务设备管理和应急控制三大类。其中,机身大量装配的各种传感器(包括角速率、姿态、位置、加速度、高度和空速等)是飞控系统的基础,是保证飞机控制精度的关键。未来要求无人机传感器具有更高的探测精度、更高的分辨率,因此高端无人机传感器中大量应用了超光谱成像、合成孔径雷达、超高频穿透等新技术。

现有飞控系统是开源与闭源系统的结合。国内优秀的无人机厂商,为了提高系统的专业化,则大部分在开源系统的基础上演化出自己的闭源系统。相比开源系统,无人机厂商自身的闭源系统加入了许多优化算法、简化了调参与线束,变得更加简单易用。

2、导航系统

导航系统是无人机的“眼睛”,多技术结合是未来方向。

导航系统向无人机提供参考坐标系的位置、速度、飞行姿态,引导无人机按照指定航线飞行,相当于有人机系统中的领航员。

目前无人机所采用的导航技术主要有惯性导航、定位卫星导航、地形辅助导航、地磁导航、多普勒导航等。

无人机载导航系统主要分非自主(GPS等)和自主(惯性制导)两种,但分别有易受干扰和误差积累增大的缺点,而未来无人机的发展要求障碍回避、物资或武器投放、自动进场着陆等功能,需要高精度、高可靠性、高抗干扰性能,因此多种导航技术结合的“惯性 + 多传感器 +GPS+ 光电导航系统”将是未来发展的方向。

3、动力系统

目前民用工业无人机以油动为主,消费级无人机以电动为主。

不同用途的无人机对动力装置要求也不同。低速、中低空小型无人机倾向于活塞发动机,低速短距、垂直起降无人机倾向涡轴发动机,小型民用无人机则主要采用电动机、内燃机或喷气发动机。

涡轮有望逐步取代活塞,新能源发动机提升续航能力。

专业级无人机目前广泛采用的动力装置为活塞式发动机,但活塞式只适用于低速低空小型无人机。随着涡轮发动机推重比、寿命不断提高、油耗降低,涡轮将取代活塞成为无人机的主力动力机型。

太阳能、氢能等新能源电动机也有望为小型无人机提供更持久的动力。

4、数据链系统(通信系统)

数据链系统(通信系统)是无人机和控制站之间的桥梁,是无人机的真正价值所在。

上行通信链路主要负责地面站到无人机的遥控指令的发送和接收。

下行通信链路主要负责无人机到地面站的遥测数据、红外或电视图像的发送和接收。

普通无人机大多采用定制视距数据链,而中高空、长航时无人机则采用超视距卫星通信数据链。

现代数据链技术的发展推动者无人机数据链向着高速、宽带、保密、抗干扰的方向发展。随着机载传感器、定位的精细程度和执行任务的复杂程度不断上升,对数据链的带宽提出了很强的要求,未来随着机载高速处理器的突飞猛进,预计几年后现有射频数据链的传输速率将翻倍,未来可能还将出现激光通讯方式。

 

 

 

 

 
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