無人機結構及系統

2024年2月10日發(作者：六年級上冊英語翻譯)

第無人機結構與系統1章其中無人機結構主要是指無人機的硬件　　無人機結構與系統分為結構和系統兩個方面,結構,無人機系統主要是指無人機動力系統、控制站、飛行控制系統、通信導航系統、任務載荷系統和發射回收系統等。　無人機概述1.11.1.1　無人機的發展歷史與現狀熱氣球在歐洲升空,邁出了人類翱翔天空的第一步。2美國萊　　18世紀后期,0世紀初期,特兄弟的“飛行者”號飛機試飛成功,開創了現代航空的新篇章。20世紀40年代初期第二次世界大戰時,德國成功發射大型液體火箭V把航天理論變成現實。1蘇聯航天-2,961年,員加加林乘坐“東方1號”宇宙飛船在最大高度為3揭開了人類01km的軌道上繞地球一周,載人航天器進入太空的新篇章。無人機的起源可以追溯到第一次世界大戰,1914年英國的兩位將軍提出了研制一種使德國西門子公司成功研制了采用伺服控制裝置和指令制導的滑翔炸彈。110月,916年9月第一架無線電操縱的無人駕駛飛機在美國試飛。1英國與德國先后研12日,917—1918年,制成功無人遙控飛機。這些被公認為是遙控無人機的先驅。隨后,無人機被逐步應用于靶機、偵察、情報收集、跟蹤、通信和誘餌等軍事任務中,新時代的軍用無人機很大程度上改變了軍事戰爭和軍事調動的原始形式。與軍用無人機的百年歷史相比,民用無人機技術要求低、更注重經濟性。軍用無人機技術的民用化降低了民用無人機市場進入門檻和研發成本,使得民用無人機得以快速發展。目前,民用無人機已廣泛應用于航拍、航測、農林植保、巡線巡檢、防災減災、地質勘測、災害監測和氣象探測等領域。未來,無人機將在智能化、微型化、長航時、超高速、隱身性等方向上發展,無人機的市場空間和應用前景非常廣闊。用無線電操縱的小型無人駕駛飛機用來空投炸彈的建議,得到認可并開始研制。1915年1.1.2　無人機的概念(),其對無人機及相關概念作了定義。AC-61-FS-2016-20-R1中國民用航空局飛行標準司在2民用無人機駕駛員管理規定》016年7月11日頒布的《

無人機組裝與調試2　,。器,也稱遠程駕駛航空器(RemotelilotedAircraftRPA)yP,無人機(是指由控制站管理(包括遠程操縱或自主飛行)的航空UnmannedAerialUA),)無人機系統(是指由無人機、相關的控制站、所需的指令UnmannedAerialSstemsUASy與控制數據鏈路以及批準的型號設計規定的任何其他部件組成的系統,也稱遠程駕駛航空器,)。一種典型的無人機系統如圖1系統(RemotelilotedAircraftSstemsRPAS-1所示。yPy圖1-1　一種典型的無人機系統無人機系統駕駛員是指由運營人指派、對無人機的運行負有必不可少職責、并在飛行期間適時操縱無人機的人。控制站也稱遙控站、地面站,是無人機系統的組成部分,包括用于操縱無人機的設備。以飛行管理為目的的數據鏈接。)指令與控制數據鏈路(是指無人機和控制站之間CommandandControlDataLink,C21.1.3　無人機的特點1.無人機的優勢無人機具有以下優勢。　　與有人機相比,()機上沒有駕駛員,無須配備生命保障系統,簡化了系統、減輕了重量、降低了成本。1()機上沒有駕駛員,執行危險任務時不會危及飛行員安全,更適合執行危險性高的2任務。()機上沒有駕駛員,可以適應更激烈的機動飛行和更加惡劣的飛行環境,留空時間也3不會受到人所固有的生理限制。()無人機在制造、使用和維護方面的技術門檻與成本相對更低。4制造方面:放寬了冗余性和可靠性指標,放寬了機身材料、過載、耐久等要求。使用方面:使用相對簡單,訓練更易上手,且可用模擬器代替真機進行訓練,節省了真機的實際使用壽命。()無人機對環境要求較低,包括起降環境、飛行環境和地面保障等。5()無人機相對重量輕、體積小、結構簡單,應用領域廣泛。62.無人機的局限性與有人機相比,無人機具有以下局限性。維護方面:維護相對簡單,維護成本低。

第1章　無人機結構與系統障時,無人機及機載設備可能會產生致命損傷。()無人機上沒有駕駛員和機組人員,對導航系統和通信系統的依賴性更高。1()無人機放寬了冗余性和可靠性指標,降低了飛行安全。當發生機械故障或電子故2()無人機的續航時間相對較短,尤其是電動無人機。3()無人機遙控器、地面站、圖傳、數傳電臺等設備的通信頻率和地面障礙物等,限制了4()無人機的體積、重量和動力等,決定了無人機的抗風、抗雨能力有限。53　無人機系統的通信傳輸距離,限制了無人機的飛行范圍。1.1.4　無人機的分類目前,無人機的用途廣泛,種類繁多,型號各異,各具特點。按應用領域的不同,無人機可分為軍用無人機、民用無人機和科研無人機。按飛行航程的不同,無人機可分為超近程無人機、近程無人機、短程無人機、中程無人機和遠程無人機,具體分類如表1-1所示。無人機的分類超近程無人機近程無人機短程無人機中程無人機遠程無人機表1按飛行航程分)-1　無人機的分類(無人機的飛行航程/km15~50<1550~200>800200~800按飛行高度的不同,無人機可分為超低空無人機、低空無人機、中空無人機、高空無人機和超高空無人機,具體分類如表1-2所示。無人機的分類超低空無人機低空無人機中空無人機高空無人機超高空無人機表1按飛行高度分)-2　無人機的分類(無人機的飛行高度/m0~100100~10001000~7000>180007000~18000(),無人機可分為9類,具體分類如表1AC-61-FS-2016-20-R1-3所示。表1按民航法規分)-3　無人機的分類(空機重量/kg無人機的分類ⅠⅡⅢⅣ按中國民用航空局飛行標準司2民用無人機駕駛員管理規定》016年發布的咨詢通告《1.5<空機重量≤44<空機重量≤150<空機重量/起飛重量≤1.5起飛重量/kg1.5<起飛重量≤77<起飛重量≤2515<空機重量≤11625<起飛重量≤150

無人機組裝與調試4　續表無人機的分類ⅤⅥⅦⅧⅨ空機重量/kg起飛重量/kg植保類無人機無人飛艇116<空機重量≤5700超視距運行的Ⅰ、Ⅱ類無人機空機重量/起飛重量>5700150<起飛重量≤5700》年初面向社會公開征求意見的《無人駕駛航空器飛行管理暫行條例(征求意見稿)規定,根據運行風險大小,民用無人機可分為微型無人機、輕型無人機、小型無人機、中型無人機和大型無人機,具體分類如表1-4所示。無人機的分類微型無人機表1按運行風險大小分)-4　無人機的分類(無人機的運行風險大小,空機重量小于0.設計性能同時滿足飛行真高不超過5最大飛行25k0m、g/、速度不超過4無線電發射設備符合微功率短距離無線電發射設備技0kmh術要求的無人機輕型無人機、、同時滿足空機重量不超過4最大起飛重量不超過7最大飛行速度不kkgg/,超過1具備符合空域管理要求的空域保持能力和可靠被監視能力00kmh的無人機(不包括微型無人機)小型無人機中型無人機大型無人機無人機、輕型無人機),空機重量不超過1或最大起飛重量不超過2不包括微型5k5kgg的無人機(,最大起飛重量超過2且空機重量超過15k50k5kg不超過1gg的無人機最大起飛重量超過150kg的無人機按國務院、中央空中交通管制委員會(以下簡稱國家空管委)組織起草并于2018年按飛行平臺構型的不同,無人機可分為固定翼無人機、無人直升機、多旋翼無人機、傘翼無人機、撲翼無人機、無人飛艇和混合式無人機等。1.固定翼無人機固定翼無人機是指由動力裝置產生前進的推力或拉力,由機身固定的機翼產生升力,在大氣層內飛行的重于空氣的無人機。一種典型的固定翼無人機如圖1-2所示。行高度高,但起降受場地限制、無法懸停。2.無人直升機無人直升機是指依靠動力系統驅動一個或多個旋翼產型的無人直升機如圖1-3所示。圖1-2　固定翼無人機其特點:載荷大、續航時間長、航程遠、飛行速度快、飛生升力和推進力,實現垂直起落及懸停、前飛、后飛、定點回轉等可控飛行的無人機。一種典按旋翼數量和布局方式的不同,無人直升機可分為單旋翼帶尾槳無人直升機、共軸式雙旋翼無人直升機、縱列式雙旋翼無人直升機、橫列式雙旋翼無人直升機和帶翼式無人直升機等不同類型。

第1章　無人機結構與系統5　圖1-3　無人直升機其特點:可垂直起降、可懸停、操作靈活、可任意方向飛行,但結構復雜、故障率較高。與固定翼無人機相比,飛行速度低、油耗高、載荷小、航程短、續航時間短。3.多旋翼無人機一種典型的多旋翼無人機如圖1-4所示。多旋翼無人機是指具有3個及以上旋翼軸提供升力和推進力的可垂直起降的無人機。圖1-4　多旋翼無人機與無人直升機通過自動傾斜器、變距舵機和拉桿組件來實現槳葉的周期變距不同,多旋翼無人機的旋翼總距是固定不變的,通過調整不同旋翼的轉速來改變單軸推進力的大小,從而改變無人機的飛行姿態。其特點:結構簡單、價格低廉、操作靈活、可向任意方向飛行,但有效載荷較小、續航時間較短。1.1.5　無人機的結構與系統無人機結構主要是指無人機的硬件結構。如前所述,無人機按飛行平臺構型的不同可分為固定翼無人機、無人直升機、多旋翼無人機、傘翼無人機、撲翼無人機和無人飛艇等。無人機系統主要是指無人機動力系統、控制站、飛行控制系統、通信導航系統、任務載荷系統和發射回收系統等。()動力系統:用以提供無人機飛行所需要的動力,使無人機能夠安全進行各項飛行1活動。()控制站:用以監測和控制無人機的飛行全過程、全部載荷、通信鏈路等,并能檢測2故障及時報警,再采取相應的診斷處理措施。

無人機組裝與調試6　()飛行控制系統:用以作為無人機系統的“大腦”部分,對無人機姿態穩定和控制、無3人機任務設備管理和應急控制等都有重要影響,對其飛行性能起決定性的作用。()通信導航系統:用以保證遙控指令能夠準確傳輸,以及無人機能夠及時、可靠、準4確地接收、發送信息,以保證信息反饋的可靠性、精確度、實時性及有效性。()任務載荷系統:用以實現無人機飛行要完成的特定任務。5()發射回收系統:用以保證無人機順利升空以達到安全的高度和速度飛行,并在執6行完任務后從天空安全回落到地面。　無人機的基本結構1.2相關章節對這3種機型的基本結構做了較為詳盡的介紹,所以本節在此僅對此3種機型做簡單介紹。本書主要介紹固定翼無人機、無人直升機和多旋翼無人機3種機型的組裝和調試,后續1.2.1　固定翼無人機的基本結構()機翼主要由翼梁、縱墻、桁條、翼肋和蒙皮等組成,主要功能是產生飛行所需要的1升力。()機身主要由縱向骨架桁梁和桁條、橫向骨架普通隔框和加強隔框、蒙皮等組成,主2要功能是裝載燃料和設備,并將機翼、尾翼、起落裝置等連成一個整體。()尾翼主要由水平尾翼和垂直尾翼兩部分組成,主要功能是穩定和操縱無人機的俯3仰與偏轉。()起落裝置主要由支柱、減振器、機輪和收放機構等組成,主要功能是支撐無人機的4起飛、著陸滑跑、滑行和停放等。()動力裝置包括油動和電動兩種,其中油動動力裝置主要由螺旋槳、發動機、舵機和5輔助系統等組成,電動動力裝置主要由電池、電調、電動機和螺旋槳等組成。動力裝置的主,要功能是產生拉力(螺旋槳式)或推力(噴氣式)使無人機產生相對空氣的運動。固定翼無人機一般由機翼、機身、尾翼、起落裝置和動力裝置5個部分組成。1.2.2　無人直升機的基本結構無人直升機一般由機身、主旋翼、尾槳、操縱系統、傳動系統、電動機或發動機、起落架等組成。()無人直升機機身與固定翼無人機機身結構和功能類似,主要功能是裝載燃料、貨物1和設備等,同時作為無人直升機安裝基礎將各部分連成一個整體。機身是直接承受和產生空氣動力的部件,還具有承載和傳力的作用,承受各種裝載的載荷和各類動載荷。()主旋翼主要由槳葉和槳轂組成,主要功能是將旋轉動能轉換成旋翼升力和拉力。2()尾槳一般安裝在尾梁后部或尾斜梁或垂尾上,主要功能是平衡旋翼的反扭矩、改變3()操縱系統主要由自動傾斜器、座艙操縱機構和操縱線系等組成,主要功能是用來控4,尾槳的推力(或拉力)實現對直升機的航向控制、對航向起穩定作用和提供一部分升力等。尾槳分為推式尾槳和拉式尾槳。

第1章　無人機結構與系統制無人直升機的飛行。無人直升機的垂直、俯仰、滾轉和偏航4種運動形式分別對應總距操縱、縱向操縱、橫向操縱和航向操縱4個操縱。()傳動系統主要由主減速器、傳動軸、尾減速器及中間減速器組成,主要功能是將發5動機的動力傳遞給主旋翼和尾槳。7　1.2.3　多旋翼無人機的基本結構多旋翼無人機一般由機架、動力裝置和飛控等組成。()機架主要由機臂、中心板和腳架等組成,也有采用一體化設計的機架。機架的主要1功能是承載其他構件的安裝。()多旋翼無人機的動力裝置通常采用電動系統,主要由電池、電調、電動機和螺旋槳24個部分組成。()飛控主要由陀螺儀、加速度計、角速度計、氣壓計、指南針和控制電路等組成,3GPS、主要功能是計算并調整無人機的飛行姿態,控制無人機自主或半自主飛行。　無人機動力系統1.3無人機動力系統為無人機提供動力,使無人機能夠進行飛行活動。無人機動力系統有即以電池為能源的電動系統、以燃油類發動機為動力的油動系統和油電混動系3種類型,統。目前油電混合系統更多地應用于汽車中,在無人機領域較少使用。1.3.1　電動系統電動系統是將化學能轉化為電能再轉化為機械能,為無人機飛行提供動力的系統,由電池、調速系統、電動機、螺旋槳4個部分組成。1.電池電池主要為無人機提供能量,有鎳鎘、鎳氫、鋰離子、鋰聚合物電池。考慮到電池的重量和效率問題,無人機多采用鋰聚合物電池,如圖1-5所示。。額電壓分為額定電壓、開路電壓、工作電壓和充電電壓等,符號為U,單位為伏特(V)定電壓是指電池工作時公認的標準電壓,例如鋰聚合物電池為3.7V;開路電壓是指無負載使用情況下的電池電壓;工作電壓是指電池在負載工作情況下的放電電壓,它通常是一個電壓范圍,例如鋰聚合物電池的工作電壓為3.7~4.2V;充電電壓是指外電路電壓對電池進行充電時的電壓,一般充電電壓要大于電池開路電壓。電池容量是指電池儲存電量的大小,電池容量分為實際容量、額定容量、理論容量,符號)。實際容量是指在一定放電條件下,為C,單位為毫安時(在終止電壓前電池能夠放mA·h出的電量;額定容量是指電池在生產和設計時,規定的在一定放電條件下電池能夠放出的最低電量;理論容量是指根據電池中參加化學反應的物質計算出的電量。流/額定容量,符號為C;例如,額定容量為1其放電倍率為0mA·h的電池用4A放電時,電池倍率,一般充放電電流的大小常用充放電倍率來表示,即充放電倍率=充放電電最大放電電流=10.4C;1000mA·h、10C的電池,000×10mA=10000mA=10A。

無人機組裝與調試8　2.調速系統能是將飛控板的控制信號進行功率放大,并向各開關管送去能使其飽和導通和可靠關斷的飛控沒有驅動無刷電動機的功能,需要電調將直流電源轉換為三相電源,為無刷電動機供遙控接收機供電,如果沒有電調,飛控板根本無法承受這樣大的電流。5V電壓給飛控、電。同時電調在多旋翼無人機中也充當了電壓變化器的作用,將11.1V的電源電壓轉換為,,電調(全稱電子調速器,如圖1ElectronicSeedControllerESC)-6所示。它的主要功p驅動信號,以控制電動機的轉速。因為電動機的電流是很大的,正常工作時通常為3~20A。圖1-5　鋰聚合物電池　　圖1-6　電子調速器電調兩端都有接線,輸入線與電池相連,輸入電流;輸出線與電動機相連,用以調整電動機轉速。無刷電調有3根輸出線,信號線與飛控連接,接收飛控信號并給飛控供電。3.電動機電動機旋轉帶動槳葉使無人機產生升力和推力,通過對電動機轉速的控制,可使無人機完成各種飛行狀態。有刷電動機中的電刷在電動機運轉時產生電火花會對遙控無線電設備產生干擾,且電刷會產生摩擦力,噪聲大,目前在無人機領域已較少使用,更多采用的是無刷電動機。外轉子型無刷電動機的工作原理:電動機的轉子在外面,而定子在內部,轉子內側有兩個永久性磁鐵,一個是N極,一個是S極,電動機的定子結構是線圈,也就是電磁鐵,定子在所示,外面的轉子由于異性相吸的原理會逆時針轉動,讓自己的N極靠近定子電磁鐵的自己的S極靠近定子電磁鐵的N極。此時線圈停止通電,讓下一個線圈通電,即圖中S極,標B的線圈通電流。這樣永磁鐵就因異性相吸的原理繼續逆時針轉動追趕下一個電磁鐵()目標,如圖1所示,前面有個電磁鐵線圈在吸引永磁鐵,后面一個電磁鐵線圈在推動永-7b磁鐵。在無刷電動機里,安裝了霍爾傳感器,能準確判斷轉子永磁鐵的位置,及時將永磁鐵的位置報告給定子線圈控制器,控制器就能根據該信息控制線圈電流流向。)內部是固定不動的,如圖1給定子線圈通電如圖1-7所示。利用磁鐵異性相吸的原理,-7(a圖1-7　外轉子型無刷電動機工作原理

第1章　無人機結構與系統即表示電動機定子直徑2電動機定子高度為1如圖12mm,2mm,-8所示。電動機的型號通常用“型數字來表示。例如,××××”2212外轉子無刷動力電動機,電動機KV值,用來表示電動機空載轉速,指電壓每增加1無刷電動機增加的每分鐘V,9　//。那么電動機的空載轉速應該為911.1V,20×11.1rmin=10212rmin4.螺旋槳轉速,即電動機空載轉速=電動機KV×電池電壓。例如,電池電壓為920KV的電動機,螺旋槳安裝在無刷電動機上,通過電動機旋轉帶動螺旋槳旋轉。多旋翼無人機多采用定距螺旋槳,即槳距固定,如圖1這是-9所示。定距螺旋槳從槳轂到槳尖安裝角逐漸減小,因為半徑越大的地方線速度越大,受到的空氣反作用力就越大,容易造成螺旋槳因各處受力不均勻而折斷。同時螺旋槳安裝角隨著半徑增加而逐漸減小,能夠使螺旋槳從槳轂到葉尖產生一致升力。圖1-8　2212外轉子無刷動力電動機　　　圖1-9　螺旋槳),表示螺旋槳螺距,單位均為英寸(螺距即槳葉旋轉一圈旋轉平面移in1in約等于2.54cm,動的距離。螺旋槳有正反槳之分,順時針方向旋轉的是正槳,逆時針方向旋轉的是反槳。電動機與螺旋槳的配型原則:高KV電動機配小槳,低KV電動機配大槳。因為電動機KV值越小轉動慣量越大,所以螺旋槳尺寸越大,產生的升力KV值越大轉動慣量越小,就越大,需要更大力量來驅動螺旋槳旋轉,因此采用低KV電動機;反之,螺旋槳越小,需要轉速更快,才能達到足夠升力,因此采用高KV電動機。5.接線方式動力系統中電池、電調、電動機之間的接線方式,如圖1-10所示。多旋翼無人機的多個旋翼軸上的電調,其輸入端的紅圖1-10　動力系統接線方式螺旋槳尺寸通常用“型數字來表示,前兩位數字表示螺旋槳直徑,后兩位數字××××”線、黑線需并聯接到電池的正負極上;其輸出端的3根黑線連接到電動機;其B用于輸出5EC信號輸出線,V電壓給飛控供電和接收飛控的控制信號;遙控接收機連接在飛行控制器上,輸出遙控信號,并同時從飛控上得到5V供電。

無人機組裝與調試10　1.3.2　油動系統燃油類發動機工作過程是將化學能轉換為機械能,常用的燃油類發動機有活塞式發動機和燃氣渦輪發動機。1.活塞式發動機)活塞式發動機的結構1活塞式發動機也叫往復式發動機,是一種利用汽缸內燃料燃燒膨脹產生壓力推動活塞向下運動并做功的機器,將化學能轉化為熱能又轉化成了機械能。活塞式發動機是內燃機的一種,靠汽油、柴油等燃料提供動力。活塞式發動機主要由汽缸、活塞、連桿、曲軸、氣門機構、螺旋槳減速器、機匣等組成。根據燃料點火方式的不同,活塞式發動機可分為電火花點燃燃料的點燃式發動機和壓縮空氣使空氣溫度升高點燃燃料的壓燃式發動機。大部分汽油機都是點燃式,大部分柴油機都是壓燃式,如圖1-11所示。根據發動機工作原理不同還可以分為二沖程發動機和四沖程發動機。)四沖程發動機的工作原理2沖程:活塞從上止點運動到下止點或者從下止點運動到上止點稱為一個沖程,即曲軸轉動半圈。圖1-11　汽油機和柴油機的構造活塞式航空發動機是由汽車的活塞式發動機發展而來,大多是四沖程發動機。活塞在汽缸內要經過4個沖程,依次是進氣沖程、壓縮沖程、做功沖程和排氣沖程,如圖1-12所示。發動機除主要部件外,還須有若干輔助系統與之配合才能工作。1—曲軸;2—汽缸;3—進氣孔;4—排氣孔;5—活塞;6—連桿圖1-12　四沖程發動機的工作原理進氣沖程:進氣沖程時汽缸的進氣門打開,排氣門關閉,發動機通過啟動系統(發動機啟動前)使活塞從上止點向下滑動到下止點為止,汽缸內的容積逐漸增大,缸內氣壓降低且低于外面的大氣壓,于是汽油和空氣的混合氣體將通過打開的進氣門被吸入汽缸內。壓縮沖程:曲軸由于慣性作用繼續旋轉,此時活塞由下止點向上推動。這時進氣門也同排氣門一樣嚴密關閉。汽缸內容積逐漸減少,混合氣體受到強烈壓縮。當活塞運動到上止點時,汽缸內混合氣體體積最小,被壓縮在上止點和汽缸頭之間的燃燒室內。壓縮氣體體積是為了更好地利用汽油燃燒時產生的熱量,使限制在燃燒室這個小小空間里的混合氣體