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2023-04-22
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无人机基础知识
一、无人机是什么
无人机是无人驾驶飞机的简称(Unmanned?Aerial?Vehicle),是利用无线电遥控
设备和自备的程序控制装置的不载人飞机,包括无人直升机、固定翼机、多旋翼飞行
器、无人飞艇、无人伞翼机。广义地看也包括临近空间飞行器( 20-100?公里空域),
如平流层飞艇、高空气球、太阳能无人机等。从某种角度来看,无人机可以在无人驾驶
的条件下完成复杂空中飞行任务和各种负载任务。
按照不同平台构型来分类,无人机可主要有固定翼无人机、无人直升机和多旋翼
无人机三大平台,其它小种类无人机平台还包括伞翼无人机、扑翼无人机和无人飞船
等。固定翼无人机是军用和多数民用无人机的主流平台,最大特点是飞行速度较快;无
人直升机是灵活性最强的无人机平台,可以原地垂直起飞和悬停;多旋翼(多轴)无人
机是消费级和部分民用用途的首选平台,灵活性介于固定翼和直升机中间(起降需要
推力),但操纵简单、成本较低。
按不同使用领域来划分,无人机可分为军用、民用和消费级三大类,对于无人机的
性能要求各有偏重:
1)军用无人机对于灵敏度、飞行高度速度、智能化等有着更高的要求,是技术水
平最高的无人机,包括侦察、诱饵、电子对抗、通信中继、靶机和无人战斗机等机型;
2)民用无人机一般对于速度、升限和航程等要求都较低,但对于人员操作培训、
综合成本有较高的要求,因此需要形成成熟的产业链提供尽可能低廉的零部件和支持
服务,目前来看民用无人机最大的市场在于政府公共服务的提供,如警用、消防、气象
等,占到总需求的约?70%,而我们认为未来无人机潜力最大的市场可能就在民用,新
增市场需求可能出现在农业植保、货物速度、空中无线网络、数据获取等领域;
3)消费级无人机一般采用成本较低的多旋翼平台,用于航拍、游戏等休闲用途。
二、无人机技术难点
1、飞行控制系统是无人机的?“驾驶员”?-?更精确、更清晰
飞控子系统是无人机完成起飞、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,飞控对于无人机相当于驾驶员对于有人机的作用,我们认为是无人机最核心
的技术之一。
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,在不同飞行环境下、不同用途
的无人机对传感器的配置要求也不同。
2、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。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?-?涡轮有望逐步取代活塞,新能源发动机提升续航能力
不同用途的无人机对动力装置的要求不同,但都希望发动机体积小、成本低、工作可
靠:
1)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;
2)对于一次性使用的靶机、自杀式无人机或导弹,要求推重比高但寿命可以短(1-
2h),一般使用涡喷式发动机;
3)低空无人直升机一般使用涡轴发动机,高空长航时的大型无人机一般使用涡扇
发动机(美国全球鹰重达?12t);
4)消费级微型无人机(多旋翼)一般使用电池驱动的电动机,起飞质量不到?100?
克、续航时间小于一小时。
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生存
力。
4、数据链是?“放风筝的线”?–?从独立专用系统向全球信息格栅(GIG)过渡
数据链传输系统是无人机的重要技术组成,负责完成对无人机遥控、遥测、跟踪定
位和传感器传输,上行数据链实现对无人机遥控、下行数据链执行遥测、数据传输功
能。普通无人机大多采用定制视距数据链,而中高空、长航时无人机则都会采用视距和
超视距卫通数据链。
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,无人机实用化能力将越来越强。往前看,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,对数据链的贷款提出了很强的要求,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,未来在全天候要
求低的领域可能还将出现激光通讯方式。
从美国制定的无人机通信网络发展战略上看,数据链系统从最初?IP?化的传输、多
机互连网络,正在向卫星网络转换传输,以及最终的完全全球信息格栅(GIG)配置过
渡,为授权用户提供无缝全球信息资源交互能力,既支持固定用户、又支持移动用户。
三、无人机发展缘起
1、军用技术溢出,成本下降引爆民用市场
战争是无人机发展的头号牵引力,20?世纪末经历三大技术发展浪潮
毫无疑问,无人机发展的初期是为了纯粹的军事用途:一战时期英国研制的世界
第一款无人机被定义为 ?“会飞的炸弹”,二战时期德军已经开始大量应用无人驾驶轰
炸机参战;二战后无人机研发的中心出现在美国和以色列,用途延伸至战地侦察和情
报搜集,无人机被派往朝鲜、越南和海湾战场协助美军和以色列军队作战。正是由于无
人机在侦查方面低成本、控制灵活、持续时间长的天然优势,各国军队相继投入大量经
费研发无人机系统。
无人机技术在?20?世纪末经历了三次发展浪潮、真正进入了第一个?“黄金时代”:
1)1990 年?后,全球共有?30?多个国家装备了师级(大型)战术无人机系统,代
表机型有美国?“猎人”、“先驱者”,以色列?“侦察兵”、“先锋”?等;
2)1993 年?后,中高空长航时军用无人机得到迅速发展,以美国?“蒂尔”?无人
机发展计划为代表,在波黑战争中大放异彩;
3)20?世纪末,旅团级(中小型)固定翼和旋翼战术无人机系统出现,其体积小、
价格更低、机动性好,标志着无人机进入大规模应用时代。
早期的航空技术解决的是无人机能够飞行的问题,而?20?世纪?80 年?代以来现代
技术的发展为无人机更高的飞行性能、更好的可靠性提供了条件,其中:
1)智能化:自主飞控技术、急剧攀升的计算机处理能力推动无人机向智能化发展,
真正成为?“会思考”?的空中机器人;
2)高速带宽:高速宽带网数据链实现无人机组网和互相连通,无人机编组、空地
装备联合成为可能;
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