远程无线通信系统第1章绪论
引言
课题研究背景
国内外研究现状
市场需求
研究内容和意义
研究内容
研究意义
本文结构
第2章无人机中继系统概述
无人机中继系统的总体结构
无人机的控制系统
无人机的实时图像传输系统
本章小结
第3章实时图像传输系统
摄像头
DSP控制芯片
图像传感器
镜头
摄像头的选择
图传频率
我国无线频率规划
无线图传频率选择
图传天线
天线的介绍
天线的选择
图传系统传输距离的估算
第4章动力系统
电机
舵机
电池
第5章 GPS定位及飞机控制系统
GPS模块
飞控模块
第1章绪论
1.1引言
无人驾驶飞机简称“无人机”，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。机上无驾驶舱，但安装有自动驾驶仪、程序控制装置等设备。地面、舰艇上或母机遥控站人员通过雷达等设备，对其进行跟踪、定位、遥控、遥测和数字传输。可在无线电遥控下像普通飞机一样起飞或用助推火箭发射升空，也可由母机带到空中投放飞行。回收时，可用与普通飞机着陆过程一样的方式自动着陆，也可通过遥控用降落伞或拦网回收。可反覆使用多次。广泛用于空中侦察、监视、通信、反潜、电子干扰等。
本课题研究一套无人机中继系统，该系统是由目前市面上可购买到的不同模块组成。本课题研究的中继系统包括：摄像头模块、图像传输模块、动力模块、GPS定位模块及飞控模块；该无人机搭载此中继系统可实现手动遥控和飞机自主飞行两种飞行模式，飞机在飞行过程中，可以将机载摄像头所拍摄到的视频信息实时的传回地面控制台。具备此功能的无人机具有广阔的应用前景，不仅成本低还可以派到非常恶劣的环境中执行任务而不用担心人员损失。
课题研究背景
随着控制技术的不断提高和智能控制理论的完善，在飞机中出现了一类不需要人驾驶就能够执行任务的飞机——无人机。无人机以其优越的性能，在现代高科技战争中发挥着独特的作用。无人飞机，顾名思义，就是不用驾驶员驾驶，而依靠嵌在飞机内的自动飞机驾驶仪器或地面无线电遥控飞行的飞机。无人机可以专门实际造型制作，也可以由普通飞机改造制成。无人飞机跟普通飞机一样，必须具备起落装置，机身、机翼、机载控制系统等，还因无人驾驶，必须配备自动驾驶仪、电子计算机、自动起落装置、程序控制装置等，因要求实现远距离控制，必须装有遥控接收机、电子摄像机等实时控制设备，相应的在遥控站设有机外遥控站、起飞装置和监测系统。
国内外研究现状
无人机出现在1917年，早期的无人驾驶飞行器的研制和应用主要用作靶机，应用范围主要是在军事上，后来逐渐用于作战、侦察及民用遥感飞行平台。 20世纪80年代以来，随着计算机技术、通讯技术的迅速发展以及各种数字化、重量轻、体积小、探测精度高的新型传感器的不断面世，无人机的性能不断提高，应用范围和应用领域迅速拓展。世界范围内的各种用途、各种性能指标的无人机的类型已达数百种之多。续航时间从一小时延长到几十个小时，任务载荷从几公斤到几百公斤，这为长时间、大范围的遥感监测提供了保障，也为搭载多种传感器和执行多种任务创造了有利条件。
1.国内研究现状
我国无人机发展起步于上世纪50年代末。上世纪90年代以来，西北工业大学、北京航空航天大学和南京航空航天大学三所高校无人机事业蓬勃发展，并相继成立了无人机专门研究机构。迄今，上述三所高校已为国家研发了几十个型号上千架无人机。
2000年以来，中航工业集团、航天科工集团、航天科技集团、电子科技集团公司下属一些院所也开始无人机研制，加快了我国无人机的发展步伐。据不完全统计，国内从事无人机的单位超过300家，从事无人机总体（提供无人机系统）的单位超过40家。据了解，目前绝大部分还只是停留在研制、生产阶段，更多的是满足特定的个别用户的定制应用服务
需求，大批量产品生产和产业化发展的还很少。
虽然近年来我国的无人机研制、应用取得了长足进展，但距离美国、以色列等国家还有较大差距。其中，动力装置是中国飞机的一大软肋，无人机研发也遇到类似瓶颈。
2.国外研究现状
国外的研究主要有以下几类：
（1）Attitude Heading Reference System（AHRS）由斯坦福大学航空航天学院研制，利用惯性传感器技术和GPS卫星定位接收机，实时计算飞机在飞行时的准确方位和飞机机身姿态。
（2）以Delft技术大学的和提出的 Synthetic Vision System（SVS）虚拟现实系统为代表，显示终端可以提供实时数据显示、根据数据库中原有基础数据，由传感器和数据链组成并进行数据三维处理。
（3）以Visual Cueing and Control（VCC）系统为代表，由Honeywell实验室和Honewell BRGA—Olathe组织机构联合开发。类似于现代汽车导航系统，根据存在的基础信息，执行预定的飞行线路，实现可视化管理。根据包括经纬度、坐标转换、垂直速度、飞行速度等本机信息，以及基础数据的空间信息、适航信息等实现自动飞行管理，更重要的是可以在VFR （visual flight rules 目视飞行规则）到IFR（Instrument Flight Rules 仪表飞行规则）飞行转换过程和由VFR飞行岛着陆阶段可提供可视帮助。但是，他有一个很大的缺点，就是不能实现飞行线路和地面的三维画面显示，稍显画面单调。
（4）以Tallec在Onera设计研究的Converging Traffic Alert System（CATAC）为代表，分别与1998年和2001年在法国和美国获得专利，采用了ADS-B技术，GPS接收装置接收关于飞行器的实时坐标数据，并根据基础数据分析数据，可实时估计本航空器的具体方位和速率，判断潜在的危险和问题，并通过语音告警控制人员；具备无线电接收装置，能获取人机互动显示画面，适合目视飞行规则（VFR）；飞机小巧，成本低廉。
（5）以适合通用飞机的飞行保障系统为代表的FLIGHT CONFLECT MANAGEMENT SYSTEM(FCMS)，利用无线网络连接技术，实现飞机与地面控制系统之间的连接和数据交换，利用网络点对点服务，实现飞机的飞行控制，减轻飞行员和空中交通管制人员的负担。
市场需求
无人驾驶飞机结构简单、重量轻、隐蔽性好，与执行有人飞机的任务相比，使用无人机能够大大减少费用。另一方面，它可以作为高危险性任务的执行者，例如：敌后纵深侦查，美国的全球鹰就是其中的典型代表：可以进行中继制导为己方攻击武器提供瞄准点；可以携带炸弹直接攻击目标等。可见，无人机在执行任务时的环境都比较危险，避免大量的人员培训和投入，所以无人机虽在功能上不能完全和普通飞机相比，但是它在执行危险任务中的作用却是人们考虑的首选。除此之外，无人机还可以用于民用，比如大兴安岭的森林防火灭火、汶川地震的航拍和实情考察、气象行业的人工降雨、农场的庄稼灭虫、沙漠戈壁的飞播造林等；可以用于日本福岛核电站事故中取得大气样本；也可以用于新的航天器的设计和技术验证等，现在，无人机还不能完全替代通常的各种飞机，普通的飞机因为人的存在而能够完成更加复杂的任务，不过随着以智能控制技术为首的技术群的发展，无人机将会有能力完成更多不同种类的任务，在更大程度上替代普通飞机来执行任务。
市场中类似飞机一般情况下适用于军事，在民用方面很少，本课题研究的中继系统，如果进一步将硬件优化，即可用于生活中。前段时间的雅安地震，由于天气因素的影响，卫星或载人飞机难以及时获取对灾难救助指挥的实时地面影像，采用无人机系统，可超低空云下作业，对天气的依赖非常小，而且不需要专用机场，可以快速准确的获取地面影像。无人机
还可以在一些比较危险，不适合人类到达的地方完成任务。如：毒气泄漏的地方，有放射性物质的地方，病菌滋生的地方等。如果是对硬件进行精简，则可用于娱乐。现有市场上的飞机不多，而且昂贵，所以该研究有很大的市场潜力。
研究内容和意义
本课题研究的无人飞机的中继系统重在调查市场上现有材料，从机载设备的总体结构出发，将整个机载设备分解为若干部分，再分别对各个部分进行调查研究，找到性能优良，符合无人机要求的部件。
该中继系统的核心是飞机控制系统，它将其他各部分连接在一起，使得无人机可以更好的飞行和实施空中拍摄。此系统设计的飞机有两种飞行模式：手动遥控和自主飞行，手动遥控飞机飞行需要加载数传电台，在此基础上增加功率放大器以实现远距离通信；自主飞行则需要在飞控模块上加载自动导航模块，通过编写程序来控制飞机的在空中的高度、航速、航向等信息。
此外，卫星定位也是无人机的一项重要功能。卫星定位是目前航空、导航等行业中广泛应用的技术，是指通过人造卫星根据物体的经度，纬度，高度，速度等确定物体的具体位置，目前世界上使用最为广泛的卫星定位系统是美国的GPS(Global Positioning System)系统和俄罗斯的GLONASS( Global Navigation Satellite System)系统，而由我国自主研发的北斗卫星导航系统也在逐步投入使用。精确的定位是无人机执行任务必不可少的条件之一，更多的卫星同时通信，更高的刷新频率都是无人机精确定位的前提。
目前“无人机”以其造型独特，小巧轻便，主要用于军事方面，很多国家军事顾问早在上个世纪就预言在未来的战争中，无人机将广泛应用于侦查、攻击等各个电子战环节，而在现代快速电子战争中正被一一实现，成为决定战争胜负的关键，为此各国争相投入更大的力量发展。
随着技术的普及和成本的降低，无人飞机开始在民用领域崭露头角。航拍是无人飞机的一项重要任务，在地震、海啸、泥石流、火灾等危险的环境和状况下，如果使用无人机做航拍工具能大大降低人员以及费用的投入。
本文结构
本文共分为7章：
第1章绪论，主要内容是：关于课题的概况，国内外研究现状、研究的内容和意义，本文结构。
第2章系统的总体设计，主要内容是：系统的总体需求及系统的组成。
第3章
第2章无人机中继系统概述
无人机中继系统的总体结构
本课题研究的无人机中继系统，是在飞机上搭载的整套控制系统，包括飞机控制系统、
整个无人机中继系统的结构如图2-1所示，系统采用两块电池供电，其中电池2#专门给电机供电，因为电机是飞机最主要的动力系统，其功率高，耗电量大，是制约飞机飞行的主要因素。与电池2#相连的电流计主要用来测量电池剩余电量信息，通过飞控模块加载到图像上，一并传输给地面控制台，让地面操控者可以及时的了解电量剩余情况，以作出正确的判断；而电池1# 给飞控模块及其他设备供电，使各模块可以正常工作。舵机也是飞机正常飞行所必不可少的组件，它可以控制飞机姿态转变及高度变化等；摄像头的作用是采集视频信息并进行处理，相当于飞机的“眼睛”；GPS模块用来准确定位，可以确定飞机的飞行高度、飞机的航行方向等重要信息；图传发射模块是传输视频信息到地面控制台的重要设备；控制信号接收模块是用来接收地面遥控信号，以控制飞机飞行。
无人机的控制系统
无人机的飞行控制系统有两部分组成：一是自动飞行控制系统，二是远程控制系统。自动飞行控制系统是一个典型的反馈控制系统，通常由传感器系统、飞行控制计算机和执行机构三大部分组成，如图2-2所示。传感器测量各种状态信息，包括飞行速度、飞行高度、飞行姿态、飞行方向、地理坐标等。飞行控制计算机对传感器测量到的信息根据飞行导航的控制率进行计算处理，转变成为能被飞行控制计算机使用的状态信息，同时根据所需的飞行状态计算出对执行机构的输出量。
图2-2 自动飞行控制系统
远程控制系统也是无人机的重要组成部分，它由地面控制中心和机载系统组成，如图2-3所示。无人机的地面控制中心发送控制指令，通过无线链路传输，由机载控制信号接收模块接收，来控制飞机改变飞行状态。
控制信号接收模块
图2-3 远程控制系统
远程控制系统的传输链路是无线电，在固定的发射功率和天线增益下，无线电的传输有一定的距离限制，超过其传输距离，地面控制中心就无法通过遥控器控制飞机飞行，此时就需要自动驾驶系统来控制飞机继续飞行或自动返航。自动驾驶系统和远程控制系统之间相互交织，拥有共同的组成部分如执行机构，传感器等部件。两个系统既可单独运行，保障飞机的飞行；又可以协调工作，共同控制飞机。
无人机的实时图像传输系统
本课题研究的无人机系统，图像的实时传输是一项重要功能。实时图像传输系统的结构框图如图2-4所示。飞机上携带的摄像头，可以采集的图像信息并进行处理，传送到无线传输模块中，再通过无线链路传回地面控制站。
图 2-3 实时图像传输系统
飞机在空中高速飞行，机载的摄像头模块可以快速的捕捉图像信息，并将获取到的模拟视频信号转换为数字信号，摄像头的清晰度越高，获得的视频信息的信息量就越大，然而，无线链路的传输速率达不到传输要求，这就使得视频信息必须经过飞控模块的压缩处理，才能够传输给图传发射模块，发射模块与地面的接收模块通过无线链路连接，传输拍摄到的视频信息。
本章小结
本章对无人机的整个中继系统进行了介绍。首先介绍了本文所研究的无人机中继系统的整体结构，然后介绍了无人机控制系统及其实时图像传输系统，分别给出了各系统的结构框图，并简单说明了其基本的工作过程。本章介绍的内容总领全篇，下面各章将对这个设计方案进行详细的阐述和实现。
第3章实时图像传输系统
摄像头
摄像头(CAMERA)又称为电脑相机、电脑眼等，它作为一种视频输入设备，在过去被广泛的运用于视频会议、远程医疗及实时监控等方面。无人机的图像采集需要通过摄像头来完成。摄像头的三个重要组成部分是：DSP 控制芯片（DIGITAL SIGNAL PROCESSING）、图像传感器（SENSOR）和镜头（LENS）。
DSP控制芯片
目前市面上较为流行的DSP控制芯片有： VIMICRO（中星微）301P/L、禾瑞亚、SONIX （松瀚）102/120/128、ST（罗技LOGITECH的DSP提供商）、 SUNPLUS（SUN+重点发展单芯片的CIF和VGA，但图像质量一般）、PIXART（原相）PAC207单芯片CIF、SQ（倚强）SQ930C 等。其中应用最广泛的是中星微的301P和禾瑞亚的EM2710芯片，而中星微的芯片占有相当大市场份额。
VIMICRO301L：为301P的替代产品，是在控制成本下的优化产品，中星微公司在301P 产品的成功以及经验的积累，这颗芯片效果也相当不错。从技术角度来讲，中星通过采用影
像光源自动增益补强技术，自动亮度、白平衡控制技术，色饱和度、对比度、边缘增强以及伽马矫正等先进的影像控制技术，搭配COMS感光芯片使各项技术指标都能与CCD芯片相媲美。采用中星的产品可使CMOS与CCD在数码摄像头上的应用没有图像性能差别。
EM2800/2710：是禾瑞亚的一颗硬件130万像素的DSP，EM2800主要用做电视卡的采
集芯片，但国内也有一些大的摄像头厂商将他做成摄像头产品，此类产品速度是普通摄像头的两倍左右。EM2710主要用做摄像头产品，其产品性能与EM2800在摄像头的应用上效果
相当，产品效果和速度将相当优秀，主要用于高端摄像头。
不同品牌的摄像头采用的DSP控制芯片也是各不相同的，在选择摄像头时，选用处理速度快的芯片，可以获得更高的帧捕获速率，从而得到更清晰的图像；其次，更快的处理速度能够保证视频实时传输的稳定性。
图像传感器
图像传感器，是组成数字摄像头的重要组成部分。根据元件的不同，可分为CCD（Charge Coupled Device，电荷耦合元件）和CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor，金属氧化物半导体元件）两大类。
CCD具备光电转换、信息存贮和传输等功能。CCD图像传感器的结构如图3-1，一个完整的CCD器件由光敏元、转移栅、移位寄存器及一些辅助输入、输出电路组成。
相机（印刷电路板）CCD图像传感器
接视频
捕捉卡
图 3-1 CCD图像传感器
CCD工作时，在设定的积分时间内，光敏元对光信号进行取样，将光的强弱转换为各光敏元的电荷量。取样结束后，各光敏元的电荷在转移栅信号驱动下，转移到CCD内部的移位寄存器相应单元中。移位寄存器在驱动时钟的作用下，将信号电荷顺次转移到输出端。输出信号可接到示波器、图象显示器或其他信号存储、处理设备中，可对信号再现或进行存储处理。
CMOS图像传感器是采用互补金属-氧化物-半导体工艺制作的另一类图像传感器，简称CMOS。CMOS 图像传感器的,结构如图3-2，一般由像素阵列、行选通逻辑、列选通逻辑、定时和控制电路、在片模拟信号处理器（ASP）构成，高级的CMOS 图像传感器还集成有在片模数转换器（ADC）。
捕捉卡
-
电压
转换
光-电
转换CMOS图像传感器
相机
（印刷电路板）
图 3-2 CMOS图像传感器
CMOS与CCD图像传感器相比,具有功耗低、摄像系统尺寸小、可将信号处理电路与MOS 图像传感器集成在一个芯片上等优点。但其图像质量(特别是低亮度环境下)与系统灵活性与CCD的相比相对较低。由于具有上述特点,它适合大规模批量生产,适用于要求小尺寸、低价格、摄像质量无过高要求的应用,如保安用小型/微型相机、手机、计算机网络视频会议系统、无线手持式视频会议系统、条形码扫描器、传真机、玩具、生物显微计数、某些车用摄像系统等大量商用领域。
CCD与CMOS图像传感器相比,具较好的图像质量和灵活性,仍然保持高端的摄像技术应用,如天文观察、卫星成像、高分辨率数字照片、广播电视、高性能工业摄像、大部分科学与医学摄像等应用。CCD器件的灵活性体现为与采用CMOS器件相比,用户可构建更多不同的摄像系统。
两者特性比较：
1）灵敏度
灵敏度代表传感器的光敏单元收集光子产生电荷信号的能力。CCD 的感光信号以行为单位传输，电路占据像素的面积比较小，这样像素点对光的感受就高些；而 CMOS 图像传感器的每个像素由多个晶体管与一个感光二极管构成 (含放大器与 A /D 转换电路)，使得每个像素的感光区域只占据像素本身很小的面积，像素点对光的感受就低。因此，在像素尺寸相同的情况下，CCD 图像传感器的灵敏度要高于CMOS 图像传感器。
2）分辨率
CMOS 图像传感器上集成有放大器、定时器和ADC 等电路，每个像素都比 CCD 复杂，因而电路所占像素的面积也大，所以相同尺寸的传感器，CCD 可以做得更密。通常 CCD 图像传感器的分辨率会优于CMOS 图像传感器。
3）噪声
CCD 与 CMOS 图像传感器在结构上的不同，使得它们的读出噪声有很大的差别。CCD 中的噪声主要是在最高带宽产生的，而 CMOS 图像传感器由于采用的是列并行结构，因此噪声带宽是由行读出带宽决定的。CCD 中噪声随视频频率的增加而增加，而 CMOS图像传感器的噪声与视频频率无关。由于 CMOS 图像传感器每个像元都需搭配一个放大器，如果以百万像
素计，那么就需要百万个以上的放大器。而放大器属于模拟电路，很难让每个放大器所得到的结果保持一致。因此与只有一个放大器放在芯片边缘的 CCD 图像传感器相比，CMOS 图像传感器的噪声就会增加很多，这将会影响到图像品质。
4）响应均匀性
理想状态下各个像元在均匀光照的条件下的输出应当是相同的，但是由于硅圆片工艺的微小变化、硅片及工艺加工引入缺陷、放大器变化等导致图像传感器光响应不均匀。响应均匀性包括有光照和无光照（暗环境）两种环境条件。CMOS 图像传感器由于每个像元中均有开环放大器，器件加工工艺的微小变化导致放大器的偏置及增益产生可观的差异，且随着像元尺寸进一步缩小，差异将进一步扩大，这使得在有光照和暗环境两种条件下 CMOS 图像传感器的响应均匀性较 CCD 有较大差距。尽管CMOS 图像传感器研制者投入大量的努力降低暗环境下器件响应的非均匀性，但是现在它仍然无法达到CCD 的水平。这个参数在高速应用中尤为重要，因为在高速应用中由于信号弱，暗环境条件下的非均匀性将显著降低图像质量。
5）速度
由于 CCD 采用串行连续扫描的工作方式，必须一次性读出整行或整列的像素数据。而CMOS 图像传感器由于采用单点信号传输，通过简单的 X-Y 寻址技术，允许从整个排列、部分甚至单元来读出数据，从而提高寻址速度，实现更快的信号传输，而且能对局部像素图像进行随机访问，增加了工作灵活性。通常的CCD图像传感器的信号读出速率不超过 70 Mpixels/s，CMOS 图像传感器信号读出速率可达 1000 Mpixels/s。
6）集成性
目前，绝大部分 CCD 的驱动电路及模拟、数字处理电路尚未集成在同一芯片上。而 CMOS 图像传感器同 VLSI 之间具有良好的兼容性，可以把驱动与控制系统（CDS）、ADC 和信号处理等电路集成在一块芯片上，形成单片高集成度数字成像系统。这一点对于日益得到广泛应用的微型成像系统尤其重要。随着微加工技术的不断发展，系统的集成度将不断提高。
7）功耗
CMOS 图像传感器的图像采集方式为主动式，即感光二极管所产生的电荷会直接由晶体管放大输出；而 CCD 为被动式采集，必须外加电压让每个像素中的电荷移动至传输通道。而这外加电压通常需要 12～18 V。因此,CCD 还必须有更精密的电源线路设计和耐压强度。由此可见，CCD 需要外部控制信号和时钟信号来获得满意的电荷转移效率，还需要多个电源和电压调节器，因此功耗大。CMOS 图像传感器使用单一工作电压，功耗低，仅相当于 CCD 功耗的 1/ 8，在节能方面具有很大的优势，有利于延长便携式、机载或星载电子设备的使用时间。
8）成本
由于 CMOS 图像传感器采用标准的半导体制造工艺，可以轻易地将周边电路（如 AGC，CDS，时钟和DSP 等）集成到传感器芯片中，因此可以节省外围芯片的成本；而 CCD 图像传感器需要特殊工艺，使用专用生产流程，而且控制 CCD 图像传感器的成品率会比 CMOS 图像传感器困难的多。因此，与 CCD 相比，CMOS 图像传感器在制造成本上具有优势。
9）响应范围
CMOS 图像传感器除了对可见光，对红外光也非常敏感，在 890～980 nm 范围内其灵敏度远高于 CCD图像传感器的灵敏度，并且随波长增加而衰减的梯度也相对较慢。
10）可靠性
CMOS 图像传感器和 CCD 在商用及工业应用领域具有等价的可靠性。在极端恶劣的应用环境中,由于 CMOS 图像传感器将大部分相机电路集成在一个芯片上，焊点与接头大大减少，其可靠性要优于 CCD图像传感器。
11）抗辐射性
由于 CCD 的像素由 MOS 电容构成，电荷激发的量子效应易受辐射线的影响；而 CMOS 图像传感器的像素由光电二极管或光栅构成，因此，CMOS 图像传感器的抗辐射能力比 CCD 大十多倍，这有利于军用和强辐射环境下应用。
图像传感器的选择
无人机的机载重量是有限的，故使用在无人机上的摄像头只能是微型摄像头，质量、体积都要在一定的范围内，因此，无论是CCD传感器还是CMOS传感器，其成像质量不会有太大的差距。综上所述，选择CMOS图像传感器，来捕获图像信息，有效的降低功耗，提高能源的利用率。
镜头
镜头相当于人眼的晶状体，如果没有晶状体，人眼看不到任何物体；如果没有镜头，那么摄像头所输出的图像就是白茫茫的一片，没有清晰的图像输出。
摄像头的镜头是将拍摄景物在传感器（CCD或CMOS）上成像的器件，它通常由由几片透镜组成。从材质上看，摄像头的镜头可分为塑胶透镜（Plastic）和玻璃透镜（Glass）。透镜越多，成本越高；玻璃透镜比塑胶贵。因此一个品质好的摄像头应该是采用玻璃镜头，成像效果就相对塑胶镜头会好，玻璃透光性以及成像质量都具有较大优势，比较常使用在较为高端的摄像头上。
镜头的各项参数：
1）焦距
焦距就是从镜头的中心点到传感器平面上所形成的清晰影像之间的距离。焦距的大小决定着视场角的大小，焦距数值小，视场角大，所观察的范围也大，但距离远的物体分辨不很清楚；焦距数值大，视场角小，观察范围小，距离远的物体可以分辨清楚。
2）光圈系数
光圈系数即光通量，用F表示，以镜头焦距f和通光孔径D的比值来衡量。每个镜头上都标有最大F值，例如6mm/代表最大孔径为毫米。光通量与F值的平方成反比关系，F值越小，光通量越大。
3）镜头分辨率
镜头分辨率是描述镜头成像质量的内在指标，以每毫米能够分辨的黑白条纹数为计量单位，计算公式为：
镜头分辨率N＝180 / 画幅格式的高度。
镜头的分类：
1）以镜头规格分类
摄像头镜头规格应视摄像头的图像传感器尺寸而定，两者应相对应。即摄像头的图像传感器靶面大小为1/2英寸时，镜头应选1/2英寸。摄像头的图像传感器靶面大小为1/3英寸时，镜头应选1/3英寸。如果镜头尺寸与摄像头图像传感器靶面尺寸不一致时，观察角度将不符合设计要求，或者发生画面在焦点以外等问题。
2）以镜头光圈分类
镜头有手动光圈（manual iris）和自动光圈（auto iris）之分，配合摄像头使用，手动光圈镜头适合于亮度不变的应用场合，自动光圈镜头因亮度变更时其光圈亦作自动调整，
故适用亮度变化的场合。
3）以镜头的视场大小分类
标准镜头：视角30度左右，在1/2英寸摄像头中，标准镜头焦距定为12mm，在1/3英寸摄像头中，标准镜头焦距定为8mm。
广角镜头：视角90度以上，焦距可小于几毫米，可提供较宽广的视景。
远摄镜头：视角20度以内，焦距可达几米甚至几十米，此镜头可在远距离情况下将拍摄的物体影响放大，但使观察范围变小。
变倍镜头（zoom lens）：也称为伸缩镜头，有手动变倍镜头和电动变倍镜头两类。
可变焦点镜头（vari-focus lens）：它介于标准镜头与广角镜头之间，焦距连续可变，即可将远距离物体放大，同时又可提供一个宽广视景，使监视范围增加。
针孔镜头：镜头直径几毫米，可隐蔽安装。
4）从镜头焦距上分
短焦距镜头：因入射角较宽，可提供一个较宽广的视野。
中焦距镜头：标准镜头，焦距的长度视图像传感器的尺寸而定。
长焦距镜头：因入射角较狭窄，故仅能提供狭窄视景，适用于长距离监视。
变焦距镜头：通常为电动式，可作广角、标准或远望等镜头使用。
无人机镜头选择方案
为使无人机能够更好地观测地面目标，其镜头的选择也很关键，首先，镜头的规格要与所选的图像传感器的靶面大小一致；其次，镜头要选取自动光圈镜头，自动光圈的镜头可有较宽的动态范围，自动光圈镜头有比固定光圈镜头更大的景深。在阳光直射的情况下，光圈的自动调整能够有效的保护图像传感器；为更好地空中拍摄，无人机的高度往往不是固定不变的，故应选取变焦距镜头。
彩色摄像头的分辨率是用电视线（简称线TV LINES）来表示的，彩色摄像头的分辨率在330~500线之间。分辨率与图像传感器和镜头有关，还与摄像头电路通道的频带宽度直接相关，通常规律是1MHz的频带宽度相当于清晰度为80线。频带越宽，图像越清晰，线数值相对越大。一般480线以上的摄像头都称为高清摄像头，故在最终选择摄像头时，应选取480线及其更高分辨率的摄像头。
图传频率
无线电频谱资源
无线电频谱是指3000GHz以下的电磁频谱
频谱划分表对应的是各种无线电业务共用频段所做的划分。影响划分表的因素是无线电的本质特性，主要体现在其传播特性及资源的业务容纳能力，同时也体现了技术及应用发展的历史和现状。
下表从无线电电波传播特性的角度来分析划分表的特点。下表是各个频段的电波传播特性及主要应用。
图传频率的选择
ISM设备是指在局部范围内产生并利用射频能量用于工业（Industrial）、科学（Scientific）、医疗（Medical）目的的设备。ITU(国际无线电委员会)无线电规则第15条的款对ISM设备产生的干扰提出了要求。要求无线电管理部门采取切实可行和必要的步骤，以保证使ISM设备产生的辐射最小，并保证在指定由这些设备使用的频带之外，这些设备的辐射电平不会对按照本规则条款运行的无线电通信业务，特别是无线电导航或任何其它安全业务造成有害干扰。CISPR 11 标准规定了各类 ISM 设备的骚扰发射电平限值。但各国无线电部门亦能依据本国的情况进行必要的修订。
我国ISM频段划分：
下列频带：
6765-6795 kHz (中心频率为6780 kHz)
MHz (中心频率为 MHz)
GHz (中心频率为 GHz)
122-123 GHz (中心频率为 GHz)
和244-246 GHz (中心频率为245 GHz)
指定给工业、科学和医疗(ISM)使用，但须经有关部门与那些无线电通信业务可能受到影响的主管部门达成协议后给予特别批准。
下列频带：
kHz (中心频率为13560 kHz)
26957-27283 kHz (中心频率为27120 kHz)
MHz (中心频率为 MHz)
9 02-928 MHz (中心频率为915 MHz)
2400-2500 MHz (中心频率为2450 MHz)
5725-5875 MHz (中心频率为5800 MHz)
和 GHz (中心频率为 GHz)
也指定给工业、科学和医疗(ISM)使用。在这些频带内工作的无线电通信业务必须承受由于这些应用可能产生的有害干扰。在这些频带内操作的ISM设备应遵守相应的规定。我国基本上所有的ISM频段上都规划了无线电应用，这些应用在满足我国的规则外，同时必须满足ITU无线电规则。
结合ISM免费使用频段及目前市场上适合远程遥控飞机的设备给出以下图传频段选择方案。
方案一：的无线传输模块采用GFSK/FSK的调制方式，最高空中传输速率可达到11Mbps。目前频段的WI-FI网络被广泛使用，无线模块在使用时干扰源相对较多，信号传输速率会受到一定的干扰，但如果选用调制方式为OFDM的模块，其传输速率可达到几兆每秒的范围内，增加其发射功率并加载高增益天线，其传输距离在几千米到几十千米的范围。
方案二：的无线传输模块采用FM调制方式，抗干扰能力强，最高空中传输速率可达到54Mbps，净速率为20Mbps左右，在适当的发射功率和天线增益下，其传输距离可达到几十公里。
无人机载重是有一定限制的，这限定了其所携带的电池重量，故图传模块的发射功率需在一定的范围内。在相同的发射功率下，频率低，传输距离远。且频段的设备频率较低，波长较长，衍射能力相对较高，由此选择的频段作为实时图像传输系统的工作频段。
图传天线
天线的介绍
天线（antenna)是一种变换器，它把传输线上传播的导行波，变换成在无界媒介（通常是自由空间）中传播的电磁波，或者进行相反的变换。在无线电设备中用来发射或接收电磁波的部件。
按照天线结构的不同可以分为线天线和面天线两大类。线天线主要用于长波、短波和超短波，面天线则主要用于微波波段。根据天线辐射方向不同，可以分为定向天线与全向天线。全向天线的能量均匀分布在中心点周围360°范围内，相对于定向天线覆盖范围广。定向天线能量集中，增益相对于全向天线要高，适合于点对点远距离通信，同时由于具有方向性，抗干扰能力比较强。
天线的选择
方案一：鞭状天线
鞭状天线是一种可弯曲的垂直杆状天线，其长度一般为1/4或1/2波长。大多数鞭状天线都不用地线而用地网。小型鞭状天线常利用小型电台的金属外壳作地网。有时为了增大鞭状天线的有效高度，可在鞭状天线的顶端加一些不大的辐射叶片或在鞭状天线的中端加电感等。鞭状天线体积小，质量轻，具有很好的便携性。
方案二：平板天线
平板天线是是一种仅在一个特定的方向传播的天线。其传播的方向性好，增益高（灵敏度好），但其体积相对较大。
方案三：八木天线
八木天线又叫引向天线。一个阵子与多个引向组成，八木天线的优点是结构简单、架设方便、轻便坚固、馈电方便，价格便宜，方向效率很高；缺点频带窄、抗干扰性差。
方案四：栅状天线
栅状天线具有抛物面结构，有良好的聚焦作用，所以抛物面天线集射能力强，直径为 m 的栅状抛物面天线，在900兆频段，其增益即可达20dBi，特别适用于点对点的通信。但其体积相对较大，不方便携带和使用。
无人机图传系统的机载天线，其体积要小，增益要高，抗干扰能力强，综上所述，选择鞭状天线作为机载天线，来实现远距离通信的要求。地面台使用的天线，其接收灵敏度一定
要高，方向性要好，抗干扰能力要达到所需要求，故选择平板天线作为地面的接收天线。
图传系统传输距离估算
无线传输距离计算
Pr(dBm) = Pt(dBm) - Ct(dB) + Gt(dB) - FL(dB) + Gr(dB) - Cr(dB) Pr ：接收端灵敏度
Pt: 发送端功率
Cr: 接收端接头和电缆损耗
Ct: 发送端接头和电缆损耗
Gr: 接收端天线增益
Gt: 发送端天线增益
FL: 自由空间损耗
FL(dB)=10lg[Pt(mW)/Pr(mW)]= Pt(dBm) - Pr(dBm) = 20 lg R (km) +20 lg f (MHz) + - Gt (dB) - Gr(dB)
R 是两点之间的距离
f 是频率
由上式可得：
20)44.32lg 20Pr (10Gr Gt f Pt R ++---=
其中 R （km ）是自由空间传输距离
Pt （dBm ）是发送端功率
Pr （dBm ）是接收端功率
f （MHz ）是工作频率
Gr （dB ）是接收端天线增益
Gt （dB ）是发送端天线增益
以上的计算公式仅适用于自由空间传播，所谓自由空间传播指天线周围为无限大真空
时的电波传播，它是理想传播条件。电波在自由空间传播时，其能量既不会被障碍物所吸收，也不会产生反射或散射。计算出的R 值是理想状况下的传输距离，实际的应用中是会低于该值，这是因为无线通信要受到各种外界因素的影响，如大气、阻挡物、多径等造成的损耗，将上述损耗的参考值计入上式中，即可计算出近似通信距离。
近似的通信距离为：
20)44.32lg 20Pr (10Los Gr Gt f Pt r -++---=
其中 r （km ）是实际传输距离
Los （dB ）是大气、遮挡等造成的损耗
Pt （dBm ）是发送端功率
Pr （dBm ）是接收端功率
f （MHz ）是工作频率
Gr （dB ）是接收端天线增益
Gt （dB ）是发送端天线增益
实际的通信距离r 约为理论距离R的6%—10%左右。
根据r的计算公式，要增加无人机的通信距离，就必须设法提高发射模块的发射功率和接收灵敏度，加载高增益天线，提高系统的抗干扰能力。
1、增大发射功率和接收灵敏度
考虑到无线信号对健康的影响，我国无线电管理委员会规定无线局域网产品的发射功率不能大于10mW，而其他国家的标准相对宽松，日本的无线局域网产品发射功率的上限是100mW，欧美某些无线局域网产品发射功率的上限为50mW左右。要实现远距离无线通信，就必须在不影响重要通信设施的情况下加大发射功率。对于输出功率固定的无线模块来说，可以加载外置的功率放大器，将输出功率放大，再通过天线辐射出去。
2、采用高增益天线
众所周知，天线增益值和接收灵敏度是决定产品传输品质的主要因素，因此选择增益值大的天线或多天线配合使用是增强无线覆盖和传输能力的重要手段。天线的dBi值越大，增益越高，数据传输距离自然就更远。一般的无线产品只标配了天线增益为1dBi～3dBi（dBm 是功率的单位，dBi是增益单位）的全向天线；较为高档的产品会选用5dBi全向天线，基本能满足室内50米以内、室外150米以内的传输需求。而要想获得更远的传输距离，8dBi～9dBi的全向天线、18dBi左右或更高的定向性天线必不可少。如16dBi平板天线，能实现最远可达25公里的无线传输。
第4章动力系统
电机
可用在无人机上的直流电机分为两大类：有刷直流电机和无刷直流电机。无刷直流电机是目前应用在飞行器中的主流电机，其效率可达到80%以上。
有刷直流电动机：有刷电动机的2个刷(铜刷或者碳刷)是通过绝缘座固定在电动机后盖上直接将电源的正负极引入到转子的换相器上，而换相器连通了转子上的线圈，3个线圈极性不断的交替变换与外壳上固定的2块磁铁形成作用力而转动起来。
无刷直流电动机：无刷直流电动机是将普通直流电动机的定子与转子进行了互换。其转子为永久磁铁产生气隙磁通：定子为电枢，由多相绕组组成。在结构上，它与永磁同步电动机类似。无刷直流电动机定子的结构与普通的同步电动机或感应电动机相同．在铁芯中嵌入多相绕组(三相、四相、五相不等)．绕组可接成星形或三角形，并分别与逆变器的各功率管相连，以便进行合理换相。转子多采用钐钴或钕铁硼等高矫顽力、高剩磁密度的稀土料，由于磁极中磁性材料所放位置的不同．可以分为表面式磁极、嵌入式磁极和环形磁极。由于电动机本体为永磁电机，所以习惯上把无刷直流电动机也叫做永磁无刷直流电动机。
无刷直流电机的简明运行原理
两种直流电机在飞行器应用中的优缺点对比
＊有刷直流电机的缺点：
1、摩擦大，损耗大
有刷电机在使用一段时间以后，需要打开电机来清理电机的碳刷，费时费力。
2、发热大，寿命短
由于有刷电机的结构原因，电刷和换向器的接触电阻很大，造成电机整体电阻较大，容易发热，而永磁体是热敏元件，如果温度太高的话，磁钢是会退磁的，使电机性能下降，影响有刷电机的寿命。
3、效率低，输出功率小
上面说到的有刷电机发热问题，很大程度是因为电流做功在电机内部电阻上了，所以电能有很大程度转化为了热能，所以有刷电机的输出功率不大，效率也不高。
＊无刷电机的优点：
3、无电刷、低干扰
无刷电机去除了电刷，最直接的变化就是没有了有刷电机运转时产生的电火花，这样就极大减少了电火花对遥控无线电设备的干扰。
2、噪音低，运转顺畅
无刷电机没有了电刷，运转时摩擦力大大减小，运行顺畅，噪音会低许多，这个优点对于模型运行稳定性是一个巨大的支持。
3、寿命长，低维护成本
少了电刷，无刷电机的磨损主要是在轴承上了，从机械角度看，无刷电机几乎是一种免维护的电动机了，必要的时候，只需做一些除尘维护即可。上下一比较，就知道无刷电机相对于有刷电机的优势在哪里了，但是万事都不是绝对的，有刷电机低速扭力性能优异、转矩大等性能特点是无刷电机不可替代的，不过就无刷电机的使用方便性来看，随着无刷控制器的成本下降趋势和国内外无刷技术的发展与市场竞争，无刷动力系统正在高速的发展与普及阶段。
＊使用寿命
无刷电机：通常使用寿命在几万小时这个数量级，但是由于轴承的不同无刷电机使用寿命也有很大不同。
碳刷电机：通常有刷电机的连续工作寿命在几百到1千多个小时，到达使用极限就需要更换碳刷，不然很容易造成轴承的磨损。
＊使用效果
无刷电机：通常是数字变频控制，可控性强，从每分钟几转，到每分钟几万转都可以很容易实现。
碳刷电机：无刷电机一般启动以后工作转速恒定，调速不是很容易，串激电机也能达到20000转/分，但是使用寿命会比较短。
＊节能方面
相对而言，无刷电机采用变频技术控制的会比有刷电机节能很多，最典型的就是变频空调和冰箱。
＊日后维修方面
碳刷电机需要更换碳刷，如果更换不及时会造成电机的损坏，而无刷电机，使用寿命很长，通常是有刷电机的10倍以上，但是坏了就需要更换电机，但日常维护基本不需要。
无刷直流电机的转子是永久磁铁，定子是电枢，没有了电磁场的变换，如何让电机转动呢简单而言，就是依靠改变输入到无刷电机定子线圈上的电流波交变频率和波形，在绕组线圈周围形成一个绕电机几何轴心全转的磁场，这个磁场驱动转子上的永磁磁钢转动，电机就转起来了，电机的性能和磁钢数量、磁钢磁通强度、电机输入电压大小等因素有关，更与无刷电机的控制性能有很大关系，因为输入的是直流电，电流需要电子调速器将其变成3相交流电，还需要从遥控器接收机那里接收控制信号，控制电机的转速，以满足使用需要。总的来说，无刷电机的结构是比较简单的，真正决定其使用性能的还是无刷电子调速器，简称电调。好的电子调速器需要有单片机控制程序设计、电路设计、复杂加工工艺等过程的总体控制。
无刷电机的参数介绍
无刷电机的参数指标包括：额定功率、KV值、外形尺寸〔外径、长度、轴径等〕重量、电压范围、空载电流、最大电流等。无刷电机的电机型号一般用定子的直径和高度来确定。例如： 2212则表示该电机的定子直径22毫米，高度12毫米。其中KV值是无刷电机的一个重要指标，这个数值是无刷电机独有的一个性能参数，是判断无刷电机性能特点的一个重要数据。
无刷电机KV值定义为转速/V，意思为输入电压增加1伏特，无刷电机空转转速增加的转速值。因此，电机的转速（空载）=KV值×电压。KV值是由线圈的匝数决定的，一般电机的线圈匝数越少，KV值越大，电机能够承受的电流就越大，电机的转速就越高，电机的扭力就越小，效率也越低。KV值决定配什么样的浆，因为大浆需要的扭力大，小浆需要的扭力小。
单从KV值，不足以评价电机的好坏，因为不同KV值有不同的适用场合：
低电压环境（）
KV值低的，由于转速偏低，适合配较小的减速比和较大的螺旋桨，靠较大负荷来提升电流，输出较大功率；
KV值高的，由于转速较高，适合配较大的减速比和较小的螺旋桨，在满足输出功率的条件下，要减小负荷，避免电流过大；
高电压环境（）
KV值低的，在这个电压环境下可以达到较高的转速，扭力也不错，比较理想。需要配合较大的减速比和较小的螺旋桨，在满足输出功率的条件下，要减小负荷，避免电流过大；
KV值高的，在该环境中转速过高，为避免电流过大，要尽量减少负荷。利用其高转速，用于涵道风扇发动机很适合。
无刷电机品牌及价格介绍
国内无刷电机品牌众多，可以说是五花八门，但真正做的好的不多。最低端的，也是众多航模爱好者用的是新西达等品牌，其低廉的价格赢得了良好的市场，新西达电机的价格大多在100以内；质量好一点的电机品牌，也是众多国产品牌所处的层次，包括：银燕，DYS，朗宇，恒力，飞速达，傲翔等，这些品牌的电机价格大多在300以内，各品牌的质量也有一定的差距，有的厂家还可以定制所需尺寸，KV值和功率的电机；国产的高端品牌的电机有PULSO和天蝎星，PULSO电机是上海丹锂电气有限公司生产的，其性价比相对天蝎星要高，它是跟仿瑞典AXI的电机，中国产，欧洲销售。天蝎星的电机是德国设计，中国组装，世界闻名，性能高，全球销售。目前PULSO电机的售价在200-700左右，而天蝎星的售价在200-3000之间。
舵机
舵机是一种位置（角度）伺服的驱动器，是遥控模型控制动作的动力来源，与普通电机不同的是，舵机能够提供相当精确的位置控制以及大扭矩。
舵机主要是由外壳、电路板、无核心马达、齿轮与位置检测器所构成。其工作原理是由接收机发出讯号给舵机，经由电路板上的 IC判断转动方向，再驱动无核心马达开始转动，透过减速齿轮将动力传至摆臂，同时由位置检测器送回讯号，判断是否已经到达定位。位置检测器其实就是可变电阻，当舵机转动时电阻值也会随之改变，藉由检测电阻值便可知转动的角度。一般的伺服马达是将细铜线缠绕在三极转子上，当电流流经线圈时便会产生磁场，与转子外围的磁铁产生排斥作用，进而产生转动的作用力。依据物理学原理，物体的转动惯量与质量成正比，因此要转动质量愈大的物体，所需的作用力也愈大。舵机为求转速快、耗
电小，于是将细铜线缠绕成极薄的中空圆柱体，形成一个重量极轻的五极中空转子，并将磁铁置於圆柱体内，这就是无核心马达。
为了适合不同的工作环境，有防水及防尘设计的舵机；并且因应不同的负载需求，舵机的齿轮有塑胶及金属之区分，金属齿轮的舵机一般皆为大扭力及高速型，具有齿轮不会因负载过大而崩牙的优点。较高级的舵机会装置滚珠轴承，使得转动时能更轻快精准。滚珠轴承有一颗及二颗的区别，当然是二颗的比较好。目前新推出的 FET 舵机，主要是采用FET(Field Effect Transistor)场效电晶体。FET 具有内阻低的优点，因此电流损耗比一般电晶体少。
舵机的控制信号为周期是20ms的脉宽调制（PWM）信号，其中脉冲宽度从，
相对应舵盘的位置为0－180度，呈线性变化。也就是说，给它提供一定的脉宽，它的输出轴就会保持在一个相对应的角度上，无论外界转矩怎样改变，直到给它提供一个另外宽度的脉冲信号，它才会改变输出角度到新的对应的位置上。舵机内部有一个基准电路，产生周期20ms，宽度的基准信号，有一个比较器，将外加信号与基准信号相比较，判断出方向和大小，从而产生电机的转动信号。由此可见，舵机是一种位置伺服的驱动器，转动范围不能超过180度，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的驱动当中。比方说机器人的关节、飞机的舵面等。
舵机具有以下一些特点：
1) 体积紧凑，便于安装；
2) 输出力矩大，稳定性好；
3) 控制简单，便于和数字系统接口。
电池
充电电池的种类比较多，但是适用于无人机上要求能量密度大，重量轻，体积小，放电电流大，目前主要使用镍铬电池、镍氢电池和锂离子聚合物电池。
1）镍镉电池（Ni-CD）的主要特点是优异的大电流放电性能，满足航模短时间高功率要求。充电电池一个重要的性能指标是放电倍率。所谓放电倍率，就是指电池的最大连续放电电流与其标称容量电流（C）的比值。C代表的是以一小时放电完毕的电流或者说是标称容量的电流为1C。通常在容量C前加一个数字表示。例如某种1800毫安时电池的放电倍率为10 C，即表示它的最大连续放电电量为1800×10=18000mA=18A，可见放电倍率是衡量电池急放电性能的重要指标。由于生产工艺和结构上的差异，不同品牌电池的放电倍率往往不同。国产镍隔电池一般为6C~12C，进口电池通常要高一些，尤其是模型飞机专用动力电池，往往可达20C左右，优秀的三洋电池甚至高40 C以上。选择电池首先就是选挥高放电倍率的电池。但是镍镉电池的能量密度小，并且有记忆效应，废旧电池对环境污染比较大，将很快被淘汰，目前只用于特大电流输出的场合。
2）镍氢电池(Ni-MH)是一种环保型的充电电池，使用性能和充电方式同镍铬电池一样，标称电压也是伏，但是功率密度更大，目前已经在相当多的场合取代了镍铬电池，只是在大电流放电性能方面尚不及镍铬电池，一般在7C左右。镍铬电池和镍氢电池有相同系列的型号，常用的主要有F型、D型、C型、SC型、A型、AA型（5号）、AAA型（7号）AAAA型等。扣式，方型，口香糖型，此外还会有一些特殊型号的电池，它们通常是由标准电池型号规格衍生出来的加长或缩短型号。电池单体（电池芯）有时也直接以电池尺寸为标示，如18650、1848，它们标示的是直径18毫米，长度分别为65毫米和8毫米的单体电池。无人机上电机以及收发模块都要使用电源，它们的电压一般都在5伏以上，动力组一般都在9~12伏以上，这需要多节电池串联，一般用镍片点焊连接。业余制作可以用用铜片锡焊，不过要注意焊接
目录一.世界经济的发展等因素，城市的特点 二.代步工具的发展历程，以及其类型和特点 三.代步工具历史产品介绍 四.设计灵感与产品设计 五.产品设计 六.细节演示 七.未来代步工具的材料及其工业设计 八.展板
人们随着时代的发展，使出行代步工具发展的很快。要想从一个城市，快速到达另一个城市，人们又想方设法的使“出行代步工具”得到了进一步的发展。不外乎至使地上跑的，水中游的，天上飞的代步工具，发展的尽乎完美的快捷和舒适。 本次设计基于世界城市发展的背景之下,通过分析和研究城市化进程、城市居民出行方式以及代步工具的发展历程,结合人性化设计、人机工程学和设计心理学等工业设计相关理论来深入分析城市居民代步工具设计中使用者的生理和心理需求,探讨其更符合城市居民人性化设计需求的可行性方案。 一.世界经济的发展等因素，城市的特点 我国现代城市交通的发展具有两大特征： 城市交通与城市对外交通的联系加强了，综合交通和综合交通规划的概念更为清晰。 随着城市交通机动化程度的明显提高，城市交通的机动化已经成为现代城市交通发展的必然趋势。 1.发展规律 现代城市交通重要表象是“机动化”，其实质是对“快速”和“高效率”的追求。 城市交通拥挤一定程度上是城市经济繁荣和人民生活水平提高的表现。随着城市交通机动化的迅速发展，城市机动交通比例不断提高，机动交通与非机动交通、行人步行交通的矛盾不断激化，机动交通与守法意识薄弱的矛盾日渐明显。
交通需求越来越大，而城市交通设施的建设就数量而言，永远赶不上城市交通的发展，这是客观的必然。 现代城市交通机动化的迅速发展也势必对人的行为规律和城市形态产生巨大影响，城市交通机动化的发展也会成为城市社会经济和城市发展的制约因素。现代城市交通的复杂性要求我们对城市交通要进行综合性的战略研究和综合性的规划，城市规划要为城市和城市交通的现代化发展做好准备。 2. 城市综合交通规划的内容 城市人群出行方式的发展，历史与现状，以及促使居民出行方式发生变化的关键因素。 刚建国时期——交通不便大城市电车、汽车比较多见，黄包车，自行车是比较普遍的代步工具。在一般的中小城市，有少量的自行车和人力车。农村，北方有马车、人力板车，南方有航船、牛车，步行是最普遍的出行方式 改革开放前——有所改善，以自行车为主“一五”计划期间兴建宝成铁路、鹰厦铁路;新藏、青藏、川藏公路修到“世界屋脊”，密切了祖国内地同边疆的联系，也便利了经济文化的交流；1957年，武汉长江大桥建成，连接了长江南北的交通。 国家整体交通水平有所提高.改革开放前，城市的交通资源极为有限，人们出行除了用双脚行走之外，可以代步的交通工具也就是公交车和自行车了。但是公交线路少，车厢经常拥挤不堪。相比之下，最方便的交通工具当然是自行车，中国曾被称作“自行车王国”，可
武汉大学《航空航天技术概论》作业2 题目：新型神飞器的设计制做 学院：物理科学与技术学院 专业：物理学 姓名：胡万景 学号：2012335550114 2013年7月30日
本人在现代的航天器基础上利用最新的科研探索方向，从神飞器的名字、要完成的使命、如何设计、功能设计和设计控制、应用前景及任务等几个方面来构想一架现实为未来相结合的神飞器。 神飞器名字：永不落雪域神飞器 要完成的使命：探测宇宙星系、发展现代科学技术、解释科学谜团、携带人们实现太空之旅、军情探窥、为人类探测地球之外的能源 如何设计：“永不落雪域神飞器”将采用非传统的设计，从空气动力学角度来说,可以将它描述为一种升力体结构，在神器身后部设计自动化控制面版，包括全动式水平尾翼和双垂直尾翼与方向舵，这种飞翼可以自动收缩，而且为扁平的。该设计将成为未来全球最大超速巡航的神飞航天一体器，既可以用于航天事业又可以用于作战神器。由于高速巡航的需要和航天的探索，为了减小阻力而将前缘设计得很尖而且扁平，同时控制面也相应很薄很轻巧。神飞器前身下部的外形设计为超冲压核动力发动机进气道，提供外部压缩斜面，同时后身下部的外形设计为单膨胀喷管面。机体上表面采用无缓和的曲率，机身前装备大块的扁压舱，要使飞行器的重心足够靠前，提供近似中心的纵向和横向的稳定性。飞行器的机身桁梁和隔板由钢、钛、铝等纳米材料制成，其上覆盖有钢、铝陶瓷纳米盖。这些材料是由神飞器的硬度、随时可变形需求确定的，而尾舱选用镍钛合金，这是为了热防护的需要。出于飞行器平衡的需要，前舱采用了钨化纳米材料制实心块。机体的热防护采用碳耐高温陶瓷。前缘、上、下表面覆盖强化氧化铝纳米防热瓷瓦。钢铝纳米陶瓷金属盖设计为多个相对简单、低成本的刻面形状，这样会使得外型设计线加工到热防护系统防热陶瓷中，而于防热陶瓷的设计为外表面的机是在陶瓷安装到机身上。为此，表面涂纳米量子隐身漆，从而避免了被其他探测系统发现、热烘烤、抗干扰、防辐射、防腐蚀等性质极强的结构。对于低飞行器来说，水平表面只采用碳纳米材料防热；而对于高速神行器来说，水平和垂直表面都采用碳纳米材料防护。发动机着采用散热性好的珀合金材料，其整流罩和侧壁采用了主动式液氮冷却系统。从整体上说，这个神飞器是一个超级扁的飞行一体机，可以收缩变幻，可以变形。 功能设计和设计控制： 1.。神飞器的发动机：我们不使用传统的固态、液态、或者混合态发动机作为动力来提高效果，而现行的发动机有些国家利用太阳帆，利用太阳的能量，可是太阳能转化速度比较慢，所以传统的化学能和太阳能飞行器不适合进行长时间的飞行。为了我们的飞行器成为世界永不落神飞器，我们将在这个飞行器上装载核聚变动力器，让它成为核动力火箭。这将提供更快的速度和强大的能量源来源，而且消耗不尽，所以我们的神飞器会永远挂在空中而不降落，这也可以解决登陆其他行星时所遇到的各种能源来源问题。核聚变神飞器将大大缩短深空飞行的时间，可以为我们人类充分探索和利用太阳系资源开辟道路，这样的话我们能在一个月之内前往其他星系，那将是多么美妙的情景，也可以减少宇航员暴露在宇宙射线下的风险，人类如果需要进入深空，并有效的配合减速发动机的减速，就可以减少人们在空间飞行中受到的辐射，为人类缩短较短的太空旅程减少节省食物和水，这样我们的太空之旅每个人都可以实现。 宇宙飞船推进技术，我们只有在科幻小说中才听说过的“曲速推进”发动机，物质和反物质动力系统等，而现在我们这款神飞器完全可以实现。除了核动力发动机外，可控核聚变反应堆，使用核裂变技术的发动力系统是我们这个飞行器成为永不落飞行器唯一途径，我们在飞行器上安装四台核动力涡轮发动机，这些核
一、填空题(25分，每空1分) 1. 飞机设计可分为3个阶段，分别是 (1) 、 (2) 、 (3) 。 2. 最重要的三个飞机总体设计参数是 (4) 、 (5) 、 (6) 。 3. 飞机空机重量可分为3部分，分别是 (7) 、 (8) 、 (9) ，飞机空机重量系数随起飞重量的增加而 (10) 。 4. 在飞机重心的第一次近似计算中，如果飞机重心不在规定的范围内，则须对飞机重心进行调整。调整飞机重心最常用的2种方法是 (11) 、 (12) 。 5. 超音速进气道的压缩方式有3种，分别是： (13) 、 (14) 和 (15) 。 6. 喷气式飞机在 (16) 状态下达到最远航程，此时其翼载荷为 (17) ；螺旋桨飞机在 (18) 状态下达到最远航程，此时其翼载荷为 (19) (假设飞机的极曲线为)。 7. 要缩短飞机起飞/着陆滑跑距离，可以采用 (20) 翼载荷 的方法。 8. 亚音速飞机的最大升阻比取决于 (21) 。 9. 进气道总压恢复系数是 (22) 与 (23) 之比。 10. 从飞机设计的角度来看，对发动机的主要设计要求可归结为2个方面，即要求发动机的 (24) 大和 (25) 大。 二、选择题(20分，每题1分，正确的选择“+”，错误的选择“-”) 1. 减小翼载荷对飞机的巡航性能有利。 2 0y x x C A C C ?+=
(+) (-) 2. 将喷气式发动机安装到飞机上，需要考虑装机修正和推进装置阻力。(+) (-) 3. 进气道的功用是将流入进气道的空气减速增压。(+) (-) 4. 机身结构重量大致与机身浸湿面积成正比。(+) (-) 5. 现代战斗机上常使用高涵道比的涡扇发动机。(+) (-) 6. 飞机起飞重量一定时，增加飞机的航程和航时会降低飞机的机动性。(+) (-) 7. 飞机的寿命周期成本包括研制成本和使用维护成本两部分。(+) (-) 8. 如技术水平一定，则飞机设计要求都要以一定的重量代价来实现。(+) (-) 9. 飞机的载油量是根据飞机所执行任务的任务剖面要求确定的。(+) (-) 10. 超音速飞行时，涡轮风扇发动机的耗油率小于涡轮喷气发动机。(+) (-) 11. 前三点式起落架几何参数选择时，应考虑的主要因素之一是防止飞机翻倒和防止飞机倒立。(+) (-) 12. 飞机起落架的重量一般占该机起飞重量的15%左右。(+) (-) 13. 雷达隐身飞机要求减小镜面反射和角反射器反射。(+) (-) 14. 按面积律设计的飞机能减小跨音速波阻。(+) (-) 15. 满足设计要求的起飞重量最小的飞机是设计先进的。(+) (-) 16. 设计要求不变时，结构重量增加1千克使飞机起飞重量也增加1千克。(+) (-)
渤海大学本科毕业论文（设计）四旋翼无人机设计与制作 The Manufacture and Design of Quad Rotor Unmanned Aerial Vehicle 学院（系）： 专业： 学号： 学生姓名： 入学年度： 指导教师： 完成日期：
摘要 四旋翼无人机飞行器因为它的结构简单，而且控制起来也很方便，因此它成为了近几年来发展起来的热门产业。在这里本文详细的介绍了四旋翼飞行器的设计和制作的过程，其中包括了四旋翼无人机飞行器的飞行原理，硬件的介绍和选型，姿态参考算法的推导和实现，系统软件的具体实现。该四旋翼飞行器控制系统以STM32f103zet 单片机为核心，根据各个传感器的特点，采用不同的校正方法对各个传感器数据进行校正以及低通数字滤波处理，之后设计了互补滤波器对姿态进行最优估计，实现精确的姿态测量。最后结合GPS控制与姿态控制叠加进行PID控制四旋翼飞行器的四个电机，来达到实现各种飞行动作的目的。在制作四旋翼飞行器的过程中，进行了大量的调试并且与现有优秀算法做对比验证，最终设计出能够稳定飞行的四旋翼无人机飞行器。 关键词：姿态传感器；四元数姿态解算；STM32微型处理器；数据融合；PID
The Manufacture and Design of Quad Rotor Unmanned Aerial Vehicle Abstract Quad-rotor unmanned aerial vehicle aircraft have a simple structure, and it is very easy to control, so it has become popular in recent years. Here article describes in detail the design and the process of making the four-rotor aircraft, including Quad-rotor UAV aircraft flight principle, hardware introduction and selection, implementation and realization of derivation attitude reference algorithm, the system software . The Quad-rotor aircraft control system STM32f103zet microcontroller core, and the advantages and disadvantages based on the accelerometer sensor, a gyro sensor and electronic compass sensors using different correction methods for correcting various sensor data and low-pass digital filter processing, after design complementary filter to estimate the optimal posture, precise attitude measurement. Finally, GPS control and attitude control PID control is superimposed four-rotor aircraft four motors to achieve a variety of flight maneuvers to achieve the purpose. Four-rotor aircraft in the production process, a lot of debugging and do comparison with the existing excellent algorithm validation, the final design to stabilize the Quad-rotor UAV flying aircraft. Key Words：MEMS Sensor; Quaternion; STM32 Processor; Data Fusion; PID
无人直升机设计方案 前言 —个简单的无人直升机被称为非线性控制技术的测试平台。 无人机直升机包括：１、先进的无线电遥控作为一项基本载体;２、一个简单的航空电子系统；３、地面支持系统。航空电子系统包括一个小型的PC－104电脑系统和微机电系统（微机电系统）导航和惯性测量装置作为主要测量感应组件。一对全双工收发器是用来给直升机和地面之间提供无线通信。地面接收器和一个在地面的计算机系统形成一个支撑体系。无人直升机是用来实现自动飞行的控制系统。 一、引言 在过去几年里学术界无人飞行器（UAV）引起了极大的兴趣。它可以服务于许多应用平台和纯学术研究。作为一个有机动性和多功能性的学科，无人驾驶飞行器具有潜在军事以及在民用领域的科学意义。许多世界各地的研究小组选择了无人机直升机作为学科研究方向，探索和测试先进的控制技术。多样的方法如近似线性，神经网络和学习控制，已用于设计无人直升机的飞行控制规律。提高自动着陆，悬停和自动飞行的性能。我们的动机是为了发展一个无人直升机，作为一个试验平台验证我们提出非线性控制系统。 一个典型的无人机飞行器应包括以下基本组成部分： 1）有引擎的飞行器以完成一些基本的飞行功能 2）一个简单的航空电子系统实现自动飞行的控制系统。这种系统应包
括： a）一个机载计算机系统，以收集数据，以执行飞行控制，以及完成与地面系统的通信; b）必要的传感器来测量和控制信号用于驱动执行机构; c）通信系统，以提供无线通信，其中包含两个全双工收发器，一个是机载另一个是在地面上; d）一个机载电源系统; e）自动飞行控制系统。 3）地面支持系统，包括：a）一个全双工收发器提供飞机无线通信; b）计算机系统，以预先安排飞行路线，并收集飞行数据。 据悉，该无人机飞行上面列出的组件是比较简单的一种。集成的无人驾驶直升机只是用于学术研究。军用或商用无人机更为复杂。在了解无人飞行器的基础上，我们设计并组装一个简单的原型无人直升机。先进的无线电遥控玩具直升机被选择作为基本飞行器。一个简单的航空电子系统的设计。这种微型PC- 104将被用于机载计算机系统和微机电系统的导航，惯性测量组件被选择作为一个主要的航空电子传感装置。一对全双工收发器将用于提供和地面计算机系统的实时通信。这样一个简单的无人直升机有足够的能力执行飞行速度为20米/秒的飞行任务。 本文的内容如下：在下一节中，我们提出了一个简单的无人直升机设计，简单的航空电子系统的部件将在第三节介绍，装配无人直升机将在第四节提到。最后，第五节我们得出一些结论。 二.无人直升机的设计
航天飞机概述与建模 一、航天飞机的发展 航天飞机（Space Shuttle，又称为太空梭或太空穿梭机）是可重复使用的、往返于太空和地面之间的航天器，结合了飞机与航天器的特点。作为一种可重复使用的天地往返运输器，航天飞机是现代火箭、飞机、飞船三者结合的产物。它能像火箭一样垂直起飞，像飞船一样绕地球飞行，像飞机一样水平着陆。。航天飞机为人类自由进出太空提供了很好的工具，它大大降低航天活动的费用，是航天史上的一个重要里程碑。 1981年以前，美国的载人航天是通过“水星”、“双子星座”、“阿波罗”和“天空实验室”计划进行的。用火箭发射载人航天器一次，就要消耗一枚巨大的火箭。一些卫星发射后也无法回收。为了解决这个问题，美国在“阿波罗”登月计划后，就着手研制一种经济的、可以重复使用的航天器——航天飞机。这种航天器既能象火箭那样冲向太空，也能象飞船那样在轨道上运行，还能象飞机那样在大气里滑行并自行安全返回地球。 美国自1972年开始投巨资进行研究，历时9年，花费约100亿美元。整个工程是由美国政府机构、工业企业和高等院校的庞大队伍合作，并靠国外一些组织的协助，运用科学的管理方法，按照严格的分工和进度分阶段组织实施的。1981年4月12日，第一架航天飞机“哥伦比亚”号首次发射飞上太空，两天后安全返回。 第一架轨道飞行器“企业号”于1976 年9月17日出厂。1977年2月开始进行进场着陆试验。试验分三组进行。第一组试验5次，检验用波音747飞机驮飞时的稳定、颤振等特性，轨道飞行器中不载人；第二组作载人飞行试验，共3次，由飞行员检查轨道飞行器爷系统的性能；第三组试验5次，飞行中轨道飞行器与波音747飞机分离，滑翔飞行返回发射场，试验于1977年11月完成。之后，1978年3月“企业号”被运往马歇尔航天飞行中心与外贮箱和固体火箭组装进行发射状态的地面振动试验，1979年4月“企业号”运往肯尼迪发射场，在39A综合发射中心与固体助推器和外贮箱组合进行合练。1981年4月开始飞行试验，原计划试飞6次，但实际在第4次飞行时已携带国防部卫星执行任务。到1994年底共发射66次，成功率98．48％。
未来飞行器设计构想：潜母计划及“左右 手” https://www.doczj.com/doc/cf17108203.html, 2008年10月08日 17:26 新浪航空 联合效果图。
联合效果图。
鲲鹏效果图。
龙影效果图。 第一章前言 1.1 二十一世纪战场前瞻——未来高技术武器发展的特点和趋势 自“沙漠风暴”行动八年来，高技术战争和发达国家的武器装备发展计划大体上可以看出，2020年前后武器装备将进入到信息化时代，将逐步实现体系化、信息化、网络化、精确化、隐身化和轻小型化，并可能呈现无人化的发展趋势。21世纪战场将成为陆、海、空、天、信息五维战场，作战空间将向外层空间扩展。信息战武器、电子战武器、一体化装备、隐身武器、精确制导武器、军用航天装备、无人机／机器人武器将成为军事大国21世纪占优势的主导武器装备，也是发展中国家极力谋求的军事手段，动能与定向能等新概念武器也将陆续实用化。未来高技术武器装备的发展呈现以下的特点和趋势： 一、信息进攻与信息防御的攻防对抗将成为未来战争的焦点。计算机网络攻击与防御是信息战的重要内容。这种攻防对抗属于静悄悄的战争较量，其战略破坏性可与核生化大规模杀伤性武器相比。 二、电子战已成为信息时代战争的“战略要素”，是夺取信息优势的重要手段。电子战装备是21世纪发展的重点。
三、一体化系统的发展和运用将使21世纪战场更透明，指挥近实时，行动更敏捷，夜间变“明亮”，陆海空天作战行动一体化。 四、具有高机动性和隐身性的武器平台将成为空中、海上和陆上的主力武器装备。主动隐身技术将得到更多的应用。隐身与反隐身攻防对抗将更加激烈。 五、无人机、无人潜航器、无人车辆和战场机器人将成为发达国家2020年前后的重要武器，担当起侦察、探测、压制防空、战场毁伤评估等作战任务。 无人机作为空中的机器人将朝小型化、自主式、隐身、全天候方向发展。无人机将广泛用于高风险环境，完成以信息攻防对抗为主的作战任务。无人侦察机将可能取代有人侦察机，无人作战飞机将可能部分取代战斗机和轰炸机，起到远中近程精确打击作用。随着微电子、微电技术的发展，将可能出现微小型无人机。陆上将出现“战术无人车”、“地面无人车”等机器人车辆，它们将采用GPS接收机、激光测距仪、热像仪及高分辨率相机等高技术，向全天候、全地形、自主式和小型化发展。有人预言，无人车辆将成为21世纪陆军的核心武器。水中将出现完全自主式无人潜航器(UUV)，用于水下探雷、支持潜艇和水面舰艇作战行动。 六、导弹攻防对抗将成为未来高技术战争的重要组成部分，对应的武器系统将呈现明显的对抗性发展格局，中远程精确打击武器装备、防空反导一体化武器装备是发展的重点。 七、精确制导武器具有高效费比特征，已成为战争的基本手段。 八、以卫星为主体的军用航天系统将是一体化全球感知、全球交战系统的核心，全球卫星导航定位系统将成为未来精确指挥控制、中远程精确打击和精确兵力投送的关键装备。夺取空间优势和控制外层空间将成为21世纪美国航天力量的首要任务。 九、未来战争中，动能武器和定向能武器将成为防空反导、反卫星的利器，非致命武器将为未来军事行动提供新的选择。这些新概念武器的逐步应用将意味着作战方式的巨大变化。 十、核生化武器依然存在，战略核武器是未来信息化战争的保护伞，争夺核优势将主要在实验室内进行。 1.2 未来飞行器设计方案构想——潜母计划及“左右手” 展望二十一世纪战争形势的发展趋势，像航空母舰这样庞大的战斗群暴露出很大的弱点。随着巡航导弹、鱼雷等速度、隐身性能和精确打击能力的提高，航空母舰正在受到严重的威胁。而且，航空母舰要形成战斗力，必须依靠护卫舰、潜艇、反潜机等构成一个立体化战斗体系才能实展期威力，从效费比上分析，是相当不合算的。我国的经济实力还不强盛，因此我们必须创新，量体裁衣，建设一支符合我国发展和具有战略意义的国防力量。 从世界战争形势格局的不断发展中我们看出，信息化、智能化、隐身性能和高速性能等将是军事建设的主导方向。中国潜艇技术基础比较雄厚，我们应该充分利用优势，设计和建
1.飞机设计的三个主要阶段是什么？各有些什么主要任务？ ?概念设计:飞机的布局与构型，主要参数，发动机、装载的布置，三面图，初步估算性能、方案评估、参数选择与权衡研究、方案优化 ?初步设计：冻结布局，完善飞机的几何外形设计，完整的三面图和理论外形（三维CAD模型），详细绘出飞机的总体布置图（机载设备、分系统、载荷和结构承力系统），较精确的计算（重量重心、气动、性能和操稳等），模型吹风试验 ?详细设计：飞机结构的设计和各系统的设计，绘出能够指导生产的图纸，详细的重量计算和强度计算报告，大量的实验，准备原型机的生产 2.飞机总体设计的重要性和特点主要体现在哪些方面？ ?重要性：①总体设计阶段所占时间相对较短，但需要作出大量的关键决策②设计前期的失误，将造成后期工作的巨大浪费③投入的人员和花费相对较少，但却决定了一架飞机大约80%的全寿命周期成本?特点（简要阐述） ①科学性与创造性：飞机设计要应用航空科学技术相关的众多领域（如空气动力学、材料学、自动控制、动力技术、隐身技术）的成果；为满足某一设计要求，可以由多种可行的设计方案。 ②反复循环迭代的过程 ③高度的综合性：需要综合考虑设计要求的各个方面，进行不同学科专业间的权衡与协调 3.B oeing的团队协作戒律 ①每个成员都为团队的进展与成功负责 ②参加所有的团队会议并且准时达到 ③按计划分配任务 ④倾听并尊重其他成员的观点 ⑤对想法进行批评，而不是对人⑥利用并且期待建设性的反馈意见 ⑦建设性地解决争端 ⑧永远致力于争取双赢的局面（win-win situations） ⑨集中注意力—避免导致分裂的行为 ⑩在你不明白的时候提问 4.高效的团队和低效的团队 1. 氛围－非正式、放松的和舒适的 2. 所有的成员都参加讨论 3. 团队的目标能被充分的理解／接受 4. 成员们能倾听彼此的意见 5. 存在不同意见，但团队允许它的存在 6. 绝大多数的决定能取得某种共识 7. 批评是经常、坦诚的和建设性的，不是针对个人的 8. 成员们能自由地表达感受和想法 9. 行动：分配明确，得到接受 10. 领导者并不独裁 11. 集团对行动进行评估并解决问题1. 氛围－互不关心／无聊或紧张／对抗 2. 少数团队成员居于支配地位 3. 旁观者难以理解团队的目标 4. 团队成员不互相倾听，讨论时各执一词 5. 分歧没有被有效地加以处理 6. 在真正需要关注的事情解决之前就贸然行动 7. 行动：不清晰－该做什么？谁来做？ 8. 领导者明显表现出太软弱或太强硬 9. 提出批评的时候令人尴尬，甚至导致对抗 10. 个人感受都隐藏起来了 11. 集团对团队的成绩和进展不进行检查 5.飞机的设计要求有哪些基本内容？ ①飞机的用途和任务 ②任务剖面 ③飞行性能 ④有效载荷⑤功能系统 ⑥隐身性能要求 ⑦使用维护要求 ⑦机体结构方面的要求 ⑦研制周期和费用 ⑦经济性指标 11环保性指标 6.飞机的主要总体设计参数有哪些？ ①设计起飞重量W0 (kg)②动力装置海平面静推力T (kg)③机翼面积S (m2) 组合参数④推重比T/W0⑤翼载荷W0 /S (kg/m2) 7.毯式图的 步骤 ①保持推重比不变，改变翼载（x轴变量），获得总重曲线（y轴变量） ②推重比更改为另一个值后确定不变，改变翼载（x轴变量），获得总重（y轴变量）。同时需将y轴向左移动一任意距离。
未来的飞行器设计 摘要：飞行器的社会角色以及历史角色已经显现出来，而它的发展则受到许多 方面的限制和影响。从外形方面应该突破传统的布局形式，甚至可以消出翼身的区分和概念；从动力方面来看要做到对未来的绝对主导以及在人类探索认识宇宙、外太空的道路上走得更远就要探索一种更加具有时代性的动力方式。从原始飞行时代到活塞发动机时代再到现在的喷气飞机时代，从亚声速到跨声速再到超声速和高超声速，未来的飞行器将进入核动力时代、离子推进时代；从武器方面来看，未来的飞行器将由火力及爆炸性的物质性武器转变成激光、光子等能量性武器。不仅如此，还会建立一种能量防护的概念。对于外部攻击或者危险、意外等可以通过防护罩的能量防护形式来解决。 关键词：气动外形内部结构动力系统武器系统 引言：人类的发展正走在新的发展道路上。站在新的起点，我们面对的不仅仅是经济人文等方面的发展，全球化成为人类现阶段着力追求的目标。陆海空全面发展不仅是资源利用的需要，更加是维护人类利益、追求本质发展进步的必然需求。而从现代社会的发展趋势来看航空航天力量的发展又是现阶段、以及未来社会发展不可或缺的一部分。宇宙的纵深探索、现代化国防建设、未来战争形势都将和航空力量无法分开。由此飞行器设计和开发就是一个很重要的问题了。而飞行器在气动外形、动力系统、武器系统的创新就尤为重要。从飞行速度、隐身性能、防护措施、武力打击能力等各方面实现全新突破。 正文： 1.作品核心创意 人类的发展正走在新的发展道路上。站在新的起点，我们面对的不仅仅是经济人文等方面的发展，全球化成为人类现阶段着力追求的目标。陆海空全面发展不仅是资源利用的需要，更加是维护人类利益、追求本质发展进步的必然需求。而从现代社会的发展趋势来看航空航天力量的发展又是现阶段、以及未来社会发展不可或缺的一部分。宇宙的纵深探索、现代化国防建设、未来战争形势都将和航空力量无法分开。由此飞行器设计和开发就是一个很重要的问题了。而飞行器在气动外形、动力系统、武器系统的创新就尤为重要。从飞行速度、隐身性能、防护措施、武力打击能力等各方面实现全新突破。 从外形方面应该突破传统的布局形式，甚至可以消出翼身的区分和概念；从动力方面来看要做到对未来的绝对主导以及在人类探索认识宇宙、外太空的道路上走得更远就要探索一种更加具有时代性的动力方式。从原始飞行时代到活塞发动机时代再到现在的喷气飞机时代，从亚声速到跨声速再到超声速和高超声速，未来的飞行器将进入核动力时代、离子推进时代；从武器方面来看，未来的飞行器将由火力及爆炸性的物质性武器转变成激光、光子等能量性武器。不仅如此，
国内使用的喷气式公务机设计 班级： 0111107 学号： 011110728 姓名：于茂林
一、公务机设计要求 类型 国内使用的喷气式公务机。 有效载重 旅客6－12名，行李20kg/人。 飞行性能： 巡航速度： 0.6 - 0.8 M 最大航程： 3500－4500km 起飞场长：小于1400－1600m 着陆场长：小于1200－1500m 进场速度：小于230km/h 据世界知名的公务机杂志B&CA发布的《2011 Purchase Planning Handbook》，可以将公务机按照价格、航程、客舱容积等数据分为超轻型、轻型、中型、大型、超大型。 根据设计要求，可以确定我们设计的公务机属于轻型公务机：价格在700-1800万美元、航程在3148-5741公里、客舱容积在8.5-19.8立方米的公务机。与其他公务机相比，轻型公务机主要靠较低的价格、低廉的运营成本、在较短航程内的高效率来取得竞争优势。 由此，从中选出一些较主流机型作为参考 二、确定飞机总体布局 1、参考机型 庞巴迪航空：里尔45xr、里尔60xr 巴西航空：飞鸿300、 塞斯纳航空：奖状cj3 机型座位数巡航速度M 起飞场长m 着陆场长m 航程km 最大起飞重量kg 里尔45XR 9 0.79 1536 811 3647 9752 里尔60XR 9 0.79 1661 1042 4454 10659 飞鸿300 9 0.77 1100 890 3346 8207 奖状CJ3 9 0.72 969 741 3121 6300
2、可能的方案选择： 正常式 前三点起落架 T型平尾 / 高置平尾 + 单垂尾 尾吊双发涡轮喷气发动机 / 翼吊双发喷气发动机 / 尾吊双发喷气发动机 小后掠角梯形翼+下单翼 / 小后掠角T型翼+中单翼 / 直机翼+上单翼 3、最终定型及改进 1）正常式、T型平尾、单垂尾 ①避免机翼下洗气流和螺旋浆滑流的影响：1、减小尾翼振动；2、减小尾翼结构疲劳；3、避免发动机功率突然增加或减小引起的驾驶杆力变化 ②“失速”警告（安全因素） ③外形美观（市场因素） ④由于飞机较小，平尾不需要太大，对垂尾的结构重量影响不大 2）小后掠角梯形翼（带翼梢小翼）、下单翼 ①本次公务机设计续航速度0.6-0.8M，处于跨音速范围，故采用小展弦比后掠翼，后掠角大约30左右，能有效地提高临界M数，延缓激波的产生，避免过早出现波阻。 ②翼梢小翼的功能是抵御飞机高速巡航飞行时翼尖空气涡流对飞机形成的阻力作用，提高机翼的高速巡航效率，同时达到节油的效果。 ③采用下单翼，起落架短、易收放、结构重量轻；发动机和襟翼易于检查和维修；从安全考虑，强迫着陆时，机翼可起缓冲作用；更重要的是，因为公务机下部无货物仓，减轻机翼结构重量。 3）尾吊双发涡轮喷气发动机，稍微偏上 ①主要考虑对飞机的驾驶比较容易，座舱内噪音较小，符合易操纵性和舒适性的要求。 ②机翼升力系数大 ③单发停车时，由于发动机离机身近，配平操纵较容易； ④起落架较短，可以减轻起落架重量。 ⑤由于机翼与客舱地板平齐有点偏高，为了使发动机的进气不受影响，故将发动机安排的稍稍偏上。 4）前三点起落架，主起落架安装在机翼上 ①适用于着陆速度较大的飞机，在着陆过程中操纵驾驶比较容易。 ②具有起飞着陆时滑跑的稳定性。 ③飞行员座舱视界的要求较容易满足。 ④可使用较强烈的刹车，缩短滑跑距离。
远程无线通信系统第1章绪论 1.1 引言 1.2 课题研究背景 1.2.1 国内外研究现状 1.2.2 市场需求 1.3 研究内容和意义 1.3.1 研究内容 1.3.2 研究意义 1.4 本文结构 第2章无人机中继系统概述 2.1 无人机中继系统的总体结构 2.2 无人机的控制系统 2.3 无人机的实时图像传输系统 2.4 本章小结 第3章实时图像传输系统 3.1 摄像头 3.1.1 DSP控制芯片 3.1.2 图像传感器 3.1.3 镜头 3.3 摄像头的选择 3.4 图传频率 3.4.1 我国无线频率规划 3.4.2 无线图传频率选择 3.5 图传天线 3.5.1 天线的介绍 3.5.2 天线的选择 3.6 图传系统传输距离的估算 第4章动力系统 4.1 电机 4.2 舵机 4.2 电池 第5章GPS定位及飞机控制系统 5.1 GPS模块 5.2 飞控模块
第1章绪论 1.1引言 无人驾驶飞机简称“无人机”，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。机上无驾驶舱，但安装有自动驾驶仪、程序控制装置等设备。地面、舰艇上或母机遥控站人员通过雷达等设备，对其进行跟踪、定位、遥控、遥测和数字传输。可在无线电遥控下像普通飞机一样起飞或用助推火箭发射升空，也可由母机带到空中投放飞行。回收时，可用与普通飞机着陆过程一样的方式自动着陆，也可通过遥控用降落伞或拦网回收。可反覆使用多次。广泛用于空中侦察、监视、通信、反潜、电子干扰等。 本课题研究一套无人机中继系统，该系统是由目前市面上可购买到的不同模块组成。本课题研究的中继系统包括：摄像头模块、图像传输模块、动力模块、GPS定位模块及飞控模块；该无人机搭载此中继系统可实现手动遥控和飞机自主飞行两种飞行模式，飞机在飞行过程中，可以将机载摄像头所拍摄到的视频信息实时的传回地面控制台。具备此功能的无人机具有广阔的应用前景，不仅成本低还可以派到非常恶劣的环境中执行任务而不用担心人员损失。 1.2课题研究背景 随着控制技术的不断提高和智能控制理论的完善，在飞机中出现了一类不需要人驾驶就能够执行任务的飞机——无人机。无人机以其优越的性能，在现代高科技战争中发挥着独特的作用。无人飞机，顾名思义，就是不用驾驶员驾驶，而依靠嵌在飞机内的自动飞机驾驶仪器或地面无线电遥控飞行的飞机。无人机可以专门实际造型制作，也可以由普通飞机改造制成。无人飞机跟普通飞机一样，必须具备起落装置，机身、机翼、机载控制系统等，还因无人驾驶，必须配备自动驾驶仪、电子计算机、自动起落装置、程序控制装置等，因要求实现远距离控制，必须装有遥控接收机、电子摄像机等实时控制设备，相应的在遥控站设有机外遥控站、起飞装置和监测系统。 1.2.1 国内外研究现状 无人机出现在1917年，早期的无人驾驶飞行器的研制和应用主要用作靶机，应用范围主要是在军事上，后来逐渐用于作战、侦察及民用遥感飞行平台。20世纪80年代以来，随着计算机技术、通讯技术的迅速发展以及各种数字化、重量轻、体积小、探测精度高的新型传感器的不断面世，无人机的性能不断提高，应用范围和应用领域迅速拓展。世界范围内的各种用途、各种性能指标的无人机的类型已达数百种之多。续航时间从一小时延长到几十个小时，任务载荷从几公斤到几百公斤，这为长时间、大范围的遥感监测提供了保障，也为搭载多种传感器和执行多种任务创造了有利条件。 1.国内研究现状 我国无人机发展起步于上世纪50年代末。上世纪90年代以来，西北工业大学、北京航空航天大学和南京航空航天大学三所高校无人机事业蓬勃发展，并相继成立了无人机专门研究机构。迄今，上述三所高校已为国家研发了几十个型号上千架无人机。 2000年以来，中航工业集团、航天科工集团、航天科技集团、电子科技集团公司下属一些院所也开始无人机研制，加快了我国无人机的发展步伐。据不完全统计，国内从事无人机的单位超过300家，从事无人机总体（提供无人机系统）的单位超过40家。据了解，目前绝大部分还只是停留在研制、生产阶段，更多的是满足特定的个别用户的定制应用服务
11 航天飞行器模型设计 1教学目标 知识与能力：了解航天飞行器的历史、作用、结构和造型要素。 过程与方法：自主、探究，掌握设计、制作航天飞行器模型的基本方法。 情感态度与价值观：培养学生的环保意识和对人类发展前景的关注、探索宇宙的勇气、热爱航天事业的情怀。 2学情分析 我校作为航天航空科普教育特色学校，又是中国航空之父冯如的故乡，学校非常重视科技，经常举行航模科技活动，所以学生对航天飞行器模型相当感兴趣，特别是男生兴趣更大，女生虽然没有男生兴趣强烈，可以从外观、色彩、装饰等方面多进行启发引导鼓励学生不拘原型，发挥个性，大胆创新。 3重点难点 重点：设计制作航天飞行模型的方法。 难点：怎样激发学生的创新精神和技术意识。 4教学过程 活动1【导入】航天梦想 1、看图片，猜一猜： 多媒体观看冯如与他研制的飞机的图片，激发学生的民族自豪感，并引出本课的课题。 2、通过“全球疯狂科学家十大早期飞行器设计”，了解人类的飞行的梦想和早期飞行工具。 活动2【讲授】航天创举 介绍我国重大航天创举，如“神舟”系列太空飞船等的意义和启示。 活动3【活动】学生活动 学生展示介绍自己在课前搜集的飞行器或航天飞机的图文资料，学习航天飞机的相关知识。 活动4【讲授】知识介绍 （1）航天器又称空间飞行器、太空飞行器。按照天体力学的规律在太空运行，执行探索、开发、利用太空和天体等特定任务的各类飞行器。世界上第一个航
天器是苏联1957年10月 4日发射的“人造地球卫星1号”，第一个载人航天器是苏联航天员加林乘坐的东方号飞船 （2）航天飞机是火箭、航天器、飞机三位一体的科学组合，是一种有翼、可重复使用的航天器，由辅助的运载的火箭发射脱离大气层。本节课的航天飞行器：主要介绍载人飞行器，包括航天飞机和航天飞船。 （3）航天飞机的结构和基本原理。 活动5【讲授】图片欣赏 欣赏现在的航天飞行器，以及未来的飞行梦想和飞行工具，认识航天科技的发展和进步，感受科技的重要性。 活动6【活动】学生活动 请学生写出制作航天飞机模型的材料和工具，看谁写得多，并评价激励。。 活动7【活动】实例示范 用幻灯片播放航模手工制作的步骤，通过实例介绍方法启发的创作思路。 活动8【讲授】启发创作 欣赏各种具有启发性的手工制作的飞行器的图片、模型或科幻作品 活动9【作业】实践活动 设计并画出一幅或一组航天器、航天飞机，或用废弃物品制作一件航天飞机模型。
《飞行器总体设计》教学大纲 学时数：64学时讲授 授课对象：飞行器设计工程专业大学本科 前期课程：理论力学、材料力学、结构力学、自动控制原理、空气动力学与 飞行性能计算 一、课程地位：本课程是飞行器设计工程专业必修的专业主干课，是一门综 合性、实践性很强的课程。它要求学生在学习本课程中总体设计知识的同时，紧 密结合前期课程中的基础理论，学习和掌握飞机总体设计的一般思路、原理和方法。促进学生把理论和知识、技能转化为飞机总体设计能力的结合点，是培养学 生分析工程实际问题和工程设计能力的重要环节。 二、课程任务：教授现代飞机总体的现代设计原理、综合设计思想理念和设 计技术；培养学生在综合运用广泛理论的基础上对工程实际问题的分析能力、分 析评价方法和设计能力，以及接受和适应深层次设计技术发展的能力；锻炼、培 养学生辩证逻辑思维、创造性思维和系统工程思维。 课程要求：在设计原理、概念、方法等基础方面强调系统全面、深刻精炼、 科学逻辑的有机结合，要使学生能真正掌握和运用；强调理论与实际的有机结合； 强调理论知识综合运用能力的培养，加强主动式教学，启发学生主观能动性，利 用现代技术的高信息含量使学生更多了解国内外飞机总体设计技术和前沿学科 的发展；最终使学生基本掌握现代飞机总体设计的先进设计思想、设计理论和设 计技术，着力于工程设计能力的培养。 三、课程内容： 第一章绪言（2） 1、理解“飞机总体设计”的基本含义，本课程的特点，以及学习本课程的 目的与任务。 2、初步建立如飞机设计阶段、特点等基本概念。 第二章设计的依据与参数选择（8） 1、了解飞机的设计要求 2、了解飞机的设计规范 3、熟悉飞机的总体技术指标 4、掌握飞机总体设计的参数选择
实验报告 课程名称：《机械原理课内实验》 学生姓名：徐学腾 学生学号：1416010122 所在学院：海洋信息工程学院 专业：机械设计制造及其自动化 报导教师：宫文峰 2016年6 月26 日
实验一四旋翼飞行器实验 一、实验目的 1.通过对四旋翼无人机结构的分析，了解四旋翼无人机的基本结构、工作的原理和传动控制系统； 2. 练习采用手机控制终端来控制无人机飞行，并了解无人机飞行大赛的相关内容，及程序开发变为智能飞行无人机。 二、实验设备和工具 1. Parrot公司AR.Drone 2.0四旋翼飞行器一架； 2. 苹果手机一部； 3. 蓝牙数据传输设备一套。 4. 自备铅笔、橡皮、草稿纸。 三、实验内容 1、了解四旋翼无人机的基本结构； 2、了解四旋翼无人机的传动控制路线； 3、掌握四旋翼无人机的飞行控制的基本操作； 4、了解四旋翼无人机翻转动作的机理； 5、能根据指令控制无人机完成特定操作。 四、实验步骤 1、学生自行用IPHONE手机下载并安装AR.FreeFlight四旋翼飞行器控制软件。 2、检查飞行器结构是否完好无损； 3、安装电沲并装好安全罩； 4、连接WIFI，打开手机AR.FreeFlight软件，进入控制界面； 5、软件启动，设备连通，即可飞行。 6、启动和停止由TAKE OFF 控制。 五、注意事项 1.飞行器在同一时间只能由一部手机终端进行控制； 2. 飞行之前，要检查螺旋浆处是否有障碍物干涉； 3. 飞行之后禁止用手去接飞行器，以免螺旋浆损伤手部； 4. 电量不足时，不可强制启动飞行； 5. 翻转特技飞行时，要注意飞行器距地面高度大于4米以上； 6. 飞行器不得触水； 7. 飞行器最大续航时间10分钟。
1、互补滤波算法 互补滤波器作为一种频域滤波器，常用于融合来自不同传感器测量得到的数据。一般地，互补滤波器包含至少两种频率特性互补的输入信号。例如，对于陀螺仪和加速度计解算姿态这一双输入系统，两个输入量都能分别对姿态角进行解算，其中加速度计输入量包含高频，应通过低通滤波器来滤除；陀螺仪则包含低频噪声（积分漂移），应采用高频滤波器滤队。两者的频率特性互补，可用互补滤波思想进行姿态解算，最终输出较准确信号。 2、四元数表示姿态角 运用互补滤波与卡尔曼滤波思想进行姿态整合的过程归根结底都是利用加速度计解算出的姿态角去修正陀螺仪积分的漂移误差. 这两种方法在姿态融合过程中姿态角的表示形式都是欧拉角表示.但是用欧拉角进行姿态解算在大角度计算时会出现万向节锁(角度为90度时加速度计进行姿态解算的反三解函数无解),为了避免该问题,可采用四元数来解算姿态. 四元数的优点： ·四元数不会存在欧拉角的万向节死锁的问题 ·四元数由4个数组成2个四元数之间更容易插值 ·对四元数规范化正交化计算更加容易 3、MPU6050 DMP内部四元数解算功能 运动控制传感器MPU6050提供了DMP内部四元数解算功能，可以直接输出四元数数据。它除了提供三轴陀螺仪和三轴加速度计传感器的16位ADC信号采集功能之外，还集成了数字低通滤波器和数字运动处理DMP，可以直接输出经低通滤波处理和四元数姿态解算后的四元数数据。将该四元数转换为欧拉角，可以得到准确的俯仰角和橫滚角。 4、PID 控制
由自动控制原理可知，采用角速度反馈闭环控制可有效增加系统稳定性，因此，在进行状态角控制之前需设计姿态角速度增稳内环控制。同时，系统最终控制量为空间位置，因此需要增加外环位置控制。由此得到四轴飞行器俯仰角方向整体控制结构： 4.1、PID 控制 比例控制指的是使用一个比例系数对输入量与期望量的差进行放大或缩小。不过单纯的比例控制会产生静态误差（误差不会收敛于0），所以这时要加入积分控制，对误差进行积分再乘以积分系数，误差累计越大积分控制的比重越大。其优点是可以消除静态误差；其缺点是不稳定，会使系统产生振荡。微分控制是预测系统的变化趋势。当输入的数据缓慢变化时微分项不起作用，当产生一个阶跃响应瞬间发生变化时，微分项发挥作用，做“超前控制”。 4.2串级PID 当将两个PID串联起来,用第一个PID的输出量作为第二个PID的输入量,第一个PID的期望量为期望达到的角度,第二个PID的期望量为此时该轴的角速度,角度环为1级PID为外环,角速度环为2级PID为内环 串级PID较单级PID的优点是,作为内环的角速度由陀螺仪采集数据输出,采集值一般不存在受外界影响的情况,抗干扰能力强,并且角速度变化灵敏,当受外界干扰时,回复迅速,这样使四轴在飞行时抗干扰能力强,飞行更稳定. 4.3PID调试过程详解--P64