无人机概述及系统组成

无人机基本结构组成无人机（Unmanned Aerial Vehicle，简称UAV）是一种无需人员操控的飞行器，具有自主飞行能力，广泛应用于军事、民用和商业等领域。

无人机的基本结构组成包括机身、机翼、动力系统、导航系统、通信系统以及载荷系统等。

一、机身机身是无人机的主要组成部分，也是其他组件的连接和支撑结构。

机身一般采用轻质材料，如碳纤维复合材料，以提高飞行器的强度和轻量化。

机身的形状和结构设计取决于无人机的用途和飞行特性，如固定翼无人机的机身一般呈翼身一体式设计，而多旋翼无人机的机身则呈多臂结构。

二、机翼机翼是无人机的升力产生部分，负责提供飞行所需的升力和操纵性。

根据无人机的用途和飞行特性，机翼可以呈现不同的形状，如固定翼无人机常见的翼型有平直翼、后掠翼等，而多旋翼无人机则没有明显的机翼结构，其升力主要由旋翼产生。

三、动力系统无人机的动力系统通常包括发动机或电动机、推进器和燃料或电池等。

发动机或电动机提供动力，推进器产生推力，燃料或电池提供能源。

根据无人机的用途和设计要求，动力系统可以是内燃机、涡轮发动机、电动机等不同类型。

在电动机方面，随着电池技术的发展，无人机的续航能力得到了大幅提升。

四、导航系统导航系统是无人机的核心部分，用于实现飞行器的自主导航、定位和避障等功能。

导航系统一般包括惯性导航系统（Inertial Navigation System，简称INS）、全球定位系统（Global Positioning System，简称GPS）和激光雷达等。

INS通过加速度计和陀螺仪等传感器测量飞行器的加速度和角速度，从而计算出位置和姿态信息。

GPS用于提供全球定位和时间信号，以实现无人机的精确定位和导航。

激光雷达则常用于环境感知和障碍物检测，以确保无人机在飞行过程中的安全性。

五、通信系统通信系统是无人机与地面控制站之间进行信息交换和指令传输的重要组成部分。

通信系统一般包括数据链和无线电通信设备等。

无人机的结构及原理
无人机的结构一般由机身、发动机、控制系统、传感器、螺旋桨等组成。

机身：无人机的机身是由轻量化的铝合金、碳纤维或其他材料制成，具有良好的稳定性和抗风性，可以承受不同类型的气流和外界环境的压力。

发动机：无人机的发动机一般是电动机，可以提供足够的动力，使无人机可以正常飞行。

控制系统：无人机的控制系统一般是由GPS、IMU传感器、电子罗盘和摄像头组成，可以提供实时的定位、姿态和路径信息，以及实时的视觉信息，使无人机可以自主飞行。

传感器：无人机的传感器一般是GPS、IMU、电子罗盘和摄像头，可以提供实时的定位、姿态和路径信息，以及实时的视觉信息，使无人机可以自主飞行。

螺旋桨：无人机的螺旋桨一般是由多个叶片组成，可以提供足够的推力，使无人机可以正常飞行。

无人机电器系统的组成嘿，朋友们！今天咱来聊聊无人机电器系统的组成，这可真是个有趣又重要的事儿呢！你想想看，无人机就像是一个在空中自由翱翔的小精灵，而电器系统就是它的魔法力量源泉呀！那这魔法力量都包含啥呢？首先得有电池呀，这就好比是小精灵的能量宝库。

没有电池提供动力，无人机那不就成了一只折了翅膀的小鸟啦？电池的好坏可直接影响着无人机能飞多久、飞多远呢。

要是电池不给力，飞着飞着没电了，那可就糟糕咯，难道让它直接从天上掉下来呀！然后呢，就是电调啦。

电调就像是小精灵的指挥官，指挥着电流的流向和大小，让各个部件都能协调有序地工作。

要是没有电调这个厉害的指挥官，那还不得乱套呀！还有电机呀，这可是让无人机飞起来的关键家伙。

电机就像是小精灵的翅膀，带着它在天空中自由自在地飞舞。

电机的功率大小决定了无人机能有多大力气，能不能带着那些重重的设备飞起来。

再来说说飞控系统吧，这可是无人机的大脑啊！它就像一个超级聪明的军师，掌控着无人机的一举一动。

从起飞到降落，从飞行姿态到航线规划，全靠它来指挥调度呢。

没有这个厉害的大脑，无人机恐怕就会像无头苍蝇一样乱撞啦。

另外呀，还有各种传感器呢，比如陀螺仪、加速度计啥的。

它们就像是小精灵的眼睛和耳朵，能感知周围的环境，让无人机知道自己在什么位置，该往哪儿飞。

这可太重要啦，要是没有它们，无人机说不定就会撞到什么东西上去呢。

你说这无人机电器系统是不是很神奇呀？就像一个小小的宇宙，里面有着各种各样的奥秘等待我们去探索。

咱要是能把这些都搞明白了，那玩起无人机来可就得心应手啦！你看啊，就像我们人一样，身体的各个部位都要协调工作，才能健康地生活。

无人机也是一样，电器系统的这些部件都得好好配合，才能让它在空中自由翱翔。

所以呀，我们可得好好爱护我们的无人机，定期检查这些部件，确保它们都能正常工作。

总之呢，无人机电器系统的组成可真是丰富多彩呀！它让无人机变得如此神奇和有趣。

我们要好好去了解它，掌握它，让我们的无人机在天空中绽放出最绚丽的光彩！怎么样，是不是对无人机电器系统有了更深的认识啦？。

简述无人机控制系统组成和工作原理
无人机控制系统由以下几个部分组成：
1. 遥控器：用于向无人机发送指令，包括飞行方向、速度、高度等参数。

2. 飞控系统：负责接收遥控器指令，并控制无人机的飞行姿态、高度、速度等参数。

3. 传感器系统：包括陀螺仪、加速度计、磁力计、气压计等，用于感知无人机的姿态、高度、速度等状态。

4. 电机系统：包括电机、电调、螺旋桨等，用于控制无人机的飞行。

无人机控制系统的工作原理如下：
1. 遥控器向无人机发送指令，包括飞行方向、速度、高度等参数。

2. 飞控系统接收遥控器指令，并根据传感器系统提供的姿态、高度、速度等状态信息，计算出无人机的飞行控制指令。

3. 飞控系统将计算出的飞行控制指令发送给电机系统，控制无人机的飞行姿态、高度、速度等参数。

4. 电机系统接收飞行控制指令，控制电机转速和螺旋桨旋转方向，从而实现无人机的飞行。

同时，电机系统还会不断向飞控系统发送传感器数据，以便飞控系统进行实时控制和调整。

无人机系统组成为读者介绍各个系统的功能，要记住所有分系统都不是孤立的，而是构成全系统的一部分。

控制站控制站通常是地面的，或舰载的，也可能是机载的位于母机上，控制站是飞行操控中心，实现人机交互，一般是无人机任务预规划中心。

如果是这样，该站成为任务规划与控制站。

有时也有这种情况，任务规划在指挥中心完成，然后将数据传输给控制站进行执行，这种应用方式通常比较少。

通过控制站，控制人员利用上行通信链路给飞机发送指令，控制飞机飞行、操控所携带的各个任务载荷。

同样。

通过下行通信链路，飞机回传信息和图像到达操控人员面前。

信息包括载荷数据、机上各个分系统的状态信息（监测数据）、位置信息等，飞机的发射与回收可通过主控制站或基于卫星的控制站（辅助的）完成。

控制站经常集成有与外界联系的通信系统，主要完成获取天气信息、各个系统间的网络信息传输，接收上级下达的任务，给上级或其他部门回报信息等。

任务载荷任务载荷的类型和性能是由所完成的任务决定的，包括：（1）简单的载荷子系统由固定焦距无稳定平台的摄像机构成。

（2）视频成像系统具有较强的功能，其焦距较长，具有局部放大能力。

可摇摆倾斜、带有陀螺仪稳定的转台。

（3）高功率雷达，包括供电单元。

一些功能更强的无人机在一个任务载荷单元中或多个任务载荷单元，可携带多个不同类型的载荷，通过对于来自不同传感器数据的处理和融合，提高信息获取能力，或者得到单从一传感器不能获得的信息。

无人飞机飞机的主要功能是承载任务载荷到达工作地点，同时也搭载飞机飞行所需的子系。

这些子系统包括通信链路、增稳与控制设备、发动机以及燃油、发供电设备，飞机机体，还有用于发射、任务载荷、回收等装置。

飞机结构设计还需考虑的主要因素是作用距离、飞行速度、续航时间，这些性能是根据任务需求提出的。

续航时间和飞行距离要求将决定燃油携带量。

高性能低油耗的要求将对动力系统的效率，飞机动力学结构优化等提出要求。

飞行速度要求从根本上决定了采用哪种飞机的类型，包括轻于空气的飞行器，重于空气的固定翼、工作在高空的飞机，旋翼机，可变形机。

无人机电源系统的组成无人机（Unmanned Aerial Vehicle，简称UAV）是指没有人操控的飞行器，它具有自主飞行、遥控飞行以及半自主飞行的能力。

而无人机电源系统则是无人机能够正常运行的关键组成部分。

无人机电源系统一般由电源装置、电源管理系统和配电系统三部分组成。

一、电源装置电源装置是无人机电源系统的核心部分，它主要负责为无人机提供动力。

目前，常用的无人机电源装置主要有燃油动力、电池动力和太阳能动力三种。

1.燃油动力：燃油动力是传统无人机的主要动力来源，常用的燃油包括汽油、柴油和液化石油气等。

这种动力系统具有能量密度高、续航能力强的优点，适用于长时间飞行任务。

然而，燃油动力也存在噪音大、尾气污染等问题。

2.电池动力：电池动力是目前无人机中使用最广泛的动力来源。

常见的电池包括锂电池、聚合物锂电池和镍氢电池等。

电池动力具有零排放、低噪音的特点，适用于短时间飞行任务。

然而，电池容量有限，续航能力相对较弱。

3.太阳能动力：太阳能动力是一种新兴的无人机电源装置，通过太阳能电池板将太阳能转化为电能供无人机使用。

太阳能动力具有无排放、绿色环保的特点，适用于长时间飞行任务。

然而，太阳能动力受到天气条件的限制，充电效率较低。

二、电源管理系统电源管理系统是为了保证无人机电源系统的稳定和可靠运行而设计的。

它主要包括电源选择器、电源控制器和电池管理系统三部分。

1.电源选择器：电源选择器用于在多个电源之间进行切换，以保证无人机在电源故障时能够继续工作。

电源选择器一般会根据电池电量和电源负载情况进行动态切换，确保无人机的持续供电。

2.电源控制器：电源控制器用于监测和控制无人机电源系统的工作状态。

它可以实时监测电池电量、电流和电压等参数，并根据需要进行调节，以保证无人机电源系统的稳定性和安全性。

3.电池管理系统：电池管理系统主要用于对电池进行充放电控制和状态监测。

它可以根据电池的实时状态进行充电和放电控制，延长电池的使用寿命，并提供电池电量和温度等信息，以便于用户对电池进行管理和维护。

第1章无人机概述1.1 无人机概述1.1.1 无人机驾驶航空器无人驾驶航空器（UA： Unmanned Aircraft），是一架由遥控站管理（包括远程操纵或自主飞行）的航空器，也称遥控驾驶航空器（RPA：Remotely Piloted Aircraft），以下简称无人机。

如下图所示：第一幅是纸飞机；第二幅是我们儿童手推的那种玩具飞机；第三幅是DIY的一种小飞机；第四幅虽然很像战斗机，但是它也是纸折的。

不管它们有多么像无人的飞机，但如果没有遥控站管理、不能自主飞行，那么它都不叫无人机。

1.1.2 无人机系统无人机系统（UAS ： Unmanned Aircraft System ），也称无人驾驶航空器系统（RPAS ： Remotely Piloted Aircraft Systems ），是指一架无人机、相关的遥控站、所需的指令与控制数据链路以及批准的型号设计规定的任何其他部件组成的系统。

如下图所示：图1是鹰眼科技的航空箱；图2是地面站；图3是遥控器；图4、图5是无人机系统的主体——无人机。

一般情况下，通过在无人机下方挂载任务设备，来决定无人机的用途。

1.1.3 无人机驾驶员和机长1、定义：驾驶员：又叫视距内驾驶员，即无人机驾驶员与无人机保持直接目视视觉接触的操作方式，航空器处于驾驶员目视视距内半径500米，相对高度低于120米的区域内。

机长：又叫超视距驾驶员，除视距内还可通过操作地面站进行对无人机在目视视距以外的运行。

图1图2图3图5图42、作业方式驾驶员：需要在机长的陪同下作业；机长：可以单独作业。

在系统运行时间内负责整个无人机系统运行和安全。

1.1.4 无人机的分类无人机可按飞行平台构型、用途、尺度、活动半径、任务高度等方法进行分类：1、按平台构型无人机可分为：固定翼、旋翼、无人飞艇、伞翼、扑翼无人机等。

(1)固定翼无人机：机翼是固定不动的 [民航客机、战斗机等](2)旋翼无人机：第一类，直升机（单旋翼）第二类，四旋翼、六旋翼、八旋翼无人机（多旋翼）2、无人机也可以按用途分类：军用、民用(1) 军用无人机：侦查无人机、诱饵无人机、电子对抗无人机、通信中继无人机、无人战斗机以及靶机等。

无人机的基本结构无人机（Unmanned Aerial Vehicle，简称UAV）是一种没有人操控的飞行器。

它由多个组件组成，包括机身、动力系统、控制系统、传感器和载荷等。

这些组件共同构成了无人机的基本结构。

1. 机身：无人机的机身是承载其它组件的主要部分。

一般来说，机身由轻质材料制成，如碳纤维复合材料，以确保无人机的轻量化和高强度。

机身的设计也会考虑到空气动力学原理，以提供良好的飞行性能。

2. 动力系统：无人机的动力系统提供了必要的推力，使其能够在空中飞行。

目前常见的动力系统有电动和燃油动力两种。

电动动力系统通常使用电池供电，通过驱动螺旋桨产生推力。

燃油动力系统则使用内燃机驱动螺旋桨或喷气发动机产生推力。

3. 控制系统：无人机的控制系统负责控制其飞行姿态和航向。

一般来说，控制系统包括飞行控制器、惯性测量单元（IMU）和飞行操纵系统。

飞行控制器是无人机的大脑，通过接收传感器数据来判断飞行状态，并发送指令控制飞行。

IMU则提供了关于无人机姿态和加速度的数据。

飞行操纵系统则负责控制螺旋桨或喷气发动机的转速，以调整飞行姿态。

4. 传感器：无人机的传感器用于感知周围环境和获取相关数据。

常见的传感器包括摄像头、红外线传感器、雷达和气象传感器等。

摄像头可用于拍摄照片和视频，并提供视觉定位功能。

红外线传感器则可以检测和跟踪热源。

雷达可以用于远程探测和跟踪目标。

气象传感器则用于获取气象数据，以帮助飞行控制系统做出更准确的决策。

5. 载荷：无人机的载荷是指其携带的各种设备和物品。

根据不同的应用需求，载荷可以包括相机、传输设备、传感器、货物等。

相机是最常见的载荷之一，用于航空摄影、监测和侦察等任务。

传输设备可用于数据传输和通信。

传感器载荷可以用于特定的科学研究和环境监测。

货物载荷则用于物流和运输任务。

无人机的基本结构包括机身、动力系统、控制系统、传感器和载荷等组件。

这些组件相互配合，使无人机能够实现自主飞行和执行各种任务。

第1章无人机结构与系统㊀㊀无人机结构与系统分为结构和系统两个方面,其中无人机结构主要是指无人机的硬件结构,无人机系统主要是指无人机动力系统㊁控制站㊁飞行控制系统㊁通信导航系统㊁任务载荷系统和发射回收系统等㊂1.1　无人机概述㊀㊀18世纪后期,热气球在欧洲升空,迈出了人类翱翔天空的第一步㊂20世纪初期,美国莱特兄弟的 飞行者 号飞机试飞成功,开创了现代航空的新篇章㊂20世纪40年代初期第二次世界大战时,德国成功发射大型液体火箭V-2,把航天理论变成现实㊂1961年,苏联航天员加加林乘坐 东方1号 宇宙飞船在最大高度为301k m的轨道上绕地球一周,揭开了人类载人航天器进入太空的新篇章㊂无人机的起源可以追溯到第一次世界大战,1914年英国的两位将军提出了研制一种使用无线电操纵的小型无人驾驶飞机用来空投炸弹的建议,得到认可并开始研制㊂1915年10月,德国西门子公司成功研制了采用伺服控制装置和指令制导的滑翔炸弹㊂1916年9月12日,第一架无线电操纵的无人驾驶飞机在美国试飞㊂1917 1918年,英国与德国先后研制成功无人遥控飞机㊂这些被公认为是遥控无人机的先驱㊂随后,无人机被逐步应用于靶机㊁侦察㊁情报收集㊁跟踪㊁通信和诱饵等军事任务中,新时代的军用无人机很大程度上改变了军事战争和军事调动的原始形式㊂与军用无人机的百年历史相比,民用无人机技术要求低㊁更注重经济性㊂军用无人机技术的民用化降低了民用无人机市场进入门槛和研发成本,使得民用无人机得以快速发展㊂目前,民用无人机已广泛应用于航拍㊁航测㊁农林植保㊁巡线巡检㊁防灾减灾㊁地质勘测㊁灾害监测和气象探测等领域㊂未来,无人机将在智能化㊁微型化㊁长航时㊁超高速㊁隐身性等方向上发展,无人机的市场空间和应用前景非常广阔㊂中国民用航空局飞行标准司在2016年7月11日颁布的‘民用无人机驾驶员管理规定“(A C-61-F S-2016-20-R1),其对无人机及相关概念作了定义㊂无人机组装与调试2㊀无人机(U n m a n n e dA e r i a l,U A)是指由控制站管理(包括远程操纵或自主飞行)的航空器,也称远程驾驶航空器(R e m o t e l y P i l o t e dA i r c r a f t,R P A)㊂无人机系统(U n m a n n e dA e r i a l S y s t e m s,U A S)是指由无人机㊁相关的控制站㊁所需的指令与控制数据链路以及批准的型号设计规定的任何其他部件组成的系统,也称远程驾驶航空器系统(R e m o t e l y P i l o t e dA i r c r a f t S y s t e m s,R P A S)㊂一种典型的无人机系统如图1-1所示㊂图1-1㊀一种典型的无人机系统无人机系统驾驶员是指由运营人指派㊁对无人机的运行负有必不可少职责㊁并在飞行期间适时操纵无人机的人㊂控制站也称遥控站㊁地面站,是无人机系统的组成部分,包括用于操纵无人机的设备㊂指令与控制数据链路(C o m m a n d a n dC o n t r o lD a t aL i n k,C2)是指无人机和控制站之间以飞行管理为目的的数据链接㊂1.无人机的优势㊀㊀与有人机相比,无人机具有以下优势㊂(1)机上没有驾驶员,无须配备生命保障系统,简化了系统㊁减轻了重量㊁降低了成本㊂(2)机上没有驾驶员,执行危险任务时不会危及飞行员安全,更适合执行危险性高的任务㊂(3)机上没有驾驶员,可以适应更激烈的机动飞行和更加恶劣的飞行环境,留空时间也不会受到人所固有的生理限制㊂(4)无人机在制造㊁使用和维护方面的技术门槛与成本相对更低㊂制造方面:放宽了冗余性和可靠性指标,放宽了机身材料㊁过载㊁耐久等要求㊂使用方面:使用相对简单,训练更易上手,且可用模拟器代替真机进行训练,节省了真机的实际使用寿命㊂维护方面:维护相对简单,维护成本低㊂(5)无人机对环境要求较低,包括起降环境㊁飞行环境和地面保障等㊂(6)无人机相对重量轻㊁体积小㊁结构简单,应用领域广泛㊂2.无人机的局限性与有人机相比,无人机具有以下局限性㊂第1章　无人机结构与系统3㊀(1)无人机上没有驾驶员和机组人员,对导航系统和通信系统的依赖性更高㊂(2)无人机放宽了冗余性和可靠性指标,降低了飞行安全㊂当发生机械故障或电子故障时,无人机及机载设备可能会产生致命损伤㊂(3)无人机的续航时间相对较短,尤其是电动无人机㊂(4)无人机遥控器㊁地面站㊁图传㊁数传电台等设备的通信频率和地面障碍物等,限制了无人机系统的通信传输距离,限制了无人机的飞行范围㊂,决定了无人机的抗风㊁抗雨能力有限㊂目前,无人机的用途广泛,种类繁多,型号各异,各具特点㊂按应用领域的不同,无人机可分为军用无人机㊁民用无人机和科研无人机㊂按飞行航程的不同,无人机可分为超近程无人机㊁近程无人机㊁短程无人机㊁中程无人机和远程无人机,具体分类如表1-1所示㊂表1-1㊀无人机的分类(按飞行航程分)无人机的分类无人机的飞行航程/k m超近程无人机<15近程无人机15~50短程无人机50~200中程无人机200~800远程无人机>800按飞行高度的不同,无人机可分为超低空无人机㊁低空无人机㊁中空无人机㊁高空无人机和超高空无人机,具体分类如表1-2所示㊂表1-2㊀无人机的分类(按飞行高度分)无人机的分类无人机的飞行高度/m超低空无人机0~100低空无人机100~1000中空无人机1000~7000高空无人机7000~18000超高空无人机>18000按中国民用航空局飞行标准司2016年发布的咨询通告‘民用无人机驾驶员管理规定“(A C-61-F S-2016-20-R1),无人机可分为9类,具体分类如表1-3所示㊂表1-3㊀无人机的分类(按民航法规分)无人机的分类空机重量/k g起飞重量/k gⅠ0<空机重量/起飞重量ɤ1.5Ⅱ1.5<空机重量ɤ41.5<起飞重量ɤ7Ⅲ4<空机重量ɤ157<起飞重量ɤ25Ⅳ15<空机重量ɤ11625<起飞重量ɤ1504㊀无人机组装与调试续表无人机的分类空机重量/k g 起飞重量/k g Ⅴ植保类无人机Ⅵ无人飞艇Ⅶ超视距运行的Ⅰ㊁Ⅱ类无人机Ⅷ116<空机重量ɤ5700150<起飞重量ɤ5700Ⅸ空机重量/起飞重量>5700按国务院㊁中央军委空中交通管制委员会(以下简称国家空管委)组织起草并于2018年年初面向社会公开征求意见的‘无人驾驶航空器飞行管理暂行条例(征求意见稿)“规定,根据运行风险大小,民用无人机可分为微型无人机㊁轻型无人机㊁小型无人机㊁中型无人机和大型无人机,具体分类如表1-4所示㊂表1-4㊀无人机的分类(按运行风险大小分)无人机的分类无人机的运行风险大小微型无人机空机重量小于0.25k g ,设计性能同时满足飞行真高不超过50m ㊁最大飞行速度不超过40k m /h ㊁无线电发射设备符合微功率短距离无线电发射设备技术要求的无人机轻型无人机同时满足空机重量不超过4k g ㊁最大起飞重量不超过7k g ㊁最大飞行速度不超过100k m /h ,具备符合空域管理要求的空域保持能力和可靠被监视能力的无人机(不包括微型无人机)小型无人机空机重量不超过15k g ,或最大起飞重量不超过25k g 的无人机(不包括微型无人机㊁轻型无人机)中型无人机最大起飞重量超过25k g 不超过150k g ,且空机重量超过15k g 的无人机大型无人机最大起飞重量超过150k g 的无人机按飞行平台构型的不同,无人机可分为固定翼无人机㊁无人直升机㊁多旋翼无人机㊁伞翼无人机㊁扑翼无人机㊁无人飞艇和混合式无人机等㊂1.固定翼无人机图1-2㊀固定翼无人机固定翼无人机是指由动力装置产生前进的推力或拉力,由机身固定的机翼产生升力,在大气层内飞行的重于空气的无人机㊂一种典型的固定翼无人机如图1-2所示㊂其特点:载荷大㊁续航时间长㊁航程远㊁飞行速度快㊁飞行高度高,但起降受场地限制㊁无法悬停㊂2.无人直升机无人直升机是指依靠动力系统驱动一个或多个旋翼产生升力和推进力,实现垂直起落及悬停㊁前飞㊁后飞㊁定点回转等可控飞行的无人机㊂一种典型的无人直升机如图1-3所示㊂按旋翼数量和布局方式的不同,无人直升机可分为单旋翼带尾桨无人直升机㊁共轴式双旋翼无人直升机㊁纵列式双旋翼无人直升机㊁横列式双旋翼无人直升机和带翼式无人直升机等不同类型㊂第1章　无人机结构与系统5㊀图1-3㊀无人直升机其特点:可垂直起降㊁可悬停㊁操作灵活㊁可任意方向飞行,但结构复杂㊁故障率较高㊂与固定翼无人机相比,飞行速度低㊁油耗高㊁载荷小㊁航程短㊁续航时间短㊂3.多旋翼无人机多旋翼无人机是指具有3个及以上旋翼轴提供升力和推进力的可垂直起降的无人机㊂一种典型的多旋翼无人机如图1-4所示㊂图1-4㊀多旋翼无人机与无人直升机通过自动倾斜器㊁变距舵机和拉杆组件来实现桨叶的周期变距不同,多旋翼无人机的旋翼总距是固定不变的,通过调整不同旋翼的转速来改变单轴推进力的大小,从而改变无人机的飞行姿态㊂其特点:结构简单㊁价格低廉㊁操作灵活㊁可向任意方向飞行,但有效载荷较小㊁续航时间较短㊂无人机结构主要是指无人机的硬件结构㊂如前所述,无人机按飞行平台构型的不同可分为固定翼无人机㊁无人直升机㊁多旋翼无人机㊁伞翼无人机㊁扑翼无人机和无人飞艇等㊂无人机系统主要是指无人机动力系统㊁控制站㊁飞行控制系统㊁通信导航系统㊁任务载荷系统和发射回收系统等㊂(1)动力系统:用以提供无人机飞行所需要的动力,使无人机能够安全进行各项飞行活动㊂(2)控制站:用以监测和控制无人机的飞行全过程㊁全部载荷㊁通信链路等,并能检测故障及时报警,再采取相应的诊断处理措施㊂6㊀无人机组装与调试(3)飞行控制系统:用以作为无人机系统的 大脑 部分,对无人机姿态稳定和控制㊁无人机任务设备管理和应急控制等都有重要影响,对其飞行性能起决定性的作用㊂(4)通信导航系统:用以保证遥控指令能够准确传输,以及无人机能够及时㊁可靠㊁准确地接收㊁发送信息,以保证信息反馈的可靠性㊁精确度㊁实时性及有效性㊂(5)任务载荷系统:用以实现无人机飞行要完成的特定任务㊂(6)发射回收系统:用以保证无人机顺利升空以达到安全的高度和速度飞行,并在执行完任务后从天空安全回落到地面㊂1.2　无人机的基本结构本书主要介绍固定翼无人机㊁无人直升机和多旋翼无人机3种机型的组装和调试,后续相关章节对这3种机型的基本结构做了较为详尽的介绍,所以本节在此仅对此3种机型做简单介绍㊂固定翼无人机一般由机翼㊁机身㊁尾翼㊁起落装置和动力装置5个部分组成㊂(1)机翼主要由翼梁㊁纵墙㊁桁条㊁翼肋和蒙皮等组成,主要功能是产生飞行所需要的升力㊂(2)机身主要由纵向骨架桁梁和桁条㊁横向骨架普通隔框和加强隔框㊁蒙皮等组成,主要功能是装载燃料和设备,并将机翼㊁尾翼㊁起落装置等连成一个整体㊂(3)尾翼主要由水平尾翼和垂直尾翼两部分组成,主要功能是稳定和操纵无人机的俯仰与偏转㊂(4)起落装置主要由支柱㊁减振器㊁机轮和收放机构等组成,主要功能是支撑无人机的起飞㊁着陆滑跑㊁滑行和停放等㊂(5)动力装置包括油动和电动两种,其中油动动力装置主要由螺旋桨㊁发动机㊁舵机和辅助系统等组成,电动动力装置主要由电池㊁电调㊁电动机和螺旋桨等组成㊂动力装置的主要功能是产生拉力(螺旋桨式)或推力(喷气式),使无人机产生相对空气的运动㊂无人直升机一般由机身㊁主旋翼㊁尾桨㊁操纵系统㊁传动系统㊁电动机或发动机㊁起落架等组成㊂(1)无人直升机机身与固定翼无人机机身结构和功能类似,主要功能是装载燃料㊁货物和设备等,同时作为无人直升机安装基础将各部分连成一个整体㊂机身是直接承受和产生空气动力的部件,还具有承载和传力的作用,承受各种装载的载荷和各类动载荷㊂(2)主旋翼主要由桨叶和桨毂组成,主要功能是将旋转动能转换成旋翼升力和拉力㊂(3)尾桨一般安装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㊁改变尾桨的推力(或拉力),实现对直升机的航向控制㊁对航向起稳定作用和提供一部分升力等㊂尾桨分为推式尾桨和拉式尾桨㊂(4)操纵系统主要由自动倾斜器㊁座舱操纵机构和操纵线系等组成,主要功能是用来控第1章　无人机结构与系统7㊀制无人直升机的飞行㊂无人直升机的垂直㊁俯仰㊁滚转和偏航4种运动形式分别对应总距操纵㊁纵向操纵㊁横向操纵和航向操纵4个操纵㊂(5)传动系统主要由主减速器㊁传动轴㊁尾减速器及中间减速器组成,主要功能是将发动机的动力传递给主旋翼和尾桨㊂多旋翼无人机一般由机架㊁动力装置和飞控等组成㊂(1)机架主要由机臂㊁中心板和脚架等组成,也有采用一体化设计的机架㊂机架的主要功能是承载其他构件的安装㊂(2)多旋翼无人机的动力装置通常采用电动系统,主要由电池㊁电调㊁电动机和螺旋桨4个部分组成㊂(3)飞控主要由陀螺仪㊁加速度计㊁角速度计㊁气压计㊁G P S㊁指南针和控制电路等组成,主要功能是计算并调整无人机的飞行姿态,控制无人机自主或半自主飞行㊂1.3　无人机动力系统无人机动力系统为无人机提供动力,使无人机能够进行飞行活动㊂无人机动力系统有3种类型,即以电池为能源的电动系统㊁以燃油类发动机为动力的油动系统和油电混动系统㊂目前油电混合系统更多地应用于汽车中,在无人机领域较少使用㊂电动系统是将化学能转化为电能再转化为机械能,为无人机飞行提供动力的系统,由电池㊁调速系统㊁电动机㊁螺旋桨4个部分组成㊂1.电池电池主要为无人机提供能量,有镍镉㊁镍氢㊁锂离子㊁锂聚合物电池㊂考虑到电池的重量和效率问题,无人机多采用锂聚合物电池,如图1-5所示㊂电压分为额定电压㊁开路电压㊁工作电压和充电电压等,符号为U,单位为伏特(V)㊂额定电压是指电池工作时公认的标准电压,例如锂聚合物电池为3.7V;开路电压是指无负载使用情况下的电池电压;工作电压是指电池在负载工作情况下的放电电压,它通常是一个电压范围,例如锂聚合物电池的工作电压为3.7~4.2V;充电电压是指外电路电压对电池进行充电时的电压,一般充电电压要大于电池开路电压㊂电池容量是指电池储存电量的大小,电池容量分为实际容量㊁额定容量㊁理论容量,符号为C,单位为毫安时(m A㊃h)㊂实际容量是指在一定放电条件下,在终止电压前电池能够放出的电量;额定容量是指电池在生产和设计时,规定的在一定放电条件下电池能够放出的最低电量;理论容量是指根据电池中参加化学反应的物质计算出的电量㊂电池倍率,一般充放电电流的大小常用充放电倍率来表示,即充放电倍率=充放电电流/额定容量,符号为C;例如,额定容量为10m A㊃h的电池用4A放电时,其放电倍率为0.4C;1000m A㊃h㊁10C的电池,最大放电电流=1000ˑ10m A=10000m A=10A㊂8㊀无人机组装与调试2.调速系统电调(E l e c t r o n i c S p e e dC o n t r o l l e r ,E S C ),全称电子调速器,如图1-6所示㊂它的主要功能是将飞控板的控制信号进行功率放大,并向各开关管送去能使其饱和导通和可靠关断的驱动信号,以控制电动机的转速㊂因为电动机的电流是很大的,正常工作时通常为3~20A ㊂飞控没有驱动无刷电动机的功能,需要电调将直流电源转换为三相电源,为无刷电动机供电㊂同时电调在多旋翼无人机中也充当了电压变化器的作用,将11.1V 的电源电压转换为5V 电压给飞控㊁遥控接收机供电,如果没有电调,飞控板根本无法承受这样大的电流㊂图1-5㊀锂聚合物电池㊀㊀图1-6㊀电子调速器电调两端都有接线,输入线与电池相连,输入电流;输出线与电动机相连,用以调整电动机转速㊂无刷电调有3根输出线,信号线与飞控连接,接收飞控信号并给飞控供电㊂3.电动机电动机旋转带动桨叶使无人机产生升力和推力,通过对电动机转速的控制,可使无人机完成各种飞行状态㊂有刷电动机中的电刷在电动机运转时产生电火花会对遥控无线电设备产生干扰,且电刷会产生摩擦力,噪声大,目前在无人机领域已较少使用,更多采用的是无刷电动机㊂外转子型无刷电动机的工作原理:电动机的转子在外面,而定子在内部,转子内侧有两个永久性磁铁,一个是N 极,一个是S 极,电动机的定子结构是线圈,也就是电磁铁,定子在内部是固定不动的,如图1-7所示㊂利用磁铁异性相吸的原理,给定子线圈通电如图1-7(a)所示,外面的转子由于异性相吸的原理会逆时针转动,让自己的N 极靠近定子电磁铁的S 极,自己的S 极靠近定子电磁铁的N 极㊂此时线圈停止通电,让下一个线圈通电,即图中标B 的线圈通电流㊂这样永磁铁就因异性相吸的原理继续逆时针转动追赶下一个电磁铁目标,如图1-7(b )所示,前面有个电磁铁线圈在吸引永磁铁,后面一个电磁铁线圈在推动永磁铁㊂在无刷电动机里,安装了霍尔传感器,能准确判断转子永磁铁的位置,及时将永磁铁的位置报告给定子线圈控制器,控制器就能根据该信息控制线圈电流流向㊂图1-7㊀外转子型无刷电动机工作原理第1章　无人机结构与系统9㊀电动机的型号通常用 ˑˑˑˑ 型数字来表示㊂例如,2212外转子无刷动力电动机,即表示电动机定子直径22m m ,电动机定子高度为12m m ,如图1-8所示㊂电动机K V 值,用来表示电动机空载转速,指电压每增加1V ,无刷电动机增加的每分钟转速,即电动机空载转速=电动机K V ˑ电池电压㊂例如,920K V 的电动机,电池电压为11.1V ,那么电动机的空载转速应该为920ˑ11.1r /m i n =10212r /m i n㊂4.螺旋桨螺旋桨安装在无刷电动机上,通过电动机旋转带动螺旋桨旋转㊂多旋翼无人机多采用定距螺旋桨,即桨距固定,如图1-9所示㊂定距螺旋桨从桨毂到桨尖安装角逐渐减小,这是因为半径越大的地方线速度越大,受到的空气反作用力就越大,容易造成螺旋桨因各处受力不均匀而折断㊂同时螺旋桨安装角随着半径增加而逐渐减小,能够使螺旋桨从桨毂到叶尖产生一致升力㊂图1-8㊀2212外转子无刷动力电动机㊀㊀㊀图1-9㊀螺旋桨螺旋桨尺寸通常用 ˑˑˑˑ 型数字来表示,前两位数字表示螺旋桨直径,后两位数字表示螺旋桨螺距,单位均为英寸(i n ),1i n 约等于2.54c m ,螺距即桨叶旋转一圈旋转平面移动的距离㊂螺旋桨有正反桨之分,顺时针方向旋转的是正桨,逆时针方向旋转的是反桨㊂电动机与螺旋桨的配型原则:高K V 电动机配小桨,低K V 电动机配大桨㊂因为电动机K V 值越小转动惯量越大,K V 值越大转动惯量越小,所以螺旋桨尺寸越大,产生的升力就越大,需要更大力量来驱动螺旋桨旋转,因此采用低K V 电动机;反之,螺旋桨越小,需要转速更快,才能达到足够升力,因此采用高K V 电动机㊂5.接线方式图1-10㊀动力系统接线方式动力系统中电池㊁电调㊁电动机之间的接线方式,如图1-10所示㊂多旋翼无人机的多个旋翼轴上的电调,其输入端的红线㊁黑线需并联接到电池的正负极上;其输出端的3根黑线连接到电动机;其B E C 信号输出线,用于输出5V 电压给飞控供电和接收飞控的控制信号;遥控接收机连接在飞行控制器上,输出遥控信号,并同时从飞控上得到5V 供电㊂10㊀无人机组装与调试燃油类发动机工作过程是将化学能转换为机械能,常用的燃油类发动机有活塞式发动机和燃气涡轮发动机㊂1.活塞式发动机1)活塞式发动机的结构活塞式发动机也叫往复式发动机,是一种利用汽缸内燃料燃烧膨胀产生压力推动活塞向下运动并做功的机器,将化学能转化为热能又转化成了机械能㊂活塞式发动机是内燃机的一种,靠汽油㊁柴油等燃料提供动力㊂活塞式发动机主要由汽缸㊁活塞㊁连杆㊁曲轴㊁气门机构㊁螺旋桨减速器㊁机匣等组成㊂图1-11㊀汽油机和柴油机的构造根据燃料点火方式的不同,活塞式发动机可分为电火花点燃燃料的点燃式发动机和压缩空气使空气温度升高点燃燃料的压燃式发动机㊂大部分汽油机都是点燃式,大部分柴油机都是压燃式,如图1-11所示㊂根据发动机工作原理不同还可以分为二冲程发动机和四冲程发动机㊂2)四冲程发动机的工作原理冲程:活塞从上止点运动到下止点或者从下止点运动到上止点称为一个冲程,即曲轴转动半圈㊂活塞式航空发动机是由汽车的活塞式发动机发展而来,大多是四冲程发动机㊂活塞在汽缸内要经过4个冲程,依次是进气冲程㊁压缩冲程㊁做功冲程和排气冲程,如图1-12所示㊂发动机除主要部件外,还须有若干辅助系统与之配合才能工作㊂图1-12㊀四冲程发动机的工作原理1 曲轴;2 汽缸;3 进气孔;4 排气孔;5 活塞;6 连杆进气冲程:进气冲程时汽缸的进气门打开,排气门关闭,发动机通过启动系统(发动机启动前)使活塞从上止点向下滑动到下止点为止,汽缸内的容积逐渐增大,缸内气压降低且低于外面的大气压,于是汽油和空气的混合气体将通过打开的进气门被吸入汽缸内㊂压缩冲程:曲轴由于惯性作用继续旋转,此时活塞由下止点向上推动㊂这时进气门也同排气门一样严密关闭㊂汽缸内容积逐渐减少,混合气体受到强烈压缩㊂当活塞运动到上止点时,汽缸内混合气体体积最小,被压缩在上止点和汽缸头之间的燃烧室内㊂压缩气体体积是为了更好地利用汽油燃烧时产生的热量,使限制在燃烧室这个小小空间里的混合气体。

无人机的结构、飞行原理、系统组成、组装与调试目录第一章初步认识无人机的基本构成第二章无人机的飞行原理第三章飞行操作：模拟—电动—油动第四章无人机的发动机第五章无人机的系统组成第六章无人机的组装第七章无人机的调试第一章初步认识无人机的基本构成无人机最早出现于第二次世界大战时，直至近几年有厂商逐步把军用无人机技术转移至电子消费品的生产之上，制成定价较平、操作较易的无人机，始令无人机在消费者市场大热起来。

今次Lock Sir便为大家讲解无人机的运作结构及飞行原理。

一般来说，无人机有飞行器机架、飞行控制系统、推进系统、遥控器、遥控信号接收器和云台相机等6大构成部分。

1. 飞行器机架飞行器机架（Flying Platform）的大小，取决于桨翼的尺寸及电机（马达/马达）的体积：桨翼愈长，马达愈大，机架大小便会随之而增加。

机架一般采用轻物料制造为主，以减轻无人机的负载量（Payload）。

2. 飞行控制系统飞行控制系统（Flight Control System）简称飞控，一般会内置控制器、陀螺仪、加速度计和气压计等传感器。

无人机便是依靠这些传感器来稳定机体，再配合GPS 及气压计数据，便可把无人机锁定在指定的位置及高度。

3. 推进系统无人机的推动系统（Propulsion System）主要由桨翼和马达所组成。

当桨翼旋转时，便可以产生反作用力来带动机体飞行。

系统内设有电调控制器（Electronic Speed Control），用于调节马达的转速。

4. 遥控器这是指Remote Controller或Ground Station，让航拍玩家透过远程控制技术来操控无人机的飞行动作。

5. 遥控信号接收器主要作用是让飞行器接收由遥控器发出的遥控指令信号。

4轴无人机起码要有4条频道来传送信号，以便分别控制前后左右4组旋轴和马达。

6. 云台相机目前无人机所用的航拍相机，除无人机厂商预设于飞行器上的相机外，有部分机型容许用户自行装配第三方相机，例如GoPro Hero 4运动相机或Canon EOS 5D系列单眼相机，惟近年亦有厂商提倡采用M4 /3无反单眼（如：Panasonic LUMIX GH4）作航拍用途。