淺談無人機(jī)飛行器

1、淺談無人機(jī)飛行器及其應(yīng)用 *經(jīng)過一個(gè)學(xué)期的課程學(xué)習(xí)，我對(duì)無人機(jī)及其應(yīng)用有了一個(gè)大致的了解，盡管是該課程是選修課，我也確實(shí)從中學(xué)到了很多自己平時(shí)所接觸不到的知識(shí)。下面，根據(jù)我所學(xué)到的內(nèi)容以及自己所查閱到的資料，我將就無人機(jī)及其應(yīng)用這一方面進(jìn)行一個(gè)簡(jiǎn)單的闡述。 無人機(jī)，是利用無線電遙控設(shè)備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛機(jī)。無人機(jī)實(shí)際上是無人駕駛飛行器的統(tǒng)稱，從技術(shù)角度定義可以分為：無人直升機(jī)、無人固定翼機(jī)、無人多旋翼飛行器、無人飛艇、無人傘翼機(jī)這幾大類。無人機(jī)廣泛應(yīng)用在現(xiàn)在社會(huì)中，由于其無需人員駕駛，所以能執(zhí)行更危險(xiǎn)的任務(wù)，現(xiàn)在無人機(jī)技術(shù)廣泛的應(yīng)用在偵查搜索領(lǐng)域，美國將無人機(jī)技術(shù)作為主要發(fā)展方

2、向，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)航母著陸，無人機(jī)技術(shù)必將成為下個(gè)領(lǐng)域技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的又一個(gè)領(lǐng)域。§無人機(jī)飛行空氣動(dòng)力及飛行姿態(tài)參數(shù) 作用在飛行器上的基本外力是推力、升力、阻力和地心引力 (或重力），如圖所示。另外，作用于俯仰軸、滾轉(zhuǎn)袖和偏航軸的角力矩會(huì)引起飛行器繞這些軸旋轉(zhuǎn)。升力.阻力和旋轉(zhuǎn)力矩可 根據(jù)動(dòng)壓，機(jī)翼面積和尺度減小系數(shù)計(jì)算出來綜合這些量的表達(dá) 式就是決定飛行器性能的基本空氣動(dòng)力學(xué)方程。 基本空氣動(dòng)力學(xué)方程 q=½V² 這里的是空氣密度，V是速度。作用在飛機(jī)機(jī)翼上的力是q，機(jī)翼面積S和尺度減小系數(shù)的函數(shù)。其中，尺度減小系數(shù)取決于雷諾 (Reynold)數(shù)、馬赫（Mach)

3、數(shù)和機(jī)翼截面形狀。升力和阻力定義如下 空氣動(dòng)力學(xué)人力中的第三個(gè)力是俯仰力矩，它必須包括在空間上產(chǎn)生力矩的附加項(xiàng)。通常把翼弦c作為力臂長(zhǎng)度。俯仰力矩的知識(shí)對(duì)理解穩(wěn)定性和控制至關(guān)重要。 而在控制無人機(jī)的過程中所要收集的飛行參數(shù)主要有位置參數(shù)、運(yùn)動(dòng)參數(shù)、遙控遙測(cè)參數(shù)、主系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)和報(bào)警參數(shù)，其中運(yùn)動(dòng)參數(shù)包括俯仰角，滾轉(zhuǎn)角，偏航角。依據(jù)以上參數(shù)，就可以很好地了解飛行器的飛行狀況。§無人機(jī)飛行性能及穩(wěn)定性無人機(jī)的飛行性能主要包括幾方面：爬升飛行能力，滑翔飛行能力，航程，續(xù)航時(shí)間等。爬升飛行能力：定常、直線飛行的飛機(jī)，作用其上的各種力達(dá)到平衡，如圖2.14 所示。狀態(tài)的運(yùn)動(dòng)方程可寫成：第一個(gè)方

4、程乘以速度V可得：這里TV是推進(jìn)系統(tǒng)輸送給飛行器的功率，也叫做可用功率 (Power Available, PA)。DV是維持飛行所需的功率，也叫做需求功率（Power Required，PR)。由于Vsin等于爬升速率dh/dt，則上一公式可改寫成：可用功率可根據(jù)引擎和螺旋槳數(shù)據(jù)得到，其表達(dá)式為：PA=HP式中：HP=馬力 =螺旋槳效率由于PR等于阻力乘以速度，我們前面討論中把阻力分量作為速度的函數(shù)就是切實(shí)可行的。PA，PR與速度的關(guān)系如下圖所示。 由圖可見，最大爬升速率發(fā)生在兩條曲線間最大距離所對(duì)應(yīng)的速度。 在這個(gè)點(diǎn)上兩曲線的斜率或?qū)?shù)也剛好相等。相對(duì)最大爬升速率的速度可從圖上讀出或計(jì)算出

5、來。最大或最小空速也可從圖上直接讀出?；栾w行能力： 飛行器滑翔能力由其下沉速率來度量，用運(yùn)動(dòng)公式及平衡公式很容易確定下沉速率。由于L/D（升阻比）較高、著陸角度很小，大多數(shù)無人機(jī)著陸時(shí)并不使用大功率。這意味著即使是攔網(wǎng)式回收，著陸也需要長(zhǎng)跑道或大片凈空。為了使用小型機(jī)場(chǎng)來回收無人機(jī)，克服這一缺點(diǎn)的方法之一是利用如擋板等產(chǎn)生阻力的裝置來降低著陸時(shí)產(chǎn)生的L/D。這些裝置會(huì)增加系統(tǒng)復(fù)雜性，也會(huì)帶來額外的成本。另一個(gè)方法是加裝翼傘，這也會(huì)降低L/D。航程： 無人機(jī)的航程總是一個(gè)重要特征量。航程理論上易于計(jì)算，可實(shí)阮上要獲得航程卻困難重重。當(dāng)飛行器在重心變化狀態(tài)下飛行時(shí)， 在其飛行能力范圍之內(nèi)燃料可以

6、換算成有效載荷，因此航程取決于有效載荷。續(xù)航時(shí)間： 如果已知對(duì)應(yīng)最小需求馬力的速度，則續(xù)航時(shí)間可計(jì)算出來?？捎孟率綄?duì)續(xù)航時(shí)間進(jìn)行簡(jiǎn)便粗略的估算。 續(xù)航時(shí)間=t=R/Vm 對(duì)應(yīng)最小需求功率的速度Vm為：公式中為飛行高度處的空氣密度與海平面空氣密度的比值。穩(wěn)定性：飛行器的穩(wěn)定性包括靜態(tài)穩(wěn)定性、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性、橫向穩(wěn)定性、縱向穩(wěn)定性靜態(tài)穩(wěn)定性：一架飛行器要維持飛行就必須是穩(wěn)定的。靜態(tài)穩(wěn)定性指作用在飛上的各種力（推力、重力及航空動(dòng)力學(xué)上的各種力）合成于一個(gè)方向上。在飛機(jī)遭受陣風(fēng)或其他外力擾動(dòng)后，合力仍有把飛機(jī)機(jī)身恢復(fù)到初始平衡位置的趨勢(shì)。如果飛行器靜態(tài)是不穩(wěn)定的，那么即使是微小的擾動(dòng)都會(huì)使得飛行器遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離

7、初始的飛行狀態(tài)。一架靜態(tài)穩(wěn)定的飛機(jī)在干擾消失后有返回到初始位置的“趨勢(shì)”，盡管在受到干擾時(shí)飛機(jī)或許會(huì)過沖、回轉(zhuǎn)，反方向運(yùn)動(dòng)、再次反沖乃至最終振蕩不止直至損壞。在這情況下，飛機(jī)是靜態(tài)穩(wěn)定的，但不是動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的。如果震蕩受到抑制并最終消失，就可以說該飛行器是動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的。動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性：為了獲得動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，恢復(fù)力必須能吸收來自系統(tǒng)的能量。由于任何一個(gè)真實(shí)系統(tǒng)中總有摩擦存在，因此這通常就變得自然而然。動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性是與機(jī)翼、機(jī)尾、機(jī)身等表面的運(yùn)動(dòng)速度成正比的各種力形成的，這些翼面都有一個(gè)稱作穩(wěn)定性導(dǎo)數(shù)的比例常數(shù)。穩(wěn)定性導(dǎo)數(shù)與飛行器的角速度相乘得到一個(gè)力，這個(gè)力通常會(huì)減小該飛行器的角速度（也就是說吸收能量）。因此

8、這一現(xiàn)象稱作阻尼，是一種摩擦。由于真實(shí)系統(tǒng)中摩擦是自然存在的，因此如果系統(tǒng)是靜態(tài)穩(wěn)定的，系統(tǒng)通常但非總是具有動(dòng)態(tài)平衡性。當(dāng)采用人工方法如運(yùn)用負(fù)反饋技術(shù)的自動(dòng)駕駛等來控制飛行器時(shí)，動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定性就會(huì)露出它可惡的面目。這是因?yàn)榭刂葡到y(tǒng)中的負(fù)反饋，如果設(shè)計(jì)不當(dāng)或補(bǔ)償不當(dāng)，會(huì)向系統(tǒng)注人與校正發(fā)散運(yùn)動(dòng)的力不同相的能量。§無人機(jī)控制系統(tǒng)無人機(jī)控制系統(tǒng)，即任務(wù)規(guī)劃與控制站（Mission Planning and Control Station， MPCS)是整個(gè)無人機(jī)系統(tǒng)的“神經(jīng)中樞”。無人機(jī)控制系統(tǒng)控制飛行器的發(fā)射、飛行與回收，接收和處理來自有效載荷的傳感器數(shù)據(jù)，控制傳感器的運(yùn)行（通常是實(shí)時(shí)的&

9、gt; 。早期無人機(jī)獲得的經(jīng)驗(yàn)表明，任務(wù)規(guī)劃功能對(duì)有效使用無人機(jī)系統(tǒng)來說至關(guān)重要，因而大多數(shù)系統(tǒng)開發(fā)者明確地把規(guī)劃功能作為任務(wù)規(guī)劃與控制站的一部分。為了實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的系統(tǒng)功能，無人機(jī)控制系統(tǒng)包含了下列子系統(tǒng)： *飛行器狀態(tài)的讀取和控制 *有效載荷數(shù)據(jù)的顯示和有效載荷的控制 *用于規(guī)劃任務(wù)、監(jiān)控飛行器位置及航線的地圖顯示*數(shù)據(jù)鏈路地面終端，用于發(fā)送命令給飛行器和有效載荷、接收來自飛行器的狀態(tài)信息及有效載荷數(shù)據(jù) *一臺(tái)或多臺(tái)計(jì)算機(jī)，用于為操作員提供至少一個(gè)控制飛行器的界面，及控制飛行器與任務(wù)規(guī)劃與控制站間的數(shù)據(jù)鏈路、數(shù)據(jù)流（地面計(jì)算機(jī)也可執(zhí)行系統(tǒng)導(dǎo)航功能，和執(zhí)行某些與自動(dòng)駕駛及有效載荷控制功能相關(guān)的

10、“外環(huán)路”低時(shí)間敏感性計(jì)算）*與其他組織的通信鏈路，用于指揮控制以及分發(fā)無人機(jī)收集到的信息。§無人機(jī)通信系統(tǒng)無人空中飛行器是指無人駕駛的航空器。由這種航空器及其所載的有效通信載荷與地面控制設(shè)施、用戶設(shè)備等一起構(gòu)成無人空中飛行器通信系統(tǒng)。為這種系統(tǒng)開發(fā)和使用的技術(shù)統(tǒng)稱為無人空中飛行器通信技術(shù)。（The Communications on Unmanned Air Vehicle）。 這是一種可實(shí)現(xiàn)超視距通信的技術(shù)。由于它采用了先進(jìn)的傳感器和數(shù)字通信技術(shù)相結(jié)合， 大大提高了情報(bào)收集與信息傳輸?shù)哪芰?。它的長(zhǎng)續(xù)航能力與衛(wèi)星通信鏈路相結(jié)合，又使其可在全球任何地方實(shí)時(shí)傳送和接收傳感器收集的數(shù)字信

11、號(hào)和飛機(jī)控制信號(hào)。無人空中飛行器可免除對(duì)人的生命威脅，而仍能保持有人機(jī)的許多優(yōu)點(diǎn)， 尤其是小型傳感器組件能夠收集所需要的信息，既可用于戰(zhàn)場(chǎng)偵察監(jiān)視，又可用于通信。用作通信時(shí)，機(jī)上高度可靠的控制和通信系統(tǒng)可為情報(bào)分析人員和戰(zhàn)場(chǎng)指揮官及時(shí)提供所需要的信息,這種系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中采用了市場(chǎng)上流行的傳感器組件，其中包括光電部件、前視紅外裝置、合成孔徑雷達(dá)、移動(dòng)目標(biāo)指示器和信號(hào)情報(bào)系統(tǒng)。§無人機(jī)發(fā)射與回收系統(tǒng)在無人機(jī)的作戰(zhàn)運(yùn)用中，發(fā)射與回收階段往往被認(rèn)為是最困難、最關(guān)鍵的階段，事實(shí)也正是如此。如果從停泊在海上一艘顛簸起伏的小型輪船上回收無人機(jī)，則需要精確的降落導(dǎo)航和快速反應(yīng)，還需要甲板上可靠的控制設(shè)

12、備。無人機(jī)在陸地小區(qū)域內(nèi)的回收有著與海面上相似的情況，盡管在陸地上的回收平臺(tái)相對(duì)穩(wěn)定，但常常會(huì)受到地面障礙物和變幻莫測(cè)的風(fēng)向的影響。發(fā)射方法：無人機(jī)的發(fā)射方法有很多，在概念上有些十分簡(jiǎn)單，有些又十分復(fù)雜。許多發(fā)射概念源于各種大型飛行器的發(fā)射經(jīng)驗(yàn)，另一些為一些小型無人飛行器所特有。或許最簡(jiǎn)單的發(fā)射方式源于航模的“手拋發(fā)射”。這種方式很實(shí)用，但僅適用下重量相對(duì)較輕的飛行器（大約10磅以下），這類飛行器載重量低，動(dòng)力適當(dāng)。普通的輪式發(fā)射同樣簡(jiǎn)便，但需要一塊平整好的場(chǎng)地并要小心翼翼地控制飛行的航向。這種方式一般需要人工操縱，從可操作性的觀點(diǎn)看，這也許并不實(shí)用，因?yàn)椴倏v手的培訓(xùn)和熟練程度始終都是個(gè)問題。

13、許多無人機(jī)，尤其是靶機(jī)和巡航導(dǎo)彈是裝載在固定翼飛機(jī)上從空中發(fā)射的，這些無人機(jī)通常都具有相對(duì)較高的失速，由渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力。這類飛行器通常也可以在地面上利用火箭助推發(fā)射。如果可以使用一塊干河床或者一條長(zhǎng)跑道那么車載發(fā)射是一種費(fèi)用低廉而且實(shí)用的方法。旋轉(zhuǎn)發(fā)射系統(tǒng)是無人機(jī)的一種新穎別致的發(fā)射方式，這個(gè)系統(tǒng)有一個(gè)環(huán)形的軌道或跑道，中央的標(biāo)桿上固定有一個(gè)托車，無人機(jī)就放置在托車上。發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，托車松脫并開始沿著軌道旋轉(zhuǎn)加速，當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度達(dá)到發(fā)射速度時(shí)，無人機(jī)脫離托車，沿環(huán)形軌道的正切方向起飛。此外，還有“飛輪彈射器”?；厥障到y(tǒng)：和發(fā)射器一樣，無人機(jī)的回收也有多種可行的選擇。定翼無人機(jī)最常用的回收方

14、法是滑道回收，例如跑道降落。要實(shí)施這種回收方法，無人機(jī)必須裝有著陸用的輪胎，同時(shí)它的控制系統(tǒng)必須能夠完成典型定翼飛機(jī)的拉平操縱。一種經(jīng)常使用的適于跑道降落的技術(shù)是給無人機(jī)裝備一個(gè)尾鉤，并在跑道上安裝減速齒輪。使用這種方法，只需在飛機(jī)著陸滑行期間進(jìn)行方向控制，基本不需要機(jī)上剎車。另外，除了滑道回收，也可以使用阻攔網(wǎng)，或進(jìn)行傘降回收、中空回收等。§典型無人機(jī)及應(yīng)用介紹典型無人機(jī)：美系：機(jī)型眾多“全球鷹”“全球鷹”是目前世界上首次中途不停留穿越大西洋的無人機(jī)，該機(jī)可完成跨洲飛行，可在距發(fā)射區(qū)5500多公里的范圍內(nèi)活動(dòng)，可在目標(biāo)上空1.8萬米處停留24小時(shí)?！熬逕o霸”X-48BX-48B無人

15、機(jī)的成功首飛，證明了“翼身合一”設(shè)計(jì)的成功。它把無尾的扁平機(jī)身與機(jī)翼融合為一體，這種設(shè)計(jì)既能減少空氣阻力，減小雷達(dá)反射截面，降低飛行時(shí)的燃料消耗，還能增大升力，增加飛行里程，提高運(yùn)載能力?！拔⑿恰薄拔⑿恰睙o人機(jī)把陀螺、三軸加速度計(jì)、定位系統(tǒng)及電子線路封裝在一個(gè)小小的硅片上，總重僅100克。歐系：設(shè)計(jì)超前歐洲“神經(jīng)元”“神經(jīng)元”無人戰(zhàn)斗機(jī)，由法國、希臘、意大利、西班牙、瑞典、瑞士等國共同研制，法國達(dá)索公司為項(xiàng)目主承包商。該機(jī)可發(fā)射“風(fēng)暴陰影”巡航導(dǎo)彈等防區(qū)外打擊武器，實(shí)現(xiàn)超視距防區(qū)外精確打擊。法國AVE-DAVE-D是世界上最早具備自主飛行控制的無人機(jī)之一。該機(jī)采用隱身設(shè)計(jì)，整個(gè)機(jī)角呈三角形，表

16、面由眾多不同反射方向的小平面構(gòu)成。機(jī)身后緣有3個(gè)襟翼，尾部有V形等弦后掠尾翼。該機(jī)大多數(shù)構(gòu)件采用復(fù)合材料制造，機(jī)身和翼表面有吸波涂層。據(jù)達(dá)索公司稱，該機(jī)的雷達(dá)等效反射面積，小到如同一只麻雀。英國“微風(fēng)”先前無人偵察機(jī)的飛行時(shí)間記錄，是由美國“全球鷹”創(chuàng)造的，時(shí)間為30小時(shí)24分鐘。2008年，英國研制的一種太陽能無人偵察機(jī)，連續(xù)飛行87小時(shí)37分鐘，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過“全球鷹”。俄系：理念先進(jìn)“遠(yuǎn)東羊茅”2008年，俄陸軍武備戰(zhàn)力提升的亮點(diǎn)之一，就是“遠(yuǎn)東羊茅”無人機(jī)的服役。“遠(yuǎn)東羊茅”采用稍微后掠的機(jī)翼和雙梁尾翼，利用空氣彈射器發(fā)射，傘降回收?！斑h(yuǎn)東羊茅”可執(zhí)行距作戰(zhàn)接觸線300-350公里的縱深偵察

17、任務(wù)，是俄軍同類系統(tǒng)中最先進(jìn)的無人機(jī)?！蚌庺~”“鰩魚”無人機(jī)在2007年莫斯科航展上首次展出，比美國的X-47B略大。該機(jī)采用后掠翼，看上去像一只很大的蝙蝠。無人機(jī)民用案例：無人機(jī)智能電網(wǎng)巡線。在山東，由山東電力集團(tuán)公司自主研發(fā)的同步智能電力線路無人飛機(jī)巡查系統(tǒng)，在500千伏帶電線路上試飛成功，這次的飛行是無人機(jī)巡線納入巡檢常態(tài)化應(yīng)用的第一步。這只如同超級(jí)大號(hào)蜻蜓搬的無人機(jī)具有4只與眾不同的“眼鏡”，可以通過搭載高清照相機(jī)、攝像機(jī)，清楚的看到塔桿和輸電線路出現(xiàn)的各種難題，并且還能夠應(yīng)用紅外測(cè)溫儀，使得無人直升機(jī)可以在紅外條件下檢測(cè)到導(dǎo)線、間隔棒的發(fā)熱；如果導(dǎo)線發(fā)生放電和電暈等現(xiàn)象，無人直升機(jī)搭載的紫外成像儀可以大顯身手。這一“大蜻蜓”僅用時(shí)18分鐘，就完成了對(duì)220千伏壽海線6基桿塔的巡檢，這以速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于人工巡查。而這一項(xiàng)目的組組長(zhǎng)王騫介紹說，“在正常天氣條 件下，無人直升機(jī)空中作業(yè)40分鐘就可以完成壽海線14基桿塔、5000千米輸電線路的巡檢任務(wù)，極大地降低了巡線作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)、成本、時(shí)間和勞動(dòng)強(qiáng)度”。無人機(jī)遙控噴灑農(nóng)藥。7月22日，浮梁縣湘湖鎮(zhèn)的蘭田村，一架遙控?zé)o人機(jī)背著噴霧器正在向水稻田里噴灑農(nóng)藥，當(dāng)?shù)氐姆N糧大戶對(duì)此表示