《無人機(jī)概論》第1章 無人機(jī)概述

第一章無人機(jī)概述清華出版社“十三五”應(yīng)用型人才培養(yǎng)規(guī)劃教材無人機(jī)應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)專業(yè)建設(shè)示范教材目錄第一節(jié)無人機(jī)相關(guān)概念第二節(jié)無人機(jī)的特點(diǎn)與分類第三節(jié)無人機(jī)的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀與未來一、無人機(jī)相關(guān)概念航空：是指飛行器在地球大氣層中的航行活動(dòng)。航空的實(shí)現(xiàn)：稠密的大氣層中、依靠空氣動(dòng)力學(xué)原理提供升力（須克服航空器自身重力和空氣的阻力）。例如：氣球、飛艇利用空氣的浮力在大氣層內(nèi)飛行飛機(jī)利用與空氣相互作用產(chǎn)生的空氣動(dòng)力在大氣層內(nèi)飛行飛機(jī)上的發(fā)動(dòng)機(jī)依靠飛機(jī)攜帶的燃料和大氣中的氧氣工作。1.航空航天航天：是指飛行器在地球大氣層外宇宙空間的航行活動(dòng)。航天的實(shí)現(xiàn)：稀薄的大氣層外，模擬自然天體的運(yùn)動(dòng)（須克服的地球的引力或太陽(yáng)的引力）。例如：環(huán)繞地球運(yùn)行的人造地球衛(wèi)星，飛往月球的月球探測(cè)器、登月載人飛船，飛往行星及其衛(wèi)星的行星和行星際探測(cè)器、衛(wèi)星式載人飛船，行星際航行和恒星際航行等。一、無人機(jī)相關(guān)概念飛行器：是指由人類制造、能飛離地面、在大氣層內(nèi)或大氣層外空間飛行的機(jī)械飛行物。飛行器的演變：（1）春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期墨子（生卒年不詳），用三年時(shí)間以木頭研制成木鳥（又稱木鷂、木鳶）——人類最早的風(fēng)箏起源。（2）春秋時(shí)期的魯班（公元前507年～公元前444年），用竹子改進(jìn)風(fēng)箏材質(zhì)。（3）東漢時(shí)期的蔡倫（？～121年）革新造紙術(shù)后，坊間才開始以紙作為風(fēng)箏材質(zhì)，稱為“紙鳶”。（4）春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期（公元前770年～公元前221年）出現(xiàn)的風(fēng)箏、五代時(shí)期（907年～979年）出現(xiàn)的孔明燈（又稱松脂燈）、東晉時(shí)期（317年～420年）出現(xiàn)的竹蜻蜓——飛行器的早期雛形。（5）文藝復(fù)興時(shí)期意大利科學(xué)家和畫家達(dá)·芬奇通過長(zhǎng)期研究撰寫的《論鳥的飛行》——航空科學(xué)的先知（6）1783年法國(guó)蒙哥爾費(fèi)兄弟的熱氣球成功升空——航空先驅(qū)（7）1784年法國(guó)羅伯特兄弟制造了第一艘人力飛艇。2.飛行器一、無人機(jī)相關(guān)概念飛行器的分類：按飛行器的飛行環(huán)境和工作方式的不同分：（1）航空器：指在大氣層內(nèi)飛行的飛行器。（2）航天器：指在大氣層外宇宙空間飛行的飛行器。（3）火箭：是以火箭發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力，可在大氣層內(nèi)或大氣層外飛行的飛行器。2.飛行器一、無人機(jī)相關(guān)概念2.飛行器航空器按其用途的不同，可分為軍用航空器和民用航空器。如下圖：一、無人機(jī)相關(guān)概念2.飛行器航空器按其升力的基本原理的不同，可分為輕于空氣和重于空氣的航空器。如下圖：一、無人機(jī)相關(guān)概念2.飛行器航天器按其用途的不同，可分為軍用航天器和民用航天器。如下圖：一、無人機(jī)相關(guān)概念中國(guó)民用航空航局飛行標(biāo)準(zhǔn)司2016年7月11日下發(fā)《民用無人機(jī)駕駛員管理規(guī)定》（AC-61-FS-2016-20-R1）中規(guī)定：無人機(jī)（UnmannedAerial，UA）：是指由控制站管理（包括遠(yuǎn)程操縱或自主飛行）的航空器，也稱遠(yuǎn)程駕駛航空器（RemotelyPilotedAircraft，RPA）。無人機(jī)系統(tǒng)（UnmannedAerialSystem，UAS）：是指由無人機(jī)、相關(guān)的控制站、所需的指令與控制數(shù)據(jù)鏈路以及批準(zhǔn)的型號(hào)設(shè)計(jì)規(guī)定的任何其他部件組成的系統(tǒng)，也稱遠(yuǎn)程駕駛航空器系統(tǒng)（RemotelyPilotedAircraftSystems，RPAS）。無人機(jī)系統(tǒng)駕駛員：是指由運(yùn)營(yíng)人指派對(duì)無人機(jī)的運(yùn)行負(fù)有必不可少職責(zé)并在飛行期間適時(shí)操縱無人機(jī)的人?？刂普荆阂卜Q遙控站、地面站，是無人機(jī)系統(tǒng)的組成部分，包括用于操縱無人機(jī)的設(shè)備。指令與控制數(shù)據(jù)鏈路（CommandandControldatalink，C2）：是指無人機(jī)和控制站之間為飛行管理之目的的數(shù)據(jù)鏈接。3.無人機(jī)和無人機(jī)系統(tǒng)一、無人機(jī)相關(guān)概念3.無人機(jī)和無人機(jī)系統(tǒng)一種典型的無人機(jī)系統(tǒng)目錄第一節(jié)無人機(jī)相關(guān)概念第二節(jié)無人機(jī)的特點(diǎn)與分類第三節(jié)無人機(jī)的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀與未來二、無人機(jī)的特點(diǎn)與分類1.無人機(jī)的特點(diǎn)無人機(jī)的優(yōu)勢(shì)：（1）機(jī)上沒有駕駛員，無需配備生命支持系統(tǒng)，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)、減輕了重量、降低了成本。（2）機(jī)上沒有駕駛員，執(zhí)行危險(xiǎn)任務(wù)時(shí)不會(huì)危及飛行員安全，更適合執(zhí)行危險(xiǎn)性高的任務(wù)。（3）機(jī)上沒有駕駛員，可以適應(yīng)更激烈的機(jī)動(dòng)飛行和更加惡劣的飛行環(huán)境，留空時(shí)間也不會(huì)受到人所固有的生理限制。（4）無人機(jī)在制造、使用和維護(hù)方面的技術(shù)門檻和成本相對(duì)更低。制造方面：放寬了冗余性和可靠性指標(biāo)，放寬了機(jī)身材料、過載、耐久等要求。使用方面：使用相對(duì)簡(jiǎn)單，訓(xùn)練更易上手，且可用模擬器代替真機(jī)進(jìn)行訓(xùn)練，節(jié)省了真機(jī)的實(shí)際使用壽命。維護(hù)方面：維護(hù)相對(duì)簡(jiǎn)單，維護(hù)成本低。（5）無人機(jī)對(duì)環(huán)境要求較低，包括起降環(huán)境、飛行環(huán)境和地面保障等。（6）無人機(jī)相對(duì)重量輕、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。二、無人機(jī)的特點(diǎn)與分類1.無人機(jī)的特點(diǎn)無人機(jī)的局限性：（1）無人機(jī)上沒有駕駛員和機(jī)組人員，對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)和通信系統(tǒng)的依懶性更高。（2）無人機(jī)放寬了冗余性和可靠性指標(biāo)，降低了飛行安全。當(dāng)發(fā)生機(jī)械故障或電子故障時(shí)，無人機(jī)及機(jī)載設(shè)備可能會(huì)產(chǎn)生致命損傷。（3）無人機(jī)的續(xù)航時(shí)間相對(duì)較短，尤其是電動(dòng)系統(tǒng)的無人機(jī)。（4）無人機(jī)遙控器、地面站、圖傳、數(shù)傳電臺(tái)等設(shè)備的通信頻率和地面障礙物等，限制了無人機(jī)系統(tǒng)的通信傳輸距離，限制了無人機(jī)的飛行范圍。（5）無人機(jī)的體積、重量和動(dòng)力等，決定了無人機(jī)的抗風(fēng)、抗雨能力有限。二、無人機(jī)的特點(diǎn)與分類2.無人機(jī)的分類1.按飛行平臺(tái)構(gòu)型分類固定翼無人機(jī)無人直升機(jī)多旋翼無人機(jī)無人傘翼機(jī)、無人撲翼機(jī)、無人飛艇混合式無人機(jī)（1）固定翼無人機(jī)定義：由動(dòng)力裝置產(chǎn)生前進(jìn)的推力或拉力，由機(jī)身固定的機(jī)翼產(chǎn)生升力，在大氣層內(nèi)飛行的重于空氣的無人機(jī)。特點(diǎn)：載荷大、續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)、航程遠(yuǎn)、飛行速度快、飛行高度高，但起降受場(chǎng)地限制、無法懸停。二、無人機(jī)的特點(diǎn)與分類2.無人機(jī)的分類1.按飛行平臺(tái)構(gòu)型分類固定翼無人機(jī)無人直升機(jī)多旋翼無人機(jī)無人傘翼機(jī)、無人撲翼機(jī)、無人飛艇混合式無人機(jī)（2）無人直升機(jī)定義：依靠動(dòng)力系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)一個(gè)或多個(gè)旋翼產(chǎn)生升力和推進(jìn)力，實(shí)現(xiàn)垂直起落及懸停、前飛、后飛、定點(diǎn)回轉(zhuǎn)等可控飛行的無人機(jī)。特點(diǎn)：可垂直起降、可懸停、操作靈活，可任意方向飛行，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、故障率較高。與固定翼無人機(jī)相比，飛行速度低、油耗高、載荷小、航程短、續(xù)航時(shí)間短。二、無人機(jī)的特點(diǎn)與分類2.無人機(jī)的分類1.按飛行平臺(tái)構(gòu)型分類固定翼無人機(jī)無人直升機(jī)多旋翼無人機(jī)無人傘翼機(jī)、無人撲翼機(jī)、無人飛艇混合式無人機(jī)（3）多旋翼無人機(jī)定義：具有三個(gè)及以上旋翼軸提供升力和推進(jìn)力的可垂直起降的無人機(jī)。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、操作靈活，可向任意方向飛行，但有效載荷較小、續(xù)航時(shí)間較短等。二、無人機(jī)的特點(diǎn)與分類2.無人機(jī)的分類1.按飛行平臺(tái)構(gòu)型分類固定翼無人機(jī)無人直升機(jī)多旋翼無人機(jī)無人傘翼機(jī)、無人撲翼機(jī)、無人飛艇混合式無人機(jī)（4）無人傘翼機(jī)定義：指以傘翼為升力面，以柔性傘翼代替剛性機(jī)翼的無人機(jī)。傘翼位于全機(jī)的上方，多用纖維織物制成不透氣柔性翼面，可收疊存放，張開后利用迎面氣流產(chǎn)生升力。特點(diǎn)：體積小、速度慢、飛行高度低等。二、無人機(jī)的特點(diǎn)與分類2.無人機(jī)的分類1.按飛行平臺(tái)構(gòu)型分類固定翼無人機(jī)無人直升機(jī)多旋翼無人機(jī)無人傘翼機(jī)、無人撲翼機(jī)、無人飛艇混合式無人機(jī)（5）無人撲翼機(jī)定義：是一種利用仿生原理，通過機(jī)翼主動(dòng)運(yùn)動(dòng)模擬鳥的翅膀振動(dòng)，產(chǎn)生升力和前行力的無人機(jī)。其特征是機(jī)翼主動(dòng)運(yùn)動(dòng)、靠機(jī)翼拍打空氣的反作用力作為升力和前行力、通過機(jī)翼及尾翼的位置改變進(jìn)行機(jī)動(dòng)飛行。特點(diǎn)：撲翼空氣動(dòng)力學(xué)尚未成熟，撲翼無人機(jī)的材料和結(jié)構(gòu)也有待進(jìn)一步研發(fā)改進(jìn)。二、無人機(jī)的特點(diǎn)與分類2.無人機(jī)的分類1.按飛行平臺(tái)構(gòu)型分類固定翼無人機(jī)無人直升機(jī)多旋翼無人機(jī)無人傘翼機(jī)、無人撲翼機(jī)、無人飛艇混合式無人機(jī)（6）無人飛艇定義：是一種輕于空氣、具有操縱和推進(jìn)系統(tǒng)的無人機(jī)。分為硬式、半硬式和軟式三種類型。現(xiàn)代無人飛艇多為軟式飛艇。特點(diǎn)：最大的優(yōu)勢(shì)是滯空時(shí)間和靜音性能，但也存在造價(jià)昂貴、速度過低等問題。二、無人機(jī)的特點(diǎn)與分類2.無人機(jī)的分類1.按飛行平臺(tái)構(gòu)型分類固定翼無人機(jī)無人直升機(jī)多旋翼無人機(jī)無人傘翼機(jī)、無人撲翼機(jī)、無人飛艇混合式無人機(jī)（7）混合式無人機(jī)定義：指混合以上兩種或多種平臺(tái)構(gòu)型的無人機(jī)。特點(diǎn)：傾轉(zhuǎn)旋翼無人機(jī)兼具固定翼和旋翼機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，具有垂直起降、空中懸停和高速巡航飛行的能力。二、無人機(jī)的特點(diǎn)與分類2.無人機(jī)的分類2.按應(yīng)用領(lǐng)域分類軍用無人機(jī)民用無人機(jī)科研無人機(jī)（1）軍用無人機(jī)定義：指應(yīng)用于軍事領(lǐng)域的無人機(jī)。無人機(jī)最早起源和應(yīng)用于軍事領(lǐng)域。特點(diǎn)：機(jī)具有較強(qiáng)的技術(shù)保密和壟斷性質(zhì)。分類：靶機(jī)、偵查無人機(jī)、誘餌無人機(jī)、電子對(duì)抗無人機(jī)、通信中繼無人機(jī)、無人戰(zhàn)斗機(jī)等（2）軍用無人機(jī)定義：指應(yīng)用于民用領(lǐng)域的無人機(jī)。無人機(jī)最早起源和應(yīng)用于軍事領(lǐng)域。特點(diǎn)：機(jī)具技術(shù)要求低、更注重經(jīng)濟(jì)性。分類：消費(fèi)級(jí)無人機(jī)、工業(yè)級(jí)無人機(jī)。消費(fèi)級(jí)無人機(jī)主要用于個(gè)人娛樂、個(gè)人航拍、青少年科普教育等方面，強(qiáng)調(diào)產(chǎn)品的易操作性、便攜性和性價(jià)比。工業(yè)級(jí)無人機(jī)主要用于行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，強(qiáng)調(diào)產(chǎn)品的專業(yè)性、穩(wěn)定性和可靠性。（3）科研無人機(jī)定義：指應(yīng)用于科學(xué)研究、科學(xué)試驗(yàn)或類似用途的無人機(jī)。二、無人機(jī)的特點(diǎn)與分類2.無人機(jī)的分類3.按飛行航程分類二、無人機(jī)的特點(diǎn)與分類2.無人機(jī)的分類4.按飛行高度分類二、無人機(jī)的特點(diǎn)與分類2.無人機(jī)的分類5.按民航法規(guī)分類二、無人機(jī)的特點(diǎn)與分類2.無人機(jī)的分類6.按運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)分類目錄第一節(jié)無人機(jī)相關(guān)概念第二節(jié)無人機(jī)的特點(diǎn)與分類第三節(jié)無人機(jī)的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀與未來三、無人機(jī)的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀與未來1.無人機(jī)的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀（1）國(guó)外無人機(jī)的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀：第一次世界大戰(zhàn)，1914年英國(guó)的卡德爾和皮切爾兩位將軍向英國(guó)軍事航空學(xué)會(huì)提出了研制一種使用無線電操縱的小型無人駕駛飛機(jī)，使它能飛到敵方目標(biāo)區(qū)上空投下事先裝好的炸彈的建議，該設(shè)想得到認(rèn)可并由A.M.洛教授率領(lǐng)一班人馬進(jìn)行研制。1915年10月，德國(guó)西門子公司成功研制了采用伺服控制裝置和指令指導(dǎo)的滑翔炸彈。1916年9月12日，第一架無線電操縱的無人駕駛飛機(jī)在美國(guó)試飛。1917～1918年，英國(guó)與德國(guó)先后研制成功無人機(jī)遙控飛機(jī)，這些被公認(rèn)為有控?zé)o人機(jī)的先驅(qū)。20世紀(jì)30年代，英國(guó)政府決定研制一種無人靶機(jī)，用于校驗(yàn)戰(zhàn)列艦上火炮對(duì)目標(biāo)的攻擊效果，于1933年研制成功并試飛。在1934年～1943年期間，英國(guó)一共生產(chǎn)了420架命名為“蜂王”的全木結(jié)構(gòu)的雙翼無人靶機(jī)。1945年，第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，很多退役或多余的飛機(jī)被改裝為靶機(jī)，成為近代無人機(jī)改裝趨勢(shì)的先河。隨后的越南戰(zhàn)爭(zhēng)、海灣戰(zhàn)爭(zhēng)和北約空襲南斯拉夫等戰(zhàn)爭(zhēng)中，無人機(jī)都被頻繁地用于軍事行動(dòng)中。三、無人機(jī)的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀與未來1.無人機(jī)的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀（1）國(guó)外無人機(jī)的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀：1973年第四次中東戰(zhàn)爭(zhēng)中，以色列用無人機(jī)成功搗毀埃及部署的地空導(dǎo)彈防空網(wǎng)。1982年加利和平行動(dòng)（黎巴嫩戰(zhàn)爭(zhēng)）中，以色列國(guó)防軍用無人機(jī)進(jìn)行偵察、情報(bào)收集、跟蹤和通訊，偵察者無人機(jī)系統(tǒng)擔(dān)任了重要的戰(zhàn)斗角色。1991年的沙漠風(fēng)暴行動(dòng)中，美軍曾經(jīng)發(fā)射專門欺騙雷達(dá)系統(tǒng)的小型誘餌無人機(jī)，此后誘餌無人機(jī)成為其他國(guó)家仿效的對(duì)象。1996年3月，美國(guó)國(guó)家航空航天局研制出兩架試驗(yàn)機(jī)：X-36試驗(yàn)型無尾無人戰(zhàn)斗機(jī)。該機(jī)使用分列副翼和轉(zhuǎn)向推力系統(tǒng)，比常規(guī)戰(zhàn)斗機(jī)具有更高的靈活性；水平垂直尾翼減輕了重量和拉力、縮小了雷達(dá)反射截面。20世紀(jì)90年代后，西方國(guó)家充分認(rèn)識(shí)到無人機(jī)在戰(zhàn)爭(zhēng)中的作用，競(jìng)相把新翼型、輕型材料、先進(jìn)的信號(hào)處理與通信技術(shù)、先進(jìn)的自動(dòng)駕駛儀技術(shù)等應(yīng)用于無人機(jī)系統(tǒng)上。20世紀(jì)末，許多國(guó)家研制出新時(shí)代的軍用無人機(jī)，很大程度上改變了軍事戰(zhàn)爭(zhēng)和軍事調(diào)動(dòng)的原始形式。目前，美國(guó)的無人機(jī)技術(shù)處于世界領(lǐng)先水平，以色列是無人機(jī)的出口大國(guó)但在技術(shù)方面完全依靠美國(guó)，歐洲國(guó)家中的俄、英、法、德等國(guó)家的無人機(jī)技術(shù)發(fā)展較快。我國(guó)周邊國(guó)家如日本、印度、韓國(guó)等主要依靠外國(guó)進(jìn)口，自主研發(fā)力量較為薄弱。三、無人機(jī)的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀與未來1.無人機(jī)的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀（2）國(guó)內(nèi)無人機(jī)的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀：我國(guó)無人機(jī)的研制始于20世紀(jì)五六十年代。1966年12月6日“長(zhǎng)空一號(hào)”大型噴氣式無線電遙控高亞音速無人靶機(jī)首飛成功，該機(jī)型于1976年底批準(zhǔn)設(shè)計(jì)定型，之后多次改進(jìn)，在此基礎(chǔ)上改裝成的核試驗(yàn)取樣機(jī)于1977年圓滿完成了一次核試驗(yàn)穿云取樣任務(wù)?！伴L(zhǎng)空一號(hào)”開創(chuàng)了我國(guó)無人機(jī)的先河。1972年11月28日“無偵-5”（又稱“長(zhǎng)虹”1號(hào)）高空高亞音速無人駕駛偵察機(jī)試飛成功，1980年批準(zhǔn)設(shè)計(jì)定型，1981年開始裝備部隊(duì)，1986年對(duì)越自衛(wèi)反擊戰(zhàn)中參加實(shí)戰(zhàn)，是到目前為止中國(guó)唯一參加過實(shí)戰(zhàn)、且在中國(guó)正式裝備的無人機(jī)型號(hào)中保持著最大升限和最快飛行速度紀(jì)錄的無人機(jī)。我國(guó)無人機(jī)的研制著眼軍民兩用。用于導(dǎo)彈打靶和防空部隊(duì)訓(xùn)練的“長(zhǎng)空一號(hào)”經(jīng)過適當(dāng)改裝，就可執(zhí)行大氣污染監(jiān)控、地形與礦區(qū)勘察等民用任務(wù)，并在此基礎(chǔ)上研發(fā)了WZ-2000隱身無人機(jī)、“蜂王”無人機(jī)和“翔鳥”無人駕駛直升機(jī)等一系列無人機(jī)，形成了目前種類繁多、用途多樣的無人機(jī)研發(fā)制造體系。三、無人機(jī)的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀與未來1.無人機(jī)的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀（2）國(guó)內(nèi)無人機(jī)的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀：目前，我國(guó)專門從事無人機(jī)的企事業(yè)單位超過了300