一、无人机定义
无人机是无人驾驶飞机的简称(UnmannedAerialVehicle),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,可以被看做是“空中机器人”。
二、无人机分类
(一)按照不同平台构型分类
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。
1. 固定翼无人机
军用和多数民用无人机的主流平台,例如高空侦察、电力巡线、公路监控等,最大特点是飞行速度较快,最大的短板是无法实现悬停。
飞行原理:通过机翼与空气的相对运动产生上升的升力,通过螺旋桨或涡轮发动机产生推力作为其向前飞行的动力。
2. 无人直升机
灵活性最强的无人机平台,可以原地垂直起飞和悬停,缺点是结构复杂(机
械部件多达上千个,同时,还要解决尾翼带来的诸多问题),操作复杂,成本较高,因而主要应用仍是在军用领域。
飞行原理:直升机姿态控制力矩来自于主旋翼和尾桨,通过主旋翼上下挥舞,
平衡直升机主旋翼左右不平衡受力,并通过桨毂产生力矩控制直升机姿态。
3. 多旋翼(多轴)无人机
消费级和部分民用用途的首选平台,可以实现悬停,在一定速度范围内,可
以以任意的速度飞行。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。
飞行原理:依靠多个旋翼产生的升力来平衡飞行器的重力,并升空起飞,通
过改变每个旋翼的转速来控制飞行器的姿态及飞行路径。
(二)按不同使用领域分类
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、无人机系统
无人机系统架构基本由四大块构成:飞控系统、导航系统、动力系统和数据链传输系统。另外,还可以通过加装特定的传感器、相机以及机械臂等外围设备,以实现特定功能和特殊场景应用。
(一)飞控系统
飞控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子系统,飞控系统对于无人机相当于CPU对于计算机的作用,也是整个无人机开发最难,最为关键的系统。一般来说,飞控系统硬件主要包括主控制模块、信号调理及接口模块、数据采集模块、舵机驱动模块以及各类传感器。
其中,机身大量装配的各种传感器是飞控系统的基础,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。例如,用于航拍的无人机对悬停能力及稳定性要求很高,因而需要精度较高的测距传感器和图像传感器,同时还需要高分辨率的摄像头。
在无人机整个工作过程中,主要实现包括无人机姿态稳定和控制、无人机任务设备管理和应急控制等功能。
(二)导航系统
无人机导航系统是按照要求的精度,沿着预定的航线在指定的时间内正确地引导无人机至目的地。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。
无人机载导航系统主要分非自主导航和自主导航,但分别有易受干扰和误差累积大的缺点;同时,还可以分为单一导航和组合导航,单一导航技术现在主要有惯性导航、卫星导航(GPS)、多普勒导航、地形辅助导航和地磁导航等类别。其中,惯性导航和多普勒导航属于比较典型的自主导航。
(三)动力系统
无人机的动力系统可以分为电动和油动,即电动机和内燃机两类。其中,在消费和民用市场中,电动机的应用仍是主流。电动机的动力系统包括发动机、电子调速器(电调)、旋翼/螺旋桨和电池。以发动机进行分类来讲的话,主要可以分为活塞式发动机、涡轮式发动机和电动机。
就目前来看,由于消费和民用级的无人机的成本的限制,以及低速低空的小型无人机已经可以满足绝大多数场景应用需求,该类无人机的动力系统仍以活塞式发动机和电动机为主流;其中电池驱动的电动机虽然在续航问题上存在一定劣势(续航低于1小时),但是在消费级市场,尤其是多旋翼无人机上的应用仍然十分广泛。
不同用途的无人机虽然对动力系统要求不同,但都希望发动机体积小、成本低、工作可靠。而随着涡轮发动机推重比和寿命的不断提高、油耗降低,涡轮式发动机很有可能取代活塞式发动机成为无人机的主力动力机型;另外,随着新能源电动机的不断发展,也有望为小型无人机提供更持久的动力。
(四)数据链传输系统
数据链传输系统是无人机的重要技术组成,其与导航系统联系最为直接,也最为紧密,主要负责完成对无人机遥控、遥测、跟踪定位和传感器传输。数据链传输系统按传输方向可以分为上行链路和下行链路,上行数据链实现对无人机遥控,下行数据链执行遥测、数据传输等功能。由此可见,数据链传输系统性能的好坏直接影响着无人机性能的优劣。
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,当下大家比较认可的用于衡量无人机数据链优劣的主要参数有5个:1)调频扩频功能;2)存储转发功能;3)数据加密功能;4)高速率;5)低功耗、低误码率及高接收灵敏度。
目前来看,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星通信数据链。