民用无人机综述

民用无人机现状、发展趋势及无人机关键技术,王强2016年4月,无人机：,定义：有动力、可控制、能携带多种任务设备、执行多种任务，并能重复使用的无人驾驶航空器特点：无驾驶舱，但安装有自驾仪、飞行姿态控制等设备起飞方式：以助推、垂直起降、喷射起飞等降落方式：降落伞、拦阻索、接收网等方式回收，可多次使用,结构种类：,按照动力来源，分为电动和油动；按机型结构，分为固定翼、单旋翼、多旋翼和热动力飞行器；按起飞方式可分为助跑起飞、垂直起飞垂直降落；等等。,1.1.1固定翼无人机,由机翼产生升力，机翼位置和掠角等参数在飞行过程中保持不变。优点：翔性能好，续航长，航程远，飞行高度高，飞行速度快等优点，适合应用于农田营养信息获取、灾害预警、成熟度估测等。缺点：受天气影响大，气流变化剧烈的时候不宜飞行。,1.1.2单旋翼直升机,通过主桨切割空气产生推力，尾桨保证平衡优点：无需跑道助跑;可垂直起降和稳定悬停;飞行灵活性和可靠性相对于固定翼要高很多。,1.1.3多旋翼飞行器,定义：以三个或者偶数个对称非共轴螺旋桨产生推力上升，以各个螺旋桨转速改变带来的飞行平面倾斜实现前进、后退、左右运动，以螺旋桨转速次序变化实现自转、垂直起飞降落。优点：场地限制小，可空中稳定悬停；飞行稳定性优越；动力学结构简单；价格低廉。,采用锂聚合物电池供电，自动化程度高，飞行平稳，操作技术要求低。由于结构所限，载质量一般不高(10kg左右)，续航时间较短(15-20min)。,1.2无人机植保作业优点,作业高度低，飘移少，可空中悬停，无需专用起降机场；旋翼产生的向下气流有助于增加雾流对作物的穿透性，防治效果好；远距离遥控操作，喷洒作业人员避免了暴露于农药的危险，提高了喷洒作业安全性等；无人直升机喷洒技术采用喷雾喷洒方式至少可以节约50的农药使用量，节约90的用水量，这很大程度上降低了资源成本。,1.3.1我国民用无人机发展现状,国内通用轻型农用无人直升机主要有：中国人民解放军总参第六十研究所开发的“Z-3”无人直升机；南京农业机械化研究所开发的喷药无人机；浙江大学和浙江得伟工贸公司开发的“DWH-1”等无人机。,尚处于起步阶段,目前我国生产航模的企业有近200家(包括旋冀和固定冀无人机)，具有自主研发能力，并已进人农业市场的单位和企业10余家；相关无人机农业装备技术研究院所20余家。,1.3.2国内外民用无人机应用现状,欧美欧美一直在无人机技术上处于领先地位，然而由于政策与法律原因，无人机发展受到一定限制。,日本日本的雅马哈无人机公司有30年的历史，是农用无人机领域公认做得很好的公司。其产品可实现短时间内更换油箱，补充药剂，定高飞行完全傻瓜式操作。,我国耕地面积小，在南方丘陵多，大量存在小地块、梯田等不适合大型航空机械作业的耕地地形，无人机无疑成为一个很好的解决方向。但目前作业机械与飞行器结合很差，无法体现无人机高效的作业能力。飞行器操控人员都需要航模操作经验或者至少四个月的培训，限制了农用无人机的普及。,1.4未来发展方向,(1)提升农用无人机自动化水平，降低飞行中人为因素。开发离地高度锁定技术，降低对操作人员的操作要求。(2)科学规划农用无人机作业流程，改变人机协作方式，切实提升作业效率。(3)优化飞行算法，提升飞行稳定性和抗风险能力。(4)提升产品服务质量。(5)开发变量作业农机具，降低损耗和污染。(6)开发低碳环保、环境友好的新能源无人机。,认清差距才能更好地改进产品。向日韩农用航空设备学习经验，弥补不足，可以迅速提升自己的水平。,2无人机关键技术,无人直升机的关键技术可总结为以下几个方面：,直升机数学模型的建立,飞行控制,人工智能技术,动力技术,通信技术,关键技术,2.1直升机数学模型的建立,为实现对无人直升机的有效控制，飞行控制系统要求提供直升机在各种飞行状态下准确的数学模型。,直升机结构的非对称性,本身结构力的耦合较为严重,结构的非流线性,受到的非定常空气动力,1.难以获得准确的气动性能参数,2.数学模型难以建立,2.2飞行控制,飞行控制是无人直升机实现遥控和超视距自主飞行的关键飞行控制律的建立和超小型飞控计算机的研制是其技术难点。,运动的耦合,操纵的非线性,具有多个控制输入和输出参数,难以建立准确的飞行控制律,而小型飞控计算机则涉及(1)小型计算机硬件的设计(2)遥控指令的接收与舵机的接口等交联关系,对体积和重量也有很高的要求,2.3人工智能技术,现代无人直升机的使用要求越来越高所执行的任务也越来越复杂存在的一个突出问题就是飞行的自主程度。要提高无人直升机的自主性人工智能控制技术是一个有效的途径。,小型机载综合传感器,任务管理软件,保证通信链接完成无人机与操纵人员间的交互,确保无人机能够：按命令或预编程序来完成预定任务对预知的目标做出判断确对随机出现的目标和事件做出反应,1,2,3,2.4通信技术,对于将来的无人武装直升机，它在执行作战任务时一方面需通过自身的机载探测设备获取外界信息，另一方面还需与地面控制指挥站进行战术信息交流收发，具备先进的数据链系统是很重要的。,宽带、大数据流量的数据链技术可以使无人直升机远距离快速准确地传输信息、实现超视距控制、但如何保