浅谈无人机及其应用

1、UESTC浅谈无人机飞行器及其应用目录无人机飞行空气动力及飞行姿态参数1无人机飞行性能及稳定性2无人机控制系统3无人机通信系统3无人机发射与回收系统4典型无人机及应用介绍4无人机飞行空气动力及飞行姿态参数无人机系统实时飞行仿真和综合测试平台是一个半物理仿真平台，它利用计算机技术模拟无人机的真实飞行环境。该平台主要由任务管理、导航与飞行控制计算机（以下简称：飞行控制计算机）及一些机载设备组成可以看出，在无人机系统中主要是飞行控制计算机与各种机载设备之间进行数据交换，因此我们可以在机载设备与飞行控制计算机的通信链路中进行飞行参数采集。机载设备与飞行控制计算机之间的数据通信是高度实时的，可以认为它们

2、通信的数据都是连续的。对这些连续的飞行参数进行实时辨识并不能达到判读飞行参数的目的，因为无人机是一个非线性、时变的多通道深度铰链的系统，单纯的某个飞行参数的时间曲线并不具备太多的实际意义。a.飞行参数处理方法：根据飞行参数数据特点，我们将飞行参数判读分成三个过程：预处理、基于专家规则的飞行参数自动b.飞行参数数据预处理：飞行参数数据采集设备故障以及数据传输的错误都会造成数据的不完整性、含噪声和不一致性。数据预处理采用滤波、平滑等数据处理方法能够提高数据质量和排除数据中的干扰。数据预处理的步骤是数据清理和数据变换。c.飞行参数数据清理：飞行数据中经常会出现一些变化异常的数据，其主要特征为：单位时

3、间内的信号变化量超出了该信号变化的正常范围、信号的幅值超出规定值、信号的变化规律不符合无人机及其系统的实际工作情况、飞行d.飞行参数数据变换：飞行数据中还经常会出现时间参数变化异常的数据，这时就需要对其进行软件或人工校正。对同性质参数采用数据融合的方法进行对比分析，用正确的数据来修改错误的数据。如为了提高系统的可靠性，无人机航向姿态系统和捷联惯性导航系统都提供飞机的航向姿态信息，此时可以利用一个系统的正确值来修正另一个系统的奇异值。对单个飞行参数的时序曲线中出现连续多个奇异点的情况采用基于序列变化模式的光滑曲线子段表示方法，从序列中选择奇异点邻近的极值点，用这些极值点生成光滑曲线子段来表示原始

4、序列。无人机飞行性能及稳定性 一无人机在飞行性能方面具有很大的优势，具体有一下一些方面：a.更强的机动性近代，战斗机内人体忍耐力会限制军队在快速行动期间利用飞机集中人员的数量，而无人战斗机消除了这一瓶颈，从而使得机动性大幅提高。 b.重量更小重量可以影响很多方面，如续航时间、加速、有效载荷等。毕竟驾驶舱内的一两名飞行员及所有物品会有很大的重量。 c.更好的空气动力不需要驾驶舱顶蓬。 d.环境感知利用无人战斗机能够在地面上构建虚拟座舱，这比飞机上安装任何装置都有效。而且，对于执行制空任务而言，环境感知是很重要的，而空空作战并不需要在实际飞机上进行侦察。 二无人机的稳定性无人机在稳定性方面较普通飞

5、机也具有很大的优势，从民用地形勘察方面来说，无人机的体积较有人机更小，空气动力的设计可以忽略驾驶者的生理机能，因此在飞行稳定性上较有人机有很大的优势。从军用战略应用上来说，无人机具有体积小，续航时间长的特点，较有人机在稳定性上也有很大的提升。无人机控制系统自主飞行控制系统是小型无人飞机的核心部分，它主要担负数据采集、控制律计算、航线控制、任务的执行与管理、紧急情况处理、起飞降落等重要飞行任务的执行，因此，飞行控制系统的性能直接关系到空中机器人的应用范围及任务能否完成。与常规飞行控制系统相比，小型无人机飞行控制系统不仅要求飞机及控制系统各部件不仅体积小、重量轻、功耗低、集成度高，而且是在无人参与

6、的情况下控制飞行器的姿态、速度和稳定性。因此，无人机对数据通信实时性具有较高要求，对飞控系统的动态特性具有较高要求。飞行姿态稳定控制系统主要由红外传感器组、GPS和信号处理与控制设备等组成。由于地面红外辐射强度远大于天空，使用一对反向安装的红外传感器就可确定一个轴向相对于地平面的倾斜。对于无人飞行器，只须安装前后、左右两对红外传感器，即可通过测量两对不同传感器之间的红外辐射信号差作为横滚、俯仰两个轴向相对地面稳定性控制的依据。小型无人机通常采用GPS方式导航。由于采用了独立的姿态控制系统，导航控制工作量大大减轻。执行任务前，需将航点坐标、任务点坐标、任务点半径、允许飞行高度等飞行数据存入单片机

7、Flash。在控制过程中，采用GPS和电子罗盘获取位置、高度及航向等信息以确定控制策略。进行正常数据采集时，单片机先采集GPS信息，每隔20ms从NMEA0183格式字符串中获取一次信息，并转换为指定的数据格式，再切换至电子罗盘数据，进行同样的操作，从而得到进行一次飞行状态判断所需的有效数据，进入导航计算状态。当导航计算完成后，切换回数据采集状态，开始下一次采集，如此循环直至接到其他控制命令。无人机通信系统无人机主要以搭载 可见光相机、CCD摄像机、红外摄像机、超光谱成像仪， 视频传输和数字相机设备及其它类型传感器。 视频传输可用于森林防护、空中巡逻、交通监管等监控领域，其突出优点是数据传输实

8、时高效；数码相机摄影主要用于城镇、开发区、厂矿、居民小区等小范围的测绘，其优点是高度低受天气影响小且精度高。 民用无人机通常可采用电台来进行飞机和地面控制系统的信息传输，无人机机载获取信息系统通常可通过电台以电磁波的形式向地面控制站台传输所获取信息，地面则可通过控制系统以通信系统为载体实现就无人机作业的全称控制，通信系统是无人机在作业和信息传输过程中不可缺少的一部分。无人机发射与回收系统a. 无人机的发射无人机在发射的时候正常情况下是采用跑道滑行起飞，此飞行的特点一般是针对大型无人机的起飞，而且该起飞方案对跑道要求比较高，对不良气象条件的实用性也较差。当跑道不允许或是不适合时，通常采用液压式起

9、飞。液压式弹射起飞对场地要求较小，激动灵活，隐蔽性好，但不适合大型无人机的起飞。也可由舰艇带发射架进行发射，这种起飞方式更适合于海上起飞和战场起飞，可一定程度上提高续航时间。b. 无人机的回收 无人机回收通常采用滑跑降落的方式，滑跑降落对无人机的损伤较小，但同时需要无人机具有起落架，轮胎等设备，提高了无人机在射击时的难度和复杂度，同时也需要无人机具备刹车装置。紧急情况下也采用降落伞进行回收，该回收方式不需要跑道，对气象要求较低，但回收地点不确定也不精确，对无人机飞行器平台的损伤比较严重，通常是在紧急情况下进行的回收方式。典型无人机及应用介绍 A,民用勘察无人机的应用以无人机为飞行平台，利用高分

10、辨CCD相机系统获取遥感影像，利用空中和地面控制系统实现影像的自动拍摄和获取，同时实现航迹的规划和监控、信息数据的压缩和自动传输、影像预处理等功能，可广泛应用于国家生态环境保护、航空摄影、测绘、矿产资源勘探、灾情监视、交通巡逻、电力巡线、治安监控、应急减灾、应急指挥、人工降雨、国防安全、国土资源勘探、城镇规划、地震调查、环境监测、森林防火、农作物估产、保护区野生动物监测、大气取样、海事侦察、边境巡视、禁毒侦察、消防侦察、生态环境保护、海洋环境监测、土地利用调查、水资源开发、农作物长势监测与估产、农业作业、自然灾害监测与评估、城市规划与市政管理、森林病虫害防护与监测、数字城市等领域。1,无人机在

11、突发性公共事件中的应用 中国每年因自然灾害、事故灾害和社会安全事件等突发公共事件造成的人员伤亡逾百万，经济损失高达数千亿。目前，我国正处在突发性公共事件的高发期，而且在未来很长一段时间内都将面临突发性公共事件所带来的严峻考验。从自然角度分析，中国也是世界上受自然灾害影响最为严重的国家之一，灾害种类多、灾害发生频度高、损失严重。自然灾害在中国有着较强的社会性，灾害造成的损失也在逐步增加。 突发事件的主要特征，一是突发性和难以预见性；二是破坏性；三是具有紧迫性。因为是突然发生的、非正常的、带有破坏性的事件，极易造成公众的恐慌，所以在处理突发事件时，就带有紧迫性的特点。突发事件对应急管理的要求是：迅

12、速判明情况，查明事件原因；实现快速响应，尽快到达现场；采取果断措施，实施正确指挥；进行紧急救援，防止事态发展；妥善安排善后，尽力减少损失。在这些环节中无人机都能够发挥出重要作用。具体说，无人机在处理突发事件过程中的主要作用体现在以下方面.一）实现快速响应，在第一时间到达现场，迅速展开作业 小型无人机只有几千克或十几千克，依靠遥控器或手提电脑就可以对其进行操控。装备该类无人机的小分队只需23人就可以完成任务。即使在道路被毁的情况下，徒步也可以到达事故现场。一架未组装起来的无人机，有的仅有一个标准行李箱那么大，放在汽车或飞机上就可以很方便地携运。有些无人机的起飞条件很简单，在汽车上就可以弹射起飞。

13、尤其是无人直升机的起降，有块几平米的平地就行。 如果是中型无人机，通常需要车载控制设备。其保障分队一般需要配备23辆吉普车，具有一定的越野能力，也能在最短时间内到达现场，实现快速响应。 无人机不仅能够有较快的反应能力，而且对环境和气象条件有较强的适应性，在这方面比有人驾驶飞机更优越。例如：参加“5·12”救援的无人机能在6级风下完成飞行任务，受阴、雨、雾等天气条件的限制比有人驾驶飞机要小得多。固定翼无人机起飞时一般只需要一条100米左右的跑道，只要周围没有突出的障碍物就可以自主起降。如果采用遥控起降方式，则只需要二三十米长的跑道，可以利用震后残存的公路顺利起降。飞机可超低空作业，受天

14、气条件的限制非常小，但是获取地面影像的速度非常快，可在半径15千米的范围内稳定可靠飞行数小时。 （二）采集现场数据，迅速将现场的视、音频信息传送到指挥中心，供指挥者进行判断和决策 无人机通常配置的基本设备就是多媒体采集系统，负责完成视、音频数据的采集，通过无线传输方式，传输到地面的接收机。其机载摄像机能够对视频数据进行编码压缩，以图像方式把视频数据送回指挥中心。如果配置高清晰度的数码摄像机，能够对现场进行高质量的视频采集以及音频的实时采集。比如安装视频采集的无人机能够采集稳定的视频画面，其数据传输距离可达30公里。 无人机能方便地使用摄像机、热像仪等各种载荷。即使是普通的民用级专业数码相机，也

15、能安装到飞机的平台上。配合自动曝光摄影等一系列先进技术，就能自动获取高清晰数码照片。通过后期处理，生成的数码影像和地形图可为灾难评估和灾后重建提供可靠的数据保障。在“5·12”抢险救灾过程中，无人机在第一时间获取了大量震后详细影像，为灾后救援提供了可靠的决策依据。 通过对灾区或事故现场进行视、音频图像采集并及时传报给指挥中心，能够使政府相关部门掌握现场情况第一手资料，对情况的分析更加全面、准确，使判断和决策更加及时、正确，反应更加迅速，各部门以及各类救援人员的协调也会更加充分。 （三）能够实现通信中继功能，快速恢复现场局部通信 空中通信中继是无人机的一个重要用途。当自然灾害（如地震、

16、洪水、泥石流、海啸等）发生时，在一定地域内地面原有的有线、无线通信系统均遭到破坏，此时此地，在最需要通信联络的时候信息传递就成为一个大问题。而无人机则可以作为一个便捷的通信中继机，在指挥中心与现场之间搭建一条无形的信息“桥梁”，快速构成一个应急局域无线通信网以解燃眉之急，为救灾赢得宝贵时间。 在“5·12”汶川特大地震中，地面通信遭到破坏，由于其特殊的地理和气象环境，对空通信保障也十分困难，通信联络是抗震救灾指挥中存在的一大难题，为此空军不得不派出一架专用飞机担负中继转讯任务。事实证明，由于该机在灾区上空架设了一条不问断的通信桥梁，扫除了高山峡谷内的通信盲区，为抗震救灾指挥部实时指挥

17、提供了强有力的技术支持。如果在地面通信中使用多个无人机分队进行配合，整个救灾指挥的通信环境就会更加完善。 （四）跟踪事件的发展态势，帮助指挥中心实施不问断指挥处理 由于无人机的使用方便快捷，到达现场之后能够迅速展开，展开之后就能够不间断地跟踪事件的发展，利于指挥中心及时掌握事件态势。在追踪事件态势方面，无人机有大飞机无法比拟的优点。由于其机体小巧，速度容易控制，机动性好，在需要急转弯时，无人机可以一下子转过来，大飞机就不行。此外无人机能超低空飞行，适应性更强，相对而言，大飞机在山区飞行就受限制。因、为飞得低，也能看得更清楚。 使用无人机获取信息的分辨率很高，可以达到0.1米。目前无人机所措载的

18、传感器一般都采用光学传感器，夜间使用还受到限制，如果配备红外或具有夜视功能的系统，其功能就更加强大。 （五）参与救援行动，投掷紧急救援渤资 不同的无人机都具有一定的负载能力。可以装载一定数量的装备或物资。在危急条件下，可以向被围困的受难者或处于恶劣环境下以正常手段不能被施救的人投放救援物资或工具，以帮助受固者尽快脱离危险。 （六）在媒介失灵的状态下，播撒传单，向受害人传递政府施救信息 我国目前正处于经济社会发展的关建阶段，各种社会矛盾不断涌现，即使是人民内部矛盾也会出现一些新问题，如果处置失当，有可能会出现骚乱、械斗甚至暴乱等影响社会安全的重大事件。当该类事件出现时，由于参加的人群众多，容易缺乏理智，现场很难控制。必要时可利用无人机播撒传单，向现场群众传递有关信息，引导群众配合政府的施救行动。 B，军用战术无人机的典型应用2001年前，无人机主要用于执行侦察、监视和情报搜集任务，或者用作诱饵。2001年2月，“捕食者”（Predator）无人机首次试射“地狱火”（Hellfire）导弹，这对无人机的作战使用产生了深远影响。2001年9月11日的恐怖袭击，产生了用配备“地狱火”导弹的“捕食者”无人机攻击阿富汗、也门和巴基斯坦恐怖分子的需求。就在作战行动的第一年，美军攻击了阿富汗的115个目标，中央情报局运