无人机系统导论（微课版）课件 第1-4章-无人机概述 -无人机动力装置

本章主要介绍无人机的概念、特点、组成、分类等基本知识，以及无人机的发展历程和现状。通过本章的学习和实训演练，使学生对无人机系统及其产业链有一个总体的了解，为下一步的学习打下基础。第一章无人机概述1.1无人机的概念和组成1.2无人机的分类1.3无人机发展历程和现状1.4实训演练教学目录知识目标掌握无人机的概念和特点。了解无人机的系统组成。了解无人机按照飞行平台构型的分类。掌握军用无人机和民用无人机的区别。了解无人机的发展历程。掌握国内外无人机的发展现状。能力目标能准确描述国内外关于无人机的定义。能准确理解民用无人机的主要应用领域。能准确叙述国内外无人机发展的现状。素质目标培养对比相关概念异同点的能力。培养爱国情怀和科技报国精神。通过了解无人机产业链，培养良好的团队协作能力和沟通能力。1.1.1无人机的概念

1.1.2无人机的特点

1.1.3无人机系统的组成1.1无人机的概念和组成国际民航组织无人机，英文的全称为UnmannedAerialVehicle，简称UAV，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机，或者由车载计算机完全或间歇地自主地操作。1.1.1无人机的概念在2012年国际民航组织328号通告中，“无人驾驶航空器”（UnmannedAircraft，UA）被定义为“运行时无机上驾驶员的航空器”（Anaircraftwhichisintendedtooperatewithnopilotonboard）；“无人驾驶航空器系统”（UnmannedAircraftSystem，UAS）则被定义为“飞行器本体及相关部件运行时无机上驾驶员的飞行器”（Anaircraftanditsassociatedelementswhichareoperatedwithnopilotonboard）。在2015年国际民航组织印制的《遥控驾驶航空器系统手册》（10019号文件）中，UAS是指由无人机及与其相关的遥控站（台）、任务载荷和控制链路等组成的系统，强调了无人机作为一个完整系统的概念；遥控航空器（RemotelyPilotedAircraft，RPA）是指从无人机飞行员角度出发，强调无人机是一种由飞行员控制的“遥控航空器”。国际民航组织对无人机的定义国内1.1.1无人机的概念2015年中国民用航空局飞行标准司发布的《轻小无人机运行规定（试行）》提出：无人机是由控制站管理（包括远程操纵或自主飞行）的航空器。2020年我国工业和信息化部在《民用无人机生产制造管理办法（征求意见稿）》第四条指出：本办法所指民用无人机，是指动力驱动，具备位置保持飞行功能的无人驾驶航空器。2021年中国民用航空局下发的《民用无人驾驶航空器操控员管理规定（征求意见稿）》中指出：无人机是指没有机载操控员操控，自备飞行控制系统，并由遥控台（站）管理的航空器。2023年6月由国务院、中央军委发布的《无人驾驶航空器飞行管理暂行条例》中，无人驾驶航空器被解释为“没有机载驾驶员、自备动力系统的航空器”。我国对无人机和无人驾驶航空器的定义项目无人机弹道飞行器巡航导弹飞行原理依靠空气动力产生升力，通过机翼、旋翼等产生的空气动力来维持飞行，可盘旋、转向等在火箭发动机推力作用下按预定程序飞行，发动机关机后按自由抛物体轨迹飞行依靠空气喷气发动机产生的推力和弹翼产生的升力，近于恒速、等高度飞行飞行高度可在低空、中空等不同高度灵活飞行大部分时间在大气层外沿着椭圆轨道飞行在稠密大气层内以巡航状态飞行动力系统常用电动、油动或混动系统采用火箭发动机，自身既携带燃烧剂，也携带氧化剂通常采用空气喷气发动机，只携带燃烧剂，利用空气中的氧气助燃制导方式可通过遥控、预设航线、自主导航等不同方式控制大部分只在主动段制导，依靠惯性导航等确定飞行轨迹采用全程制导模式，如惯性制导、卫星制导等功能用途用途广泛，包括侦察监视、航拍测绘、物流配送、农业植保、电力巡检、灾害救援等，还可挂载小型武器进行攻击，但非主要作战武器主要用于战略打击和核威慑，攻击大城市、军事基地等重要固定目标，也可携带常规弹头进行远程精确打击多为战术打击武器，用于摧毁敌方防空系统、雷达站、指挥中心等关键军事设施，也可作为战略武器使用可回收性一般可以回收或自动着陆，可重复使用，使用成本相对较低通常是一次性使用，制造、发射和维护成本高昂通常是一次性使用，成本较高，但相比弹道飞行器略低弹道飞行器是一种在大气层内或大气层外按照预定的弹道轨迹飞行的飞行器，巡航导弹是一种以巡航状态在大气层内飞行的导弹。无人机与弹道飞行器或巡航导弹不同无人机与有人机不同项目无人机有人机驾驶方式不需要驾驶员在机上操控，通过地面站、遥控设备或预设程序进行控制，可实现自主飞行或远程遥控飞行需要驾驶员在驾驶舱内直接操作各种飞行控制设备，实时根据飞行状况和指令进行判断和操作，以确保飞机的安全飞行和任务执行飞行性能体积较小、重量轻，机动性强，可在低空、低速状态下灵活飞行，部分无人机还能实现垂直起降和悬停，但飞行速度有限能适应复杂的气象条件和飞行环境，大型客机和运输机可以进行长距离飞行，战斗机则能达到很高的飞行速度和升限任务应用广泛应用于航拍、测绘、植保、物流配送、电力巡检、灾害救援等民用领域，以及侦察、监视、电子干扰等军事领域。在一些危险、恶劣或对人员有潜在威胁的环境中，无人机能够发挥独特作用在客运、货运、军事作战、航空摄影测量等方面具有不可替代的作用。特别是在大规模人员和物资运输、高端军事作战任务等方面，有人机凭借其强大的载荷能力和复杂任务处理能力，仍然是主要的航空工具操作培训操作人员通常只需经过相对较短时间的培训，掌握无人机的基本操作技能、飞行安全知识和相关任务设备的使用方法，即可进行常规的飞行操作驾驶员需要经过长期、系统的专业培训，包括理论学习、模拟飞行训练、实际飞行操作等多个环节，还需具备良好的身体素质和心理素质无人机与航模不同项目无人机航模任务应用广泛应用于军事侦察、民用测绘、农业植保、物流配送、应急救援等领域，以完成特定任务为主要目的主要用于体育运动、休闲娱乐或航空知识科普、航空技术研究的初期验证等，一般不执行实际工作任务控制系统配备复杂且先进的飞控系统，融合了卫星定位、惯性导航、气压高度计、陀螺仪等多种传感器，能够实现自主飞行、自动悬停、航线规划飞行、自动返航等功能主要依靠遥控器进行实时操控，没有自主飞行和复杂的导航能力。飞行姿态和动作完全由操控者根据视觉观察，通过遥控器发出指令来控制，对操控者的技术水平要求较高硬件设备为满足不同任务需求，会搭载各类专业设备，如高清相机、热成像仪、激光雷达、大气监测设备、农药喷洒装置等硬件配置相对简单，以满足飞行表演和竞技需求为主。通常搭载简单的摄像头用于拍摄飞行画面，以增加飞行乐趣。管理法规受到严格监管，飞行时需进行实名登记，部分地区还需申请飞行空域和飞行计划，飞行过程中要遵守相关的飞行安全规则，以确保民航安全和公共安全在一些地方也受到一定的管理规定约束，但相对无人机来说，管理要求较为宽松航模，是指通过遥控器或者控制线来控制飞行器，而无人机是通过飞控系统来控制它的姿态和航线。核心优势主要局限小巧灵活，适应性强无人机小巧轻便，可在复杂地形、狭小空间灵活作业，适用于山区搜救巡检、农田植保、工地航拍，且部署快捷、投入使用效率高。性价比高，经济实用无人机结构简单，省去生命保障系统，制造成本更低；无需配备飞行员，人工开支少，且零部件简易、维护成本低。安全可靠，智能可靠无人机搭载智能控制系统，可自主安全飞行，能深入各类高危区域作业，规避人员风险，同时自动化飞行可减少人为操作失误。续航能力有限无人机依靠电池供电，受限于电池性能，续航普遍偏短，难以支撑长时、远距离作业，频繁补能也会降低工作效率。载重能力受限受机身与动力约束，无人机载重有限，载荷重量偏低，制约了设备搭载与功能拓展。抗干扰能力弱恶劣天气、复杂电磁环境易干扰无人机飞行，不仅影响飞行稳定与安全，还可能损坏设备、造成信号异常甚至失控。功能多元，用途广泛无人机可搭载各类设备拓展功能，搭配摄像头用于航拍，配送装置实现小件运输，传感器完成农业、环境监测，也可承担军事侦察与作战任务。数据处理能力有限无人机采集图像、传感等数据，但机载处理能力有限，复杂运算需回传地面，既加重传输负担，也易造成决策滞后。1.1.2无人机的特点导航系统通信系统飞行控制系统飞行系统动力系统高清摄像机红外摄像机多光谱传感器任务载荷系统激光雷达飞行与着陆系统遥控系统监控系统地面控制系统数据处理中心数据链路系统上行链路下行链路中继链路无人机系统根据任务，无人机系统可分为飞行系统、任务载荷系统、地面控制系统、数据链路系统等。1.1.3无人机系统的组成飞行系统相当于无人机系统的“心脏”部分，对无人机的稳定性，数据传输的可靠性、精确度、实时性等都有重要影响，对其飞行性起到决定性的作用。飞行系统主要由动力系统、导航系统、通信系统、飞行控制系统等组成。飞行系统任务载荷系统包括无人机执行任务所携带的各种任务设备，是无人机执行任务的必要“手段”。激光雷达可测绘建模，高清相机用于影像记录，红外相机适配夜间及复杂环境搜救、安防，多光谱传感器服务农业与环境监测，按需搭配可实现多元功能。任务载荷系统地面控制系统主要完成飞行环境检测、飞机性能状态及机载设备监控、起降控制等任务，由数据处理中心、飞行与着陆系统、遥控系统、监控系统等组成，负责规划航线、收发操控指令，实时监测无人机工况并汇总解析各类飞行与作业数据。地面控制系统数据链路系统是无人机与地面站的通信桥梁，包含中继、上行、下行三类链路，可延伸通信距离、抵御环境干扰，负责双向传输操控指令与飞行、影像数据，主要采用无线电、卫星等通信方式，保障无人机作业稳定可靠。数据链路系统1.1.3无人机系统的组成1.2.1按照飞行平台构型分类

1.2.2按照用途分类

1.2.3按照运行风险分类1.2无人机的分类固定翼无人机，其机翼固定在机身上，且具有特定翼型。这类无人机的飞行原理与传统飞机相似，通过机翼与来流空气发生相对运动产生升力，从而实现飞行。固定翼无人机01多旋翼无人机依靠螺旋桨产生向上的升力，进而带动无人机整体飞行，它具有三个及以上的旋翼轴，常见的有四轴、六轴、八轴等。多旋翼无人机02一种由无线电地面遥控飞行或自主控制飞行的不载人旋翼飞行器，能实现垂直起降。它的飞行原理和有人直升机类似，主要依靠螺旋桨旋转产生升力。无人直升机03一种轻于空气的航空器，与热气球的最大区别在于它具备推进和控制飞行状态的装置。无人飞艇依靠艇体内的气体产生浮力，实现升空飞行，并通过推进器和舵面控制飞行方向和速度。无人飞艇041.2.1按照飞行平台构型分类项目固定翼无人机多旋翼无人机无人直升机无人飞艇优势（1）飞行距离长，巡航面积大；（2）飞行速度快，高度高；（3）可设置航线自动飞行；（4）载荷较大；（5）可设置回收点坐标，自动降落（1）体积小，重量轻，噪声小，隐蔽性好，适合多平台、多空间使用；（2）可以垂直起降、悬停、侧飞、倒飞；（3）飞行高度低，具有很强的机动性，执行特种任务能力强；（4）结构简单，控制灵活，成本低，拆装便利，容易维护（1）飞行距离长，巡航面积大；（2）起降受场地限制少；（3）载荷较大（1）建造与运营成本低廉；（2）具有长时间驻空能力；（3）飞行高度和覆盖范围具有优势不足（1）不能悬停；（2）只能按固定航线飞行，不够灵活；（3）操作难度较大，容易产生风险（4）上手较难，需要经过专业培训；（5）成本较高（1）飞行速度慢，飞行距离较短；（2）难以实现高空、高速度飞行；（3）环绕建筑拍摄或者飞越大面积建筑群的难度大，容易发生危险（1）结构复杂，

故障率高；（2）操作难度大；（3）成本较高（1）飞行速度相对较慢；（2）受气流等气象因素的影响较大；（3）自身控制能力弱，容易受到多种不可抗力因素的影响常见无人机的特点对比军用无人机是指用于军事领域的，利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵，或通过机载计算机自主操作的不载人飞机。其诞生可追溯至第一次世界大战期间，当时英国军方在秘密研究一种能由无线电操纵、不需要人员驾驶的小型飞机，这种小型飞机可携带炸弹飞至敌方目标区上空实施轰炸。1927年，英国在“堡垒”号军舰上成功试飞“喉”式单翼无人机，就此拉开了无人机作战的序幕。第二次世界大战期间，无人机主要承担作战支援任务，如目标侦察、战场毁伤评估，更多是作为靶机使用。20世纪90年代，美国军用无人机在局部战争中初露锋芒，开创了信息战、科技战、电子战及特种联合作战的成功战例，开启了无人机发展的新篇章。1.2.2按照用途分类按照用途的不同，无人机可以分为军用无人机和民用无人机。近年来，随着技术的不断进步和成本的逐渐降低，民用无人机市场呈现出爆发式增长，其应用领域也不断拓展，涵盖了影视航拍、物流配送、电力巡检、农业植保、测绘地理信息等多个行业，成为推动低空产业发展的重要力量。2024年年底，我国在民用无人驾驶航空器产品信息系统备案企业达600余家，备案产品1800余种，产品数量超过170万架。民用无人机是指从事除用于执行军事、警察和海关飞行任务外的无人驾驶航空器，机上没有机载驾驶员，自备动力系统。民用无人机技术起源于军用无人机，20世纪90年代到21世纪初，全球卫星定位系统（GPS）、微电子机械系统（MEMS）和磁力同步自动驾驶机等新兴技术，使民用无人机得以快速发展。民用无人机1.2.2按照用途分类1.2.2按照用途分类侦察无人机通过安装光电、雷达等各种传感器，如光学照相机、微光（红外）摄像机、热成像仪等，实现全天候的综合侦察能力，能在战场上空进行高速信息扫描，也可低速飞行或者悬停凝视，为部队提供实时情报支持。在现代战争中，侦察无人机扮演着至关重要的角色，堪称战场的“千里眼”。它凭借先进的技术，能够深入敌方空域，获取关键情报，为作战决策提供有力支持。无论是监视敌军动态、探测目标位置，还是评估战场态势，侦察无人机都展现出了无可替代的优势。“全球鹰”侦察无人机侦察无人机攻击无人机通常携带小型、大威力的精确制导武器去执行军事打击任务，它在现代战争中已成为一种极具威慑力的进攻武器，犹如空中的“致命刺客”，悄无声息却能给予敌人致命一击。它能够在复杂的战场环境中，对敌方目标实施精准打击，极大地改变了战争的作战模式和胜负天平。“攻击-11”攻击无人机攻击无人机通信中继无人机作为一种特殊的无人机类型，承担着构建“空中桥梁”的重任，它可增加信息的传输距离，为作战各方提供稳定、高效的通信保障。它的通信中继原理是在通信网络中充当空中节点，接收来自一方的通信信号，进行信号增强和转发，从而实现不同区域之间的通信连接。在复杂的战场环境下，地形起伏、电磁干扰等因素常常导致地面通信受阻，中继通信无人机能够在空中建立起稳定的通信链路，保障作战部队之间、作战部队与指挥中心之间的通信畅通。“翼龙”-2H应急救灾无人机通信中继无人机靶机无人机是在军事训练中用于模拟飞机、导弹和其他各种飞行器的无人机，主要用于鉴定各种航空武器的性能、训练战斗机飞行员以及防空武器操作员等，堪称武器系统的“空中陪练”。靶机无人机通过模拟各种真实的飞行目标，为防空武器系统提供了逼真的实战训练环境，有效提升了武器系统的实战能力和作战效能。云影-5000T隐身靶机无人机靶机无人机诱饵无人机是指搭载一些专用电子设备，具有与被模拟的目标相似的机动性能，并能发出一些模拟目标的“电子图像”，以欺骗、迷惑敌方防空系统或其他探测设备的无人机。诱饵无人机一般携带雷达回波增强器或红外模拟器，模拟空中目标，欺骗敌方雷达和导弹，引诱敌方防空兵器射击，掩护己方机群突防。ADM-20诱饵无人机诱饵无人机电子对抗无人机的功能是对指挥通信系统、地面雷达和各种电子设备实施侦察与干扰，支援各种攻击机和轰炸机作战。在现代战争中，电子对抗无人机已成为电磁战场上的关键力量，犹如“隐形杀手”，在无形的电磁空间中发挥着巨大的威力。它利用自身搭载的先进电子设备，对敌方的雷达、通信系统等实施干扰和破坏，从而为己方作战创造有利条件，改变战场态势。无侦-10无人机电子对抗无人机影视航拍无人机，以其灵活机动的身姿和独特的拍摄视角，为影视创作打开了全新的维度。它摆脱了地面拍摄的局限，能够轻松穿梭于山川湖海、城市街巷之间，捕捉那些令人叹为观止的宏大场景与细腻瞬间。从气势磅礴的自然风光，到繁华都市的车水马龙，再到扣人心弦的动作场面，影视航拍无人机都能以独特的视角，为观众带来震撼的视觉体验。DJIMavic3影视航拍无人机影视航拍无人机物流配送无人机被人们形象地称为“空中快递员”，它的出现为物流行业带来了一场新的变革。物流配送无人机凭借其独特的优势，成为解决“最后一公里”配送难题的有力工具。它不受地面交通拥堵的限制，能够在空中快速穿梭，以最快的速度将货物送到客户手中，大大提高了配送效率。同时，它还能降低人力成本，减少配送过程中的不确定性，为物流企业带来更高的效益。方舟（ARK）80无人机物流配送无人机电力巡检无人机作为一种高效、灵活的检测工具，成为了电网运维的得力助手，犹如高空“侦察兵”，时刻守护着电网的安全。传统的电力巡检方式主要依靠人工，不仅效率低下，而且在面对复杂地形和恶劣环境时，巡检人员的安全也面临着诸多挑战。而电力巡检无人机的出现，有效解决了这些问题。它能够快速、准确地对电力线路进行全方位检测，大大提高了巡检效率和安全性。大疆经纬M300RTK无人机电力巡检无人机农业植保无人机能够快速、高效地完成农药喷洒、种子播撒、肥料施加等作业，大大提高了农业生产效率，减少了人工成本和劳动强度。同时，其高空飞行和精细喷雾技术能有效避免农作物之间的交叉感染，并减少农药的使用量，降低环境污染。此外，农业植保无人机还能搭载多光谱成像设备对农田中的作物进行高分辨率扫描，通过专业的图像处理软件对病虫害进行精确识别和分析，防止病虫害对农田造成损失。大疆T50农业植保无人机农业植保无人机地理测绘无人机是一种利用先进技术进行地理信息采集和测绘的重要工具，它通过搭载高精度的测绘设备，如光学相机、激光雷达等，能够快速、准确地获取地面数据，为城市规划、土地资源调查、地质勘探等众多领域提供关键的数据支持。地理测绘无人机的出现，改变了传统测绘中需要耗费大量的人力、物力和时间的情况，成为现代测绘领域的主力军。R500RTK测绘无人机地理测绘无人机气象监测无人机是现代气象观测领域的重要力量，它凭借灵活便捷、可快速抵达指定区域的特点，为气象研究和预报提供了关键的数据支持。气象监测无人机能够深入那些难以到达的区域，如海洋、高原、极地等，获取高空气象数据，弥补了传统观测手段的不足，为气象研究提供了更全面、更精准的数据。它还可以实时监测气象要素的变化，帮助气象学家更准确地预测天气变化，提前做好灾害预警，为人们的生产生活提供有力的保障。“海燕”I型无人机气象监测无人机项目军用无人机民用无人机任务用途用于军事任务，如侦察敌情、监视战场、通信中继、电子战、攻击目标等，具备多种作战能力用于航拍、农业植保、物流运输、电力巡检、灾难救援、测绘、影视拍摄等，注重便捷性、功能性和经济性，满足民用领域需求续航能力小型军用无人机续航时间通常为数小时以上，大型军用无人机可在空中停留数天或更长时间，以满足长时间侦察、监视或作战需求通常较短，在几十分钟到几个小时速度高度飞行速度和高度范围广，一些高速军用无人机速度可达几百千米每小时甚至更快，飞行高度可达数万米，可执行特殊任务，避开敌方防空系统飞行速度相对较慢，通常在几十千米每小时到一百多千米每小时；飞行高度有限制，通常在几百米到数千米内，需确保在民用空域安全飞行并符合法规要求载荷能力强大，需搭载各种侦察设备、武器系统、电子战设备等，如察打一体无人机要搭载光电、红外侦察设备及导弹、炸弹等武器，对机身结构和动力系统要求高较小，主要搭载摄像头、传感器等小型设备用于完成拍摄、测量等任务，物流运输民用无人机载荷通常在几千克到几十千克结构材料结构复杂，考虑在各种恶劣环境（高温、低温、高湿度、高海拔、强风等）下使用，机身通常采用模块化设计，便于维护和更换零部件，具有较好的抗冲击、抗摔打能力结构相对简单，注重轻量化和便携性，方便用户携带和操作，机身通常采用一体化设计，机身强度和防护性能相对较弱代表产品美国“全球鹰”、我国“翼龙”系列等我我国大疆精灵系列、丰翼无人机等军用无人机与民用无人机的对比低风险无人机微型无人机微型无人机空机重量小于0.25kg，设计性能同时满足飞行真高不超过50m，最大飞行速度不超过40km/h，飞行速度大多维持在每小时10～20km。这类无人机机身小巧便携、配置简易飞控，多用于儿童玩具与个人娱乐，机身重量小，坠落不易伤人毁物。部分轻型无人机部分轻型无人机空机重量不超过4kg，最大起飞重量不超过7kg，时速不超过100km/h且仅限半径500米视距内飞行的轻型无人机，操作简单易上手，经短时培训即可使用，多用于爱好者航拍与小型场地测绘，受飞行范围和性能限制，使用风险偏低。1.2.3按照运行风险分类中风险无人机中型无人机中型无人机最大起飞重量超过25kg，但不超过150kg，且空机重量超过15kg，飞行高度可达1000-2000米、续航数小时，多用于农林植保、大范围精密测绘，但因飞行空域大，故障失控易引发坠物事故，使用风险中等。在复杂环境下运行的一些轻型无人机以在城市环境中飞行的轻型无人机为例，尽管其本身参数风险偏低，但城市中有大量的建筑物、人群和其他障碍物，易发生碰撞坠机伤人，再加上复杂电磁环境易干扰飞控造成失控，因此这类在复杂环境下运行的轻型无人机也被归为中风险类别。1.2.3按照运行风险分类高风险无人机大型无人机大型无人机的最大起飞重量超过150kg，这类无人机通常配备高性能的发动机和先进的飞行控制系统，载重和续航能力优异，可用于偏远物资运输、大范围测绘等，不过机身硕大、飞行性能强，故障坠落破坏力大，遭不法滥用还会严重威胁公共安全。用于特定高风险作业的无人机在电力设施附近进行带电作业的无人机，易导致无人机自身损坏和引发电力系统短路、停电等严重事故。在军事区域附近飞行的无人机，引发军事安全事件。携带武器或危险物品的无人机，其一旦投入使用，都可能造成难以估量的破坏和危害，运行风险极高。1.2.3按照运行风险分类1.3.1无人机发展历程

1.3.2国外无人机发展现状

1.3.3我国无人机发展现状1.3无人机发展历程和现状探索阶段在意大利独立战争中，奥军投放两百枚载炸弹无人气球空袭威尼斯，因仅靠风力操控精准度极差，作战失败，但拉开了无人装备探索的序幕。1898年特斯拉造出无线电遥控船，验证远程无线操控思路，奠定了无人机遥控技术理论，其军用鱼雷方案虽未被美军采纳，却为后续无人机发展打下关键基础。尝试阶段一战初期英国将领提出无线电遥控无人炸弹构想，试验虽失败，却是现代无人机的起点。1917年陀螺稳定器问世，搭配改良无线电系统，英国试飞成功全球首台动力遥控无人机“空中目标”。战后英国海军研发靶机无人机，经典机型“女王蜂”是“无人机”一词的起源。应用阶段二战推动无人机实用化发展。1935年英国“女王蜂”可回收复用，性能优异，服役十余年，让无人机正式投入实战侦察；美国同期研发多款靶机，TDR-1攻击无人机可远程遥控、挂载重型弹药并投入实战；德国融合遥控与靶机技术造出V-1巡航导弹，衍生出导弹分支，后续导弹技术与无人机相互促进，如今导弹品类繁多。实用阶段冷战美国升级火蜂侦察机，越南战争投入低空侦察，同步开展隐身无人机研发；70至90年代以色列无人机快速崛起，多款自研机型在贝卡谷地空战完成侦察通信任务。我国1965年启动长空一号靶机研制，1966年首飞、1976年定型，实现国内无人机从零到一的突破，积累技术经验、夯实国防基础。飞速发展阶段如今无人机军民双线发展，民用覆盖物流、农业、气象等诸多场景。技术上依靠氢能、太阳能延长续航，5G优化通信，AI实现自主避障、识别跟踪等智能操作。无人机凭借灵活低成本优势成为低空经济核心支柱，行业增速突出；大量企业入局，芯片、电池、软件等完整产业链成型，上下游协同推动技术与应用持续升级。1.3.1无人机发展历程美国是无人机早期研发大国，依托雄厚实力建成全谱系层级完备的无人机体系。2013年，美军已经投入使用的无人机多达百余种。同年，美军无人机装备达10964架，飞行小时数逐年增加，2016年超过55万小时。2018年6月，美国《时代周刊》提出无人机将从愿景阶段走向大规模实用阶段。美国以色列无人机技术全球领先，龙头企业IAI公司早年量产“苍鹭”、“搜索者”等远程侦察无人机并远销多国，如今“苍鹭”无人机升级为“苍鹭”MK-2察打型无人机，和“Elbit”公司的“赫尔墨斯”900共同成为以色列察打型无人机的典型代表。以色列针对美军无人机装备的大力发展和频繁地投入作战，俄罗斯不断研制新型的作战无人机。俄罗斯军方依靠多家著名公司和研究所开展中空长时察打型无人机、重型快速攻击型无人机等研制和试飞验证工作，先后推出了“猎户座”、“格罗姆”等多款具备打击能力的无人机。俄罗斯1.3.2国外无人机发展现状机型基本战技指标任务类型侦察载荷武器载荷火力侦察兵MQ-8B旋翼，巡航高度3km，作战半径约280km，续航能力约8h，全机挂载能力362kg对低空及地（海）面目标巡逻监视、侦察打击合成孔径雷达、激光指示器/测距仪导弹、火箭弹、鱼雷和其他武器系统捕食者

A翼展14.8m，续航时间40h，巡航速度126～162km/h，机内侦察载荷204kg，机外武器载荷100kg对中低空静目标、低速动目标侦察打击EO光电球、合成孔径雷达、电视摄像机等“海尔法”空地导弹捕食者

B翼展20m，机内载荷363kg，机外武器载荷1360kg，最大飞行速度482km/h，满载时巡航高度9km对中高空静目标、中低速动目标侦察打击，为地面部队提供近距空中支援EO光电球、合成孔径雷达、电视摄像机等GBU-12激光制导炸弹、“AGM-114海尔法”空地导弹、GBU-38联合直接攻击导弹捕食者

C具备隐身能力，翼展约20.1m，最大载荷1360kg，巡航速度740km/h，作战高度超过18km对中高空静目标、中低速动目标侦察打击1.3.2国外无人机发展现状美国主要察打型无人机基本性能机型基本战技指标作战经历猎户基础型翼展16m，起飞质量1100kg，作战载荷200kg，巡航速度120～200km/h，续航时间24h2019年完成首次实战打击试飞，包括17次打击任务、20次侦察任务和1次其他打击任务阿尔蒂乌斯-RU最大起飞质量6000kg，有效载荷2000kg，飞行速度200km/h，续航时间48h，航程约10000km，升限12000～14000m试验阶段格罗姆最大起飞质量7000kg，有效载荷2000kg，最大飞行速度1000km/h，航程800km试验阶段猎人-B翼展19m，最大起飞质量2000kg，有效载荷3000～8000kg，最大飞行速度1000km/h，航程约6000km，升限12000m试验阶段机型基本战技指标作战经历苍鹭

MK-2翼展16.6m，起飞质量1350kg，有效载荷450kg，最大平飞速度240km/h，升限13700m，续航时间45h目前该型无人机作为印度军队主要无人机型，使用频次逐年上升赫尔墨斯

900翼展15m，起飞质量1180kg，作战载荷350kg，巡航速度130km/h，实用升限9145m，作战半径2250km，续航时间36h在某军事行动中，累计飞行时间达数百小时；发挥了情报支援、作战引导作用1.3.2国外无人机发展现状俄罗斯以色列“彩虹”系列无人机中国航天科技集团研制的彩虹系列无人机性能优异、性价比高，是我国外贸高端装备的代表；其中彩虹-5为成熟的大型长航时察打一体无人机，彩虹-6具备高飞、重载、长续航优势，最新亮相的彩虹-7采用隐身设计、翼展超27米，可在高强度作战环境中执行侦察、情报搜集及远程武器目标指引等任务。1“腾盾”系列无人机2016年成立的四川腾盾科创发展迅速，兼顾军民领域需求，2017年推出多款固定翼与旋翼无人机，多用于安防、科考等工作；旗下标杆机型双尾蝎A为全球首款大型三发模块化长航时无人机，特殊双尾撑布局提升机体强度与航程。2BZK-005系列无人机由北航与哈飞联合研制的BZK-005为中低空长航时多用途无人机，2006年亮相珠海航展、2015年参与抗战胜利阅兵，后续衍生多款机型，其中BZK-005C为军用察打一体型号，外贸版BZK-005E凭借优良性能远销海外，全系列产品适配各类使用需求。3“翼龙”系列无人机中航成飞研制的翼龙系列为中低空长航时多用途无人机，2005年立项、2007年翼龙-1首飞，现已形成多型号产品并热销海外；其中翼龙-2H曾在河南暴雨灾害中奔赴灾区，长时间搭建空中通信基站，助力抢险救援。4“大疆”系列无人机2006年成立的大疆是全球消费级无人机龙头，占据全球七成至八成市场份额、产品销往百余个国家，先后推出精灵、M350RTK、Neo2、Flip等多款机型覆盖不同使用需求，企业后续还将布局载人货运、公共服务等多元化业务。51.3.3我国无人机发展现状1.4实训演练——无人机产业链发展探究无人机行业近年来发展迅猛，其产业链涵盖上游的研发制造到下游的应用服务等环节。本次实训演练通过对无人机产业链的探究，帮助学生从宏观角度了解无人机行业，为后续学习无人机技术和应用奠定基础。全面了解无人机产业链构成，包括上游零部件供应、中游整机制造、下游应用服务等环节，熟悉产业链各环节代表性企业的业务模式、市场地位和竞争优势，分析各环节之间的关系和协同作用，能够根据市场需求和产业发展趋势，对无人机产业链的未来发展进行合理预测和展望。实训目标实训背景1.4实训演练——实施步骤学生分组，每组负责收集无人机产业链某一环节的资料，如上游的芯片、传感器、电池等零部件制造；中游的消费级、专业级、工业级无人机整机生产；下游的航拍、测绘、物流、农业植保等应用领域。分组分工01通过网络搜索、行业报告查阅、学术论文研究等方式，收集各环节代表企业的信息、产品类型、技术特点、市场规模、发展趋势等资料，整理成文档，并深入分析所选企业的发展历程、核心产品、技术研发、市场布局、商业模式等内容，制作企业分析报告。收集信息02每组制作PPT，汇报本小组调研的企业情况，在全班交流不同企业在产业链中的角色和价值，讨论产业链各环节之间的协同机制，如零部件供应如何影响整机性能，下游应用需求如何推动中游整机制造和上游技术研发的创新，分析当前无人机产业面临的机遇和挑战等。组间交流03本章小结本章首先介绍了无人机的概念、特点及无人机系统的4个组成部分，即飞行系统、任务载荷系统、地面控制系统和数据链路系统；其次从飞行平台构型、用途、运行风险3个角度介绍了无人机的分类，重点是军用无人机和民用无人机两大类，并对这两类无人机进行了比较；最后介绍了无人机的发展历程及国内外无人机的发展现状，美国、以色列等国家无人机技术发展较早，尤其是在军用无人机领域长期处于领先地位，而我国的无人机产业发展势头迅猛，以大疆为代表的一批无人机研制和生产的院所与企业正在蓬勃发展。另外，实训演练中对无人机产业链进行探究，能够加强学生对无人机重要性和产业发展趋势的理解，为后续的学习打下良好基础。感谢您的观看！一起好好学习共同天天向上本章首先介绍大气环境基础知识，其次以固定翼无人机为例介绍升力和阻力产生的原理及其影响因素，最后介绍无人机的操稳特性，包括平衡、稳定性和操纵性。第二章无人机飞行原理2.1无人机的飞行环境2.2升力和阻力2.3无人机的操稳特性2.4实训演练教学目录知识目标了解大气层结构和大气物理特性。了解气体状态方程。掌握流体流动的基本规律。了解常见的固定翼无人机翼型。掌握升力和阻力产生的原理及其影响因素。了解无人机操稳特性的主要内容。能力目标能准确描述大气的物理特性。能准确理解气体状态方程和升力与阻力产生的原理。能准确叙述升力和阻力的影响因素。素质目标形成飞行原理的知识体系。能够表述流体运动基本规律，培养科技创新和科技报国精神。了解大疆无人机产品，培养良好的团队协作能力和沟通能力。2.1.1大气层结构和气象要素2.1.2气体状态方程和物理特性2.1.3流体流动的基本规律2.1无人机的飞行环境对流层气温随高度升高而降低；风向、风速经常变化；空气上下对流激烈；有云、雨、雾、雪等天气现象。散逸层散逸层为地球大气最外层，无明确上界，层内空气稀薄，又远离地面，受地球引力作用很小，大气分子不断地向星际空间逃逸。热层热层直接受太阳短波辐射，空气处于高度电离状态，温度随高度增高而上升，该层空气密度极低且随高度不断减小。中间层气温随高度升高而下降，且空气存在相当强烈的垂直方向运动，适合超高空长航时飞行器等及采用吸气式动力的飞行器平稳飞行。平流层气流较平稳，能见度较好，气温受地面影响较小，但在30km以上，平流层的臭氧层会大量吸收太阳紫外线而使气温迅速升高。根据大气中温度随高度变化的情况，可将大气层划分为对流层、平流层、中间层、热层和散逸层5个层次。航空器的主要飞行区域是对流层和平流层。2.1.1大气层结构和气象要素——大气层结构气象要素表示大气状态的物理量和物理现象统称为气象要素。气温、气压、空气湿度等物理量，以及风、降雨、大雾等天气现象都是气象要素，它们在一定程度上反映了某个时刻大气的状况。2.1.1大气层结构和气象要素——气象要素气温气温，即大气的温度，作为衡量大气状态的关键物理量，直观反映出大气的冷热程度。在日常生活里，人们所感知到的天气冷暖正是气温最直接的体现。气温的测量单位主要有摄氏温标（℃）、华氏温标（℉）和绝对温标（K）。气压气压是指作用在单位面积上的大气压力，即等于单位面积上所承受的垂直空气柱的重量，是描述地球周围的大气对地面上物体在单位面积上产生的压力大小的物理量。目前常用的气压单位有帕斯卡（Pascal）和毫米水银柱（mmHg）。湿度湿度用于表示大气中水汽含量和湿润程度。在一定的温度下，一定体积空气里含有的水汽越少，则空气越干燥；水汽越多，则空气越湿润。大气湿度常用的表示方法有水汽压与饱和水汽压、相对湿度、露点温度等。密度大气密度是指单位体积内的大气质量。若单位体积内的气体微粒数量多，空气比较稠密，则空气的密度就大；反之，如果空气比较稀薄，空气密度就小。大气层海拔越高，空气越稀薄，因此大气密度随高度的增加而减小。2.1.1大气层结构和气象要素——气象要素01.定义气体状态方程又称理想气体状态方程，是描述理想气体在处于平衡态时，压强、体积、物质的量、温度间关系的状态方程。02.表达式p

=

ρ

R

T其中p为大气的压强（Pa），ρ为大气的密度（kg/m3），T为大气的热力学温度（K），R为大气气体常量，其值为287.05J/(kg•K)。03.结论（1）当密度不变时，压强和温度成正比。即一定质量的气体，如果体积保持不变，也就是密度保持不变，当温度升高时，压强会增大。（2）当温度不变时，压强和密度成正比。即一定质量的气体，如果温度保持不变，压强增大则气体体积减小，密度增大；压强减小，密度也减小。（3）当压强不变时，密度与温度成反比。即一定质量的气体，如果压强保持不变，温度升高时，气体体积增大。低空大气近似理想气体，气体状态方程可精准换算压强、密度与温度的关联，是无人机性能分析的理论依据，设计无人机时可依托该方程结合不同高度大气参数精确计算无人机的升力、阻力等。2.1.2气体状态方程和物理特性——气体状态方程01连续性气体和流体一样具有连续性，标准大气下空气分子数量庞大；飞行器低空飞行时尺寸远大于空气分子平均自由行程，可依托连续介质假设将大气视作连续介质，便于空气动力学的理论计算；但高空空气稀薄、分子自由行程接近或超过飞行器尺寸时，该假设不再适用。02粘性大气黏性源于气体分子无规则热运动，气流分层流速不同便会产生层间内摩擦即黏性力；物体低速飞行时空气黏性阻力微弱，高速飞行则需重视该作用力，3倍声速及以上飞行还会因气动加热带来机体升温问题，需做好隔热防护。03可压缩性气体受压强影响会改变体积与密度，具备可压缩性，液体则一般不可压缩；低速气流（100m/s以下）流经飞行器时空气密度变化小，可忽略可压缩性，高速尤其是超声速飞行时空气被剧烈压缩形成激波、阻力骤增，必须考虑气体可压缩性。2.1.2气体状态方程和物理特性——大气物理特性重于空气的飞机，依靠与空气做相对运动时所产生的空气动力来克服自身的重力升空。没有飞行速度，就不会产生空气动力。空气动力源于空气和飞机之间的相对运动。地面视角空气静止，飞机作为主体，以速度v在大气中穿行，切割气流。飞行员视角飞机静止，空气作为主体，以速度v迎面吹来，气流流过机身表面。作用在飞机上的空气动力不会因观察者的角度发生变化而变化，无论是飞机在静止的空气中飞行，还是空气流过静止的飞机，只要两者相对速度相等，飞机所受的空气动力就完全相等。重要应用：风洞实验将飞机模型固定在实验段，利用大型风机产生高速气流吹过模型，模拟真实飞行状态。这不仅能精准测量空气动力数据，还极大地降低了实机试飞的研发成本与风险。2.1.3流体流动的基本规律——相对运动原理当流体稳定、连续不断地流过一个粗细不等的变截面管道时，根据质量守恒定律，流过管道任意截面的流体质量都是相等。连续性方程：ρAvASA=ρBvBSB=常量其中，ρA为A截面处流体的密度（kg/m3），ρB为B截面处流体的密度（kg/m3），vA为A截面处流体的流速（m/s），vB为B截面处流体的流速（m/s），SA为A截面的面积（m2），SB为B截面的面积（m2）。如果在流体流动过程中，其密度保持不变，即ρA=ρB=ρ，则上式可以简化为：vASA=vBSB=常量当流体低速定常流动时，流体速度的大小与流管截面面积成反比，这就是连续性定理。连续性定理只适用于低速（小于0.3c，c为声速）的情况，不适用于亚声速，更不适用于跨声速、超声速、超高声速的情况。2.1.3流体流动的基本规律——连续性定理

由连续性定理和伯努利定理可知：流管细的地方，流速大，压力小；反之，流管粗的地方，流速小，压力大。空气流动产生的动能，即空气本身实际具有的压力，称为静压；空气运动产生的动压，即蕴藏在流动的空气中的动能，称为动压。当流体流经物体时，流速会发生变化。根据伯努利定理，静压与动压之和是一个常量，即

伯努利定理的实质是流体的能量守恒定律，描述了在流体流动的过程中流体压强和速度之间的关系。2.1.3流体流动的基本规律——伯努利定理2.2.1翼型2.2.2升力和阻力的产生2.2.3影响升力和阻力的因素2.2升力和阻力中小型无人机无须采用复杂特种翼型，优先选择平板形翼剖面或薄的单凸形翼剖面。二者结构简单，气动特性稳定，能满足低速飞行需求，且加工便捷，符合中小型无人机的工程化应用标准。对高空长航时无人机而言，由于高空空气稀薄，高空长航时飞行要求无人机具有较大的升力系数，且对升阻比也有较高要求，因此其通常采用升力系数大的翼型，部分高速无人机机翼和尾翼采用对称翼型。低速无人机机翼大多采用平凹形或双凸形。对固定翼无人机而言，翼型是其机翼横截面的特定形状，也称为翼剖面或叶剖面，它如同无人机的“灵魂切面”，对无人机的飞行性能起到决定性作用。2.2.1翼型——固定翼无人机的翼型前缘是翼型中弧线的最前点，是气流首先接触翼型的位置，通常是一个较为圆润的形状。后缘是翼型中弧线的最后点，上、下表面气流经过翼型后在此处汇合。前缘与后缘01翼弦是连接前缘和后缘的直线，是测量迎角等参数的基准线。弦长即翼弦的长度，是指前缘至后缘的距离，是衡量翼型大小的基本尺寸参数。翼弦与弦长02上、下表面的最大距离称为最大厚度，简称厚度。最大厚度与弦长之比称为相对厚度，它对翼型的结构强度和气动性能均有重要影响。最大厚度与相对厚度03弯度是指翼型中弧线与翼弦之间的垂直距离，其中最大垂直距离称为最大弯度。最大弯度与弦长之比称为相对弯度。翼型的相对弯度用于说明翼型上、下表面弯曲程度的差别。最大弯度与相对弯度04前缘半径是指翼型前缘曲率圆的半径。前缘半径与弦长之比称为前缘相对半径，前缘半径的大小影响气流在前缘的流动状态。前缘半径05后缘角是指翼型上、下表面在后缘点切线的夹角，后缘角的大小会影响气流在后缘的分离情况和尾流特性。后缘角06翼型的翼弦与飞行方向或相对气流方向之间的夹角称为迎角（也叫攻角）。无人机通常以一定的迎角飞行，起落时迎角较大，巡航时迎角较小。迎角的大小对无人机的升力和阻力都有一定的影响。2.2.1翼型——固定翼无人机翼型的几何参数结合连续性定理和伯努利定理，由于机翼上表面突出、下表面平坦，因此当气流流过上表面时流动通道变窄，气流速度增大，压强降低，并低于前方气流的大气压；而气流流过下表面时，由于机翼前端上扬，气流受到阻挡，且流动通道扩大，气流速度减小，压强升高，高于前方气流的大气压。此时，上、下表面形成的压力差就是机翼产生的空气动力。作用在机翼上的空气动力01将机翼表面各处的空气动力合到一处就形成机翼的总空气动力（R），R的方向向上并向后倾斜。R可分解为垂直于相对气流方向和平行于相对气流方向的两个分力。垂直于相对气流方向上的分力就是机翼的升力（L）

，升力通常用于支撑无人机。平行于相对气流方向的分力是阻碍无人机前进的力，称为阻力（D）。升力和阻力的作用点称为压力中心。升力的产生022.2.2升力和阻力的产生——升力旋翼无人机产生升力的原理与固定翼飞机一致，二者的核心部件的横截面均为翼型，只是固定翼无人机由发动机提供推力驱动整机前进，使机翼与空气产生相对速度以产生升力，而旋翼无人机则通过桨叶自身的旋转，直接与空气形成相对速度来获得升力。无人机机翼产生的升力大小与翼型和迎角都有关系，迎角不同产生的升力也不同。迎角增大，升力也会随之增大，但当迎角增大到一定程度时，气流就会开始在机翼的上表面分离，尾部会出现很大的涡流区，这时升力会突然减小，这种现象称为“失速”。升力的方向与相对气流垂直，而不是与地面垂直。升力的方向取决于无人机的飞行方向，也就是取决于相对气流流速的方向。因为升力与相对气流的这种垂直关系，无人机才能通过调整姿态、改变相对气流与机翼的角度等方式，来实现上升、下降、转弯等不同飞行动作。2.2.2升力和阻力的产生——升力摩擦阻力摩擦阻力由空气和机体表面摩擦产生，受机体粗糙度、空气黏性、接触面积影响，三者越大阻力越大。诱导阻力翼尖高低压气流交汇形成翼尖涡流，衍生水平分力即诱导阻力；阻力大小受升力、翼型、展弦比影响，升力越大、翼型简易则阻力越高，大展弦比机翼可减小诱导。压差阻力压差阻力来自机体前后气压差，机头高压、机尾低压形成向后阻力，流线外形可减小压差阻力。干扰阻力干扰阻力由机身、机臂等衔接处气流互相扰动形成，衔接粗糙、间隙大都会增大阻力；加装流线整流片、优化部件衔接可降低该阻力。阻力2.2.2升力和阻力的产生——阻力04迎角合理范围内增大迎角，机翼上下压差变大、升力提升；迎角超出临界值后气流分离，升力骤降引发失速、机身失稳。同时迎角增加会加剧气流分离，使压差阻力不断上升，失速时阻力激增。01机翼形状流线型机翼上凸下平，依靠机翼上下气流压差产生升力，机翼曲度、前后缘尺寸等参数优化可提升升力；规整流线外形能平顺气流、降低阻力，而粗糙不规则的机翼会显著增大压差阻力，损耗动力、缩短续航。02飞行速度升力、阻力同飞行速度的平方成正比，速度翻倍则升阻增至四倍；提速可加大机翼压差、提升升力，但速度过高会造成阻力陡增、能耗上升，对机体结构强度提出更高要求。03空气密度升力与阻力和空气密度成正比，密度翻倍则升阻同步翻倍。低空空气稠密，升力充足、飞行平稳，但阻力偏大，需要更大动力；高空空气稀薄，升力下降易出现升力不足问题，不过阻力随之减小，发动机推力负担更低。05部件布局与连接机身、机翼等部件衔接处气流扰动会产生干扰阻力，接缝粗糙、间隙大则阻力升高；优化布局、采用一体化平滑衔接设计，既能降低干扰阻力，还可改善气流环境、提升升力。2.2.3影响升力和阻力的因素2.3.1无人机的平衡2.3.2无人机的稳定性2.3.3无人机的操纵性2.3无人机的操稳特性2.3无人机的操稳特性在无人机技术体系里，平衡、稳定性与操纵性作为核心要素，对无人机的飞行性能有着重要的影响。平衡作为无人机飞行的基石，是维持机身姿态的关键能力；稳定性是无人机在复杂环境中维持既定飞行状态的能力；操纵性体现为无人机对各类控制指令的响应精度与敏捷度。无人机在地面静止时处于平衡状态，此时只有无人机的重力和地面对无人机的支撑力这一对方向相反、大小相等的力。无人机飞行时，当作用于机上的所有外力的合力为0，所有外力对无人机重心产生的力矩之和为0时，无人机也处于平衡状态。平衡需要满足无人机上所受合力为0，合力矩也为0，主要体现为横向、纵向、航向3个方向的平衡。无人机的重心是指地球对无人机中每一微小部分引力的合力的作用点。无人机的组成部分和机载设备的重力之和是无人机的重力，而无人机的重力的作用点就是无人机的重心。重心位置参数通常用重心在平均气动弦上的投影点到无人机机翼前缘的距离与平均气动弦长的比值来表示，即：

其中，X为重心位置参数；x重为重心在平均气动弦上的投影点到无人机机翼前缘的距离；bMC为平均气动弦长。平均气动弦长是一个假想的矩形翼弦长，该矩形翼的面积、空气动力，以及俯仰力矩性质都与原机翼等效。2.3.1无人机的平衡——无人机的重心纵轴是沿着机身长度方向，在无人机对称面内由机尾通过重心指向机头的假想直线，指向机头的方向为正方向。无人机绕纵轴的转动称为滚转运动或横滚运动。纵轴主要用于描述无人机在前后方向的平移运动。当无人机沿纵轴正方向产生速度或位移时，表示向前飞行，反向则为后退。纵轴横轴是从左机翼通过无人机重心到右机翼并与纵轴垂直的假想直线，指向右机翼方向为正方向。无人机绕横轴的运动称为俯仰运动。横轴主要用于衡量无人机在左右方向的平移运动。当无人机沿横轴正方向产生速度或位移时，意味着向右飞行，负向则左飞。横轴立轴通过无人机的重心并垂直于纵轴和横轴，指向上方为正方向。无人机绕立轴的转动称为偏转运动或偏航运动。立轴主要用于描述无人机在垂直方向的位置和平移运动，核心关联运动为上升和下降。升力大于重力沿立轴上升，小于重力则下降，二者相等时悬停或平飞。立轴无人机的坐标轴是用于描述无人机姿态和运动的重要参考框架，通常采用右手直角坐标系，主要包括纵轴、横轴和立轴。2.3.1无人机的平衡——无人机的坐标轴无人机的横向平衡是指无人机做匀速直线运动，且不绕纵轴转动的状态。当无人机匀速直线飞行时，使其绕着纵轴滚转的力矩主要由机翼上的升力及其重力产生。为了使无人机不绕纵轴转动，保持横向平衡，应使无人机的右侧力矩总和等于左侧力矩总和，即：其中，L右和

L左分别为右机翼和左机翼的升力；W右和W左分别为右侧机翼和左侧机翼的载重；a、b、c、d

为这些力到无人机重心的垂直距离。

横向平衡能够确保无人机在飞行时左、右两侧保持相对水平，避免出现一侧机翼或机臂过低的情况，使无人机能够按照预定的航线和姿态飞行。2.3.1无人机的平衡——横向平衡通过高精度的陀螺仪和加速度计实时监测无人机的横向角速度和加速度，并将这些数据快速传输给飞控系统，以便系统及时了解无人机的横向姿态变化。01传感器实时监测飞控系统根据传感器数据，首先运用先进的控制算法计算出需要调整的量，其次通过电子调速器精确控制螺旋桨的转速，或者控制舵面的偏转角度，产生相应的横向力和力矩，来抵消使无人机失去横向平衡的外力，保持平衡状态。02飞控系统调节一些无人机具备自动校准功能，能够在飞行前或飞行中对传感器进行校准，确保其测量的准确性。同时，飞控系统还可以根据无人机的飞行状态和环境因素，对可能影响横向平衡的因素进行自动补偿，提高横向平衡的稳定性。03自动校准与补偿技术2.3.1无人机的平衡——维持无人机横向平衡的措施无人机的纵向平衡是指无人机在纵向做匀速直线运动，且不绕横轴转动的状态。当无人机匀速直线飞行时，使其绕横轴俯仰的力矩主要是作用在机翼、机身和尾翼上的升力，以及发动机的推力和阻力产生。为了使无人机不绕横轴转动，保持纵向平衡，应使无人机的上仰力矩总和等于下俯力矩总和，即：其中，L翼为机翼升力；L尾为水平尾翼升力；L身为机身升力；D为空气阻力；T为发动机推力；a、b、c、d、e

为这些力到无人机重心的垂直距离。

纵向平衡能够使无人机在飞行时保持机头和机尾的相对水平，防止出现机头过度上仰或下俯的情况，避免因姿态失控而导致坠机等安全事故，保证无人机在各种飞行条件下都能稳定飞行。2.3.1无人机的平衡——纵向平衡在无人机设计和组装过程中，通过合理安排各部件的位置和选择合适的配重，确保重心处于设计要求的范围内，为纵向平衡提供良好的基础。01精确的重心调整依靠先进的飞行控制系统，利用传感器实时采集的姿态数据，通过复杂的控制算法进行处理，快速、准确地控制螺旋桨的转速或舵面的偏转，从而产生相应的力矩来平衡重力和空气动力，实现对纵向平衡的精确控制。02先进的飞行控制系统有些高端无人机采用自适应控制技术，能够根据飞行环境和任务的变化，自动调整控制参数和策略，以适应不同的气流、载重等情况，保持良好的纵向平衡性能。03自适应控制技术2.3.1无人机的平衡——维持无人机纵向平衡的措施无人机的航向平衡是指无人机做匀速直线运动，且不绕立轴转动的状态。当无人机匀速直线飞行时，使其绕立轴转动的偏航力矩由两边机翼的阻力和发动机的推力产生。为了使无人机不绕立轴转动，保持航向平衡，应使无人机的左转力矩总和等于右转矩总和，即：其中，D左和D右分别为机翼左侧和右侧的阻力；T左和T右分别为左发动机和右发动机的推力；a、b、c、d

为这些力到无人机重心的垂直距离。保持良好的航向平衡是无人机安全飞行的基础。如果航向失去平衡，出现大幅度的偏摆或打转，可能会导致无人机失去控制。只有保持航向平衡，无人机才能按照预定的航线飞行，准确地获取所需的数据和图像信息，保证任务的执行精度和质量。

2.3.1无人机的平衡——航向平衡在无人机组装和调试过程中，要对螺旋桨和电机进行严格的匹配和调校，确保各个螺旋桨和电机的性能一致，安装角度准确无误，以提供均匀、稳定的动力输出，减少因动力不平衡导致的航向偏差。01精确的动力系统调校采用高精度的陀螺仪、磁罗盘等传感器，并结合先进的滤波算法，对传感器数据进行处理，去除噪声和干扰，提高航向测量的准确性和可靠性，为飞控系统提供精确的航向信息。02先进的传感器与滤波技术飞控系统通过自适应控制、模糊控制等先进的控制算法，自动调整控制参数，对航向进行精确控制。同时，设置航向补偿机制，当检测到航向偏差时，及时产生相应的纠正力矩，使无人机回到正确的航向。03智能的飞控算法与补偿机制2.3.1无人机的平衡——维持无人机航向平衡的措施2.3.2无人机的稳定性无人机在飞行过程中会受到各种干扰，导致无人机偏离原来的平衡状态，而在干扰消失后，无人机无须通过飞行控制系统，就能自动恢复到原来的平衡状态的特性就是无人机的稳定性。根据无人机绕机体坐标轴的运动形式不同，无人机的稳定性分为纵向稳定性、横向稳定性和航向稳定性。机身受扰动上仰，迎角变大产生向上附加升力ΔY，如果无人机重心在焦点前，ΔY形成下俯回正力矩，使无人机趋向于恢复原来的飞行状态。反之，机头下俯则产生向下附加升力，生成上仰力矩，也使无人机趋向于原来的稳定状态，如图（a）所示。如果无人机重心位于焦点后，则将产生俯仰不稳定力矩。当无人机受到扰动而迎角增大时，无人机的附加升力对无人机形成上仰的不稳定力矩，迫使迎角更大。反之，当迎角减小时，俯仰不稳定力矩则迫使迎角更小，如图（b）所示。纵向稳定性：受到扰动偏离原来的纵向平衡状态，并在扰动消失后能够自动恢复到原来纵向平衡状态的特性。在飞行过程中，作用于无人机的俯仰力矩主要是机翼力矩和水平尾翼力矩。当无人机的迎角发生变化时，机翼和尾翼上都会产生一定的附加升力，这个附加升力的合力的作用点称为无人机的焦点。2.3.2无人机的稳定性——纵向稳定性纵向稳定性确保无人机在遇到气流颠簸、姿态调整等情况时能够保持纵向姿态的相对稳定，防止出现过度俯仰运动而导致坠机等危险情况，是无人机安全飞行的重要保障。同时，纵向稳定性能够提高无人机执行任务的精度。在进行地形测绘时，纵向稳定的无人机可以更准确地测量地形高度变化，提高测绘数据的准确性。无人机的纵向稳定性取决于其重心的位置。只有当重心位于焦点前面时，无人机才是纵向稳定的；如果无人机的重心位于焦点之后，则其纵向是不稳定的。重心前移可以增加无人机的纵向静稳定性，但并不是纵向静稳定性越高越好。例如，若纵向静稳定性过高，升降舵的操纵力矩就难以使无人机“抬头”。因此，如果重心过于靠前使纵向静稳定性过高，会导致无人机的操纵性变差。2.3.2无人机的稳定性——纵向稳定性无人机的横向稳定性：受到扰动以致横向平衡遭到破坏，而在扰动消失后能够自动恢复到原来横向平衡状态的特性。在无人机飞行过程中，使无人机自动恢复原来横向平衡状态的转动力矩主要由机翼上反角、机翼后掠角和垂直尾翼产生，这里以机翼上反角为例说明。机翼上反角是指机翼基准面与水平面的夹角，用Ψ来表示。当Ψ＜0时，即下反角。机身侧倾时两侧机翼迎角、升力出现差值，生成回正力矩实现横向稳定；上反角越大恢复力矩越强、稳定性越好，但上反角过大会影响升力效率。良好的横向稳定性可避免机身大幅滚转、保障飞行安全，降低气动损耗、提升续航，还能优化测绘成像质量，提高作业精度。2.3.2无人机的稳定性——横向稳定性在复杂的空域环境中，稳定的航向是无人机避免碰撞的关键。无人机主要是靠垂直尾翼的作用来保障航向稳定性，航向稳定恢复力矩是在无人机侧滑中产生的。假设无人机的左前方有外界扰动，使无人机偏离原来的航向，产生向右的侧滑，相对气流方向和无人机的对称面之间有一个侧滑角β，此时相对气流从无人机的左前方吹来，叫作左侧滑。同理，相对气流若从右前方吹来则叫作右侧滑。从无人机左前方吹来的相对气流作用在垂直尾翼上，产生向右的附加侧向力Z，它对无人机形成一个航向稳定恢复力矩M，使机头左偏，消除侧滑，从而使无人机趋向于恢复航向平衡状态，这就是无人机的航向稳定性。相反，无人机出现右侧滑时，会形成使无人机向右偏转的航向稳定恢复力矩。只要有侧滑，无人机就会产生航向稳定恢复力矩，并使无人机消除侧滑，恢复到原来的平衡状态。2.3.2无人机的稳定性——航向稳定性操纵性，是指无人机对飞行控制系统的操纵做出反应并改变飞行状态的特性，也就是无人机根据飞行控制系统的指令完成各种飞行动作的能力。无人机的操纵性同样可以分为纵向操纵性、横向操纵性和航向操纵性。纵向操纵性纵向操纵依靠升降舵控制机身绕横轴俯仰，调整迎角与航速；变速时配合改变迎角，维持升力和重力平衡。横向操纵性横向操纵通过副翼控制机身绕纵轴滚转；左右副翼反向偏转改变两侧机翼升力，形成滚转力矩，实现机身左右倾斜。航向操纵性航向操纵依靠方向舵控制机身绕立轴偏航；舵面左偏机头左转，舵面右偏机头右转。2.3.3无人机的操纵性操纵性的好坏与无人机稳定性的高低密切相关。稳定性越高，无人机保持原有平衡状态的能力越强，改变其状态就越不容易，操纵起来也越费劲；稳定性越低，操纵所需的力越小，但控制难度较大。所以要正确处理好稳定性与操纵性之间的关系。2.3.3无人机的操纵性2.4实训演练——大疆公司及其产品探究大疆公司作为全球知名的无人机制造商，其产品广泛应用于多个领域。本实训演练通过对大疆公司及其主要产品进行研究，结合无人机飞行原理知识，使学生直观、深入地理解无人机飞行原理在实际产品中的应用，提升学生对无人机技术的兴趣和认识。详细了解大疆公司的发展历程、市场地位及企业文化，熟悉大疆公司主要产品类型的特点、功能和应用场景，了解无人机飞行原理、升力和阻力等与大疆公司产品的飞行性能的关联，能够运用无人机飞行原理知识分析大疆公司无人机在不同飞行状态下的表现。实训目标实训背景2.4实训演练——实施步骤学生分组，每组通过网络搜索、查阅行业报告、观看视频等方式，收集大疆公司的发展历程资料，包括重要的发展节点、技术突破事件、目前最新产品、市场拓展情况等。分组分工01将收集到的大疆公司发展历程和主要产品资料，如大疆在不同阶段的技术创新及各产品系列的定位和优势等，制作成PPT，供组间交流使用。总结信息并制作PPT02每组通过PPT，汇报大疆公司发展历程、产品类型、技术特点、市场规模、发展趋势等，分析大疆公司不同产品在飞行过程中是如何运用这些原理。例如，分析DJIMini系列小巧轻便的机身设计是如何在较小的动力下实现稳定飞行；探讨大疆经纬系列专业级无人机强大的动力系统是如何克服较大的负载和复杂环境下的阻力。组间交流03本章小结本章以无人机飞行原理为核心内容。首先介绍了无人机的飞行环境，飞行环境作为无人机飞行的基础条件，包含大气层结构、气体状态方程、大气物理特性等内容，对无人机的飞行性能产生不可忽视的影响；其次介绍了升力与阻力的产生原理，它是决定无人机能否正常飞行的关键力学因素，升力克服重力使无人机升空，而阻力影响飞行速度与能耗；最后介绍了无人机的操稳特性，它涉及飞行控制与姿态调整，是确保无人机在复杂环境中稳定飞行的关键。飞行环境的变化会影响升力与阻力的大小，进而对无人机的操稳特性提出挑战，这三者紧密关联，构成了无人机飞行原理的基础。了解这些原理不仅有助于学生掌握无人机飞行的内在机制，也为后续学习无人机的结构、动力系统等知识提供了支撑。感谢您的观看！一起好好学习共同天天向上本章首先介绍3种典型无人机——固定翼无人机、无人直升机和多旋翼无人机的结构，其次介绍无人机的常用材料及其特性，包括金属材料、非金属材料和复合材料，最后介绍新型无人机结构设计和先进复合材料，并分析3款具有代表性的无人机的结构与材料。第三章无人机结构与材料3.1无人机结构概述3.2无人机常用材料3.3新型无人机结构设计与先进复合材料3.4实训演练教学目录知识目标了解固定翼无人机和无人直升机机身的组成部分。了解四旋翼和六旋翼无人机的各种机翼布局形式及其特点。了解无人机常用的金属材料和非金属材料的特性。掌握无人机使用的复合材料特点及其性能。了解新型无人机的结构设计和先进复合材料的应用实例。了解典型无人机的结构和使用的材料。能力目标能准确描述固定翼无人机和无人直升机机身的异同点。能准确理解复合材料的特点及其性能。能准确叙述3种典型无人机的结构与材料特点。素质目标深刻认识无人机结构对其飞行性能的重要性。能够准确表述材料的特性，培养科技创新和科技报国精神。了解大疆无人机的结构和材料，增强民族自信心。3.1.1固定翼无人机3.1.2无人直升机3.1.3多旋翼无人机3.1无人机结构概述固定翼无人机从外观和结构原理上与传统的有人驾驶固定翼飞机极为相似，其主要结构部件包含机翼、机身、尾翼、起落架和推进系统等。机翼主要作用是产生无人机飞行所需的升力，与尾翼共同保障无人机良好的稳定性与操纵性。机身主要用来装载货物、武器和机载设备等，它将机翼、尾翼、起落架等部件连成一个整体。尾翼主要作用是稳定和操纵固定翼无人机的俯仰、偏航、倾斜以改变其飞行姿态，对无人机起到稳定作用。起落架支撑机体完成滑跑起飞、平稳降落及地面停放的关键部件，保障起降阶段的安全性。推进系统推进系统是固定翼无人机的动力来源，其主要功能是提供可控的推力，使空气进出发动机，并为一些附属装置提供动力。3.1.1固定翼无人机蒙皮前墙和后墙蒙皮包覆机翼外表，光滑表面减小气动阻力，横向弯曲刚度应较高可抑制飞行形变。前后墙缘条强度弱于翼梁、不接机身且长度常小于翼展；不承受弯矩，和蒙皮构成封闭盒段承担机翼扭矩。翼梁翼梁由腹板、缘条构成，和机身固连，是机翼主要承力构件，承受弯矩与剪力。翼肋翼肋是横向受力骨架，用来支撑蒙皮，维持机翼的剖面形状,受集中载荷处设加强翼肋。桁条桁条是与蒙皮和翼肋相连的纵向骨架，承受机翼弯矩引起的部分轴向力,协同翼肋支撑蒙皮。加强肋加强肋是在普通翼肋基础上强化设计的承力构件，属横向骨架，和机翼各构件协同受力。接头接头为可拆卸连接件，作为机翼连接枢纽，直接影响机翼的装配效率和连接可靠性。固定翼无人机的机翼通常由蒙皮、前墙、后墙、翼梁、桁条、翼肋、加强肋和接头等部分组成。3.1.1固定翼无人机——机翼机身蒙皮包覆机体，防护内部设备、优化气动；搭配骨架构成不同机身构型，部分加装密封件适配形变、防止破损。蒙皮桁梁为机身纵向主承力件，多用高比强、轻量化的碳纤维复合材料，如同脊柱支撑整机，承受各类飞行载荷。桁梁桁条连接蒙皮，辅助桁梁分担载荷，密布机身，协同组成机身纵向支撑结构，保证机身在飞行时的稳定性。桁条隔框为机身横向骨架，分普通、加强两类，普通隔框定型机身截面、承受蒙皮载荷，加强隔框承接起落架、发动机等集中载荷。隔框3.1.1固定翼无人机——机身尾翼的结构通常由垂直尾翼和水平尾翼组成，垂直尾翼的主要功能是提供航向稳定性，受侧滑时生成回正力矩，确保无人机在飞行时不会随意偏航。水平尾翼主要负责控制无人机的俯仰姿态，调节无人机的上升和下降。3.1.1固定翼无人机——尾翼支柱是起落架主承力件，连接机身与轮组，承受整机停放、起降载荷，采用高强材料保障支撑可靠性。1缓冲器吸收着陆冲击载荷，分弹簧、油气两类：弹簧结构简易、缓冲偏弱；油气依托气液特性吸能优异，多用于大中型无人机。2机轮支撑地面滑行与转向、兼具减震；大小数量材质随机型变化，小型多用橡胶轮，大型配大充气轮，材质耐磨防滑保障滑行稳定。3制动装置用于落地短距减速，分机械、液压制动：机械式靠摩擦、构造简单但制动力小；液压制动力强劲，多用于高性能机型。4收放机构起降时收放