无人机集群组网与控制 课件 第1章 无人机系统概述

第1章无人机系统概述1.1无人机的定义与发展1.2无人机的特点1.3无人机的种类1.4国内外主要无人机型号

1.1无人机的定义与发展

1.无人机的定义无人机，一般定义为没有机载驾驶员，自备动力系统，利用无线电遥控设备或自备程序控制装置操纵的航空器，英文表述为UnmannedAerialVehicle，简称为UAV。无人机一般配备了各类传感器(如双目相机、激光雷达等)、计算单元、定位模块和通信模块(图1-1)，能够按照预定的飞行计划进行自主飞行，在飞行过程中实时获取环境状态信息，并对飞行航向与速度进行实时调整。图1-1无人机常见传感器模块

(1)遥控飞行器(图1-2)是一种通过远程遥控设备操控的飞行器，这类飞行器无法搭载人员，仅能通过无线电或者其他远程手段进行飞行控制操作。图1-2遥控飞行

(2)遥控飞机指现代模型飞机，即模拟真实飞机的小型飞行器(图1-3)。图1-3遥控飞

(3)无人机系统是由无人机本身以及任务载荷、测控与信息传输系统、起飞发射与回收系统、地面保障系统等组成的完整系统(图1-4)。图1-4无人机系统

无人机通过无线通信技术可将获取的数据实时传输到地面站或其他设备，使地面站可以远程进行数据收集、监测和传递，以支持各类应用，如军事侦察、环境监测、灾害响应、边境巡检等(图1-5)。

总而言之，无人机是一种具备自主飞行能力、集成多传感器、可实时传输数据的空中飞行器。它们在航空、军事、农业、物流、环境监测等领域被广泛应用，为各类任务场景、特定需求带来了更加便捷的解决方案。图1-5无人机应用示例

自从1917年第一架现代无人机(图1-6)被发明以来，无人机经历了一百多年的发展历程。从最初的无人靶机到如今的军用无人侦察机、无人战斗机，以及在航空拍摄、地理测绘、森林防火、物流运输等领域广泛应用的民用无人机，无人机凭借无人员伤亡风险、生存能力强、机动性能好、使用方便、成本低等优点逐渐受到全球各国的重视与广泛应用。图1-6早期无人机

无人机的发展经历了以下几个主要阶段：

20世纪20年代到60年代是无人机发展的起步阶段，在这一阶段无人机主要被用作靶机。随后，从60年代到80年代，无人侦察机和电子战无人机开始在战场上发挥作用，无人机逐渐进入实用阶段。从90年代至21世纪初，无人机在现代高科技局部战争中得到广泛应用，同时在民用领域也得到迅猛发展。目前，无人机正处于一个快速崛起和蓬勃发展的阶段。

具体而言，无人机的发展主要表现在以下方面：

(1)微小型化。

微小型无人机质量轻、体积小、机动灵活、操作简便、隐蔽性强，具备显著的低空飞行优势，特别适于复杂环境下的小规模任务。

(2)高空长航时。

在军用方面，高空长航时无人机将成为侦察卫星和有人驾驶战略侦

察机的重要补充。

(3)隐身化。

隐身技术是通过研究利用各种不同的技术手段来改变己方目标的可探测

性信息特征。

(4)功能多样化。

除了传统的侦察、攻击等任务，无人机还可以应用于农业植保、环保

监测、物流配送等领域。

(5)智能化。

无人机智能化利用机器学习和深度学习技术，自主地完成诸如目标识别、

自主导航和智能控制等复杂任务。

(6)集群化。

无人机集群化能够克服单一无人机在载荷能力和生存能力上的限制。

总的来说，无人机起源于军事领域，并随着制造成本的下降和信息技术的进步，逐步在民用领域得到广泛应用。未来，随着需求的增长，无人机的种类将更加多样化，并根据不同领域的需求发挥其独特作用，这将持续推动无人机技术的创新和发展。

1.2无人机的特点

1.自主性无人机的自主性可以归纳为以下几点：(1)自主感知能力。(2)自主决策能力。(3)自主执行能力。(4)自我管理能力。

2.低成本

低成本是无人机能够获得广泛应用与发展的重要因素。具体而言，无人机的低成本体现在以下四个方面：

(1)设计和制造过程简单。

(2)运营与维护的成本低。

(3)设备和组件的成本低。

(4)代码开源且平台共享减少了开发工作量和成本。

3.机动灵

相比有人机存在的机动性能限制与过载限制，无人机只需要考虑材料的承受能力，因而其设计过载可达有人机的两倍以上，可以实现大加速度、大角度的机动飞行，从而拥有高度灵活的姿态控制和自由穿梭能力。

无人机的机动性强还表现在起降灵活方面。

部分无人机还具备垂直起降的能力，这使得它们能够在极其狭小的特殊环境中操作。这些多样化的起降方式极大地提高了无人机在不同场景下的适应能力。

4.多功能性

无人机可以根据任务需求进行定制化配置，选择不同的传感器和功能载荷，进而广泛适应于不同的应用场景，展现出多功能性的特点。

在军事领域，通过搭载各种传感器和设备，无人机可以高空俯瞰并实时传输图像，提供战场情报和目标侦察。此外，无人机可以搭载精确制导武器，执行攻击任务。无人机还能够在复杂的战场环境中进行电子对抗，对敌方通信系统进行干扰与破坏。

在民用领域，无人机通过搭载高分辨率摄像机及其他传感器，能够服务于地形测绘、土地勘测、城市规划等多种场景。

1.3无人机的种类

随着无人机技术的逐渐成熟，为了适应不同的任务场景需要，无人机的种类日渐增多。不同类型的无人机用途不同并且差异明显，因此，无人机的归纳与分类也显得更加重要。无人机的分类可以基于多个角度进行，具体包括无人机的平台构型、重量、飞行速度、活动半径、实用升限和应用领域等不同角度，如表11所示。

1.按照平台构型分类

固定翼无人机、无人直升机和多旋翼无人机均属于依靠空气动力学原理飞行的且重于空气的航空器。

固定翼无人机(图1-7)通常配备有流线型的机翼，这些机翼在与前进中的空气相互作用时，能够产生向上的升力。

这种设计赋予了固定翼无人机快速的飞行速度、长远的航程和强大的载荷能力，使其成为无人机领域的一种重要类型。图1-7固定翼无人机

多旋翼无人机(图1-8)通常具有三个或更多旋翼，例如四旋翼、六旋翼或八旋翼。通过控制不同旋翼的转速和推力，可以实现飞行、悬停、转向和姿态控制，操作简单、成本较低、可靠性强。另外，多旋翼无人机成本较低，飞行震动非常小，一般通过无线电遥控或机载计算机实现远程控制飞行，在民用和军用领域具有显著需求，特别是大中型多旋翼无人机。图1-8多旋翼无人机

无人直升机(图1-9)是由动力系统驱动旋翼来产生升力或者前进动力的无人航空器，具有较高的灵活性，可以实现垂直起飞、垂直降落和空中悬停等功能。无人直升机由一个或两个具有动力的旋翼提供升力，并主要靠旋翼周期变距等形式实现对飞行的操控。一般来说，无人直升机的载荷、续航时间和抗风性能等指标要优于多旋翼无人机。无人直升机具有的垂直起降和悬停能力，使得它可以在狭小的空间中飞行和执行任务。同时它们可以在城市、山区、森林等复杂地形中灵活机动地飞行，提供视角广阔的空中观察和监测功能。图1-9无人直升机

此外，基于平台构型分类的无人机还包括无人飞艇(图1-10)、伞翼无人机(图1-11)和扑翼等仿生无人机(图1-12)。图1-10无人飞艇图1-11伞翼无人机图1-12扑翼无人机

2.按照重量分类

无人机按照重量可划分为大型无人机、中型无人机、小型无人机、轻型无人机和微型无人机，具体来说：

(1)大型无人机是指最大起飞重量大于150kg的无人机。

(2)中型无人机是指最大起飞重量大于25kg但小于150kg的无人机。

(3)小型无人机是指空机重量不超过15kg且最大起飞重量不超过25kg，具备符合空域管理要求的空域保持能力和可靠监视能力，全程可以随时人工介入操控的无人机。

(4)轻型无人机是指空机重量不超过4kg且最大起飞重量不超过7kg，最大平飞速度不超过100km/h，具备符合空域管理要求的空域保持能力和可靠监视能力，全程可以随时人工介入操控的无人机。

(5)微型无人机是指空机重量小于0.25kg，最大飞行高度不超过50m，最大平飞速度不超过40km/h，无线电发射设备符合微功率短距离技术要求，全程可以随时人工介入操控的无人机。

大中型无人机主要应用于军事打击、通信中继等领域，例如图1-13所示为整机重约727kg的美国RQ-5“猎人”无人机，图1-14所示为空机重约6781kg的美国“全球鹰”无人机。轻型无人机的优秀代表有整机重2.7kg的美国RQ-14“龙眼”无人机(图1-15)。微型无人机因其便于携带，适用于街巷作战等应用场景，例如图1-16所示为重量仅有16g的挪威“黑蜂”无人机。图1-13美国RQ-5“猎人”无人机图1-14美国“全球鹰”无人机图1-15美国RQ-14“龙眼”无人机图1-16挪威“黑蜂”无人机

3.按照飞行速度分类

按照飞行速度分类，无人机可分为中低速无人机、亚声速无人机、跨声速无人机、超声速无人机和高超声速无人机，具体如下：

(1)中低速无人机：飞行速度一般小于0.3马赫。

(2)亚声速无人机：飞行速度一般在0.3~0.7马赫。

(3)跨声速无人机：飞行速度一般在0.7~1.2马赫。

(4)超声速无人机：飞行速度一般在1.2~5.0马赫。

(5)高超声速无人机：飞行速度一般大于5.0马赫。

目前已经投入使用并且较为成熟的无人机大多数是中低速无人机和亚声速无人机，能达到跨声速及以上速度的无人机还较少，高超声速无人机几乎还都处在试验研发阶段，它们的使用仍然有很大的不确定性。图1-17所示为最大飞行速度达3.35马赫的美国D-21超声速无人机。图1-18所示为最大飞行速度为9.6马赫的美国NASA的X-43A高超声速无人机。图1-17美国D-21超声速无人机图1-18美国NASA的X-43A高超声速无人机

4.按照活动半径分类

按照活动半径分类，无人机可分为超近程无人机、近程无人机、短距无人机、中距无人机和远程无人机，具体如下：

(1)超近程无人机：活动半径为5~15km。

(2)近程无人机：活动半径为15~50km。

(3)短程无人机：活动半径为50~200km。

(4)中程无人机：活动半径为200~800km。

(5)远程无人机：活动半径大于800km。

各级活动半径的无人机均可用于侦察和监视，中远程无人机还可以执行通信中继或者对敌打击。图1-19和图1-20所示为用于侦察监视的超近程无人机和活动半径可达3900km的以色列“苍鹭”无人机。图1-19超近程侦察监视无人机图1-20以色列“苍鹭”无人机

5.按照实用升限分类

按照实用升限分类，无人机可以分为超低空无人机、低空无人机、中空无人机、高空无人机和超高空无人机，具体如下：

(1)超低空无人机：实用升限为0~100m。它们主要应用于近距离观察、监测和数据收集，如航拍、农业与环境监测、电力线路巡检等。

(2)低空无人机：实用升限为100~1000m。低空无人机与超低空无人机的适用场景相近(图1-21)。图1-21电力线路巡检低空无人机

(3)中空无人机：实用升限为1000~7000m。它们具备较长的续航能力和较大的有效载荷容量，可以执行更复杂的任务，如边境巡逻、资源勘测等。

(4)高空无人机：实用升限为7000~18000m。它们具备更长的续航能力和更大的飞行范围，常用于执行大范围监测、通信中继、气象观测等任务以及用于科学研究、军事侦察等领域(图1-22)。

(5)超高空无人机：实用升限大于18000m。它们具备高度耐受、气压自适应和通信稳定等特性，适用于大气观测(图1-23)、卫星模拟等任务。图1-22MQ-4C海神侦察机图1-23超高空太阳能无人机

6.按照应用领域分类

依据无人机的具体应用领域分类，可将其划分为军用无人机和民用无人机。

1)军用无人机

(1)侦察无人机是指专用于获取情报信息的无人机，通常会安装一种或多种侦察设备，深入敌人阵地或敌后进行空中侦察，将所获得的信息传送回地面站，为军事活动提供参考。随着高新技术的发展和应用，侦察无人机的自身飞行性能及设备性能在不断地提高，其已成为侦察卫星和有人侦察机的重要补充。MQ-9无人机(图1-24)是美军大量使用的侦察无人机，可以从军舰和陆地起降，进行低空长航时侦察，为指挥官提供全面精确的信息。图1-24美国MQ-9无人机

(2)无人靶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。它主要应用于评估对空武器性能、训练战斗机飞行员与防空武器操作员等方面，其在测试武器系统的打击效果及实际演练中表现良好，在军事领域发挥着重要作用。BQM-167(图1-25)是美国空军的一款无人靶机，长度为6.1m，翼展为3.2m，最高速度为0.93马赫，最大起飞重量为646kg，该无人机使用火箭助推起飞，使用降落伞系统在陆地或海上回收。图1-25美国BQM-167无人靶机

(3)诱饵无人机主要可用于诱使敌方电子干扰设备开机，从而获取对方雷达的波段、坐标等有关信息，还可用于迷惑并消耗敌人对己方具有较大威胁的防空武器等方面。ADM-20诱饵无人机(图1-26)通常安装有专用的电子设备，以具有与被模拟的目标相似的机动性能，并发出模拟目标的“电子图像”。图1-26ADM-20诱饵无人机

(4)攻击无人机通常携带小型、大威力的精确制导武器执行打击任务，作战效能优异，可以有效攻击、拦截地面或空中目标。美国“复仇者”无人机(图1-27)可以携带武器载荷，机翼、机身下部的六个挂载点也可携带武器或其他任务设备。图1-27美国“复仇者”无人机

(5)电子对抗无人机是装载电子设备、执行电子侦察与干扰任务的无人机，其主要目标是探测和干扰敌方指挥通信系统、作战飞机和地面雷达等各种电子设备。伊朗“卡曼19”电子对抗无人机(图1-28)可以使敌人的通信和光电系统宕机，从而使敌人处于混乱状态，无法协同作战。图1-28伊朗“卡曼19”电子对抗无人机

2)民用无人机

(1)巡逻无人机(图1-29)以其可靠性强、巡逻范围广的特点，在校园、社区等公共场合和交通执法中发挥着重要作用。图1-29巡逻无人机

(2)农用无人机(图1-30)通过获取高清农田图像数据以分析田间作物的生长情况，使农业生产实现实时监测和预测。其可以搭载多种对地传感器，在播种、授粉、施肥等方面具有成本低、效率高、安全环保、对作物破坏性低等优势。图1-30农用无人机

(3)气象无人机(图1-31)是近年来新兴的一种能够进行气象探测和作业的无人飞行器。相比于气象卫星，气象无人机的飞行高度更低，拍摄的图像更加清晰，能够获得更为准确即时的气象数据;相比于人工气象监测，气象无人机更加快速灵活，能够在恶劣天气条件下实现实时监测。图1-31气象无人机

(4)消防无人机(图1-32)可在火灾现场进行灾情侦查、监控追踪、辅助救援等工作，为消防部队的救援抢险带来极大的帮助。此外，消防无人机还能通过携带灭火弹、灭火剂等消防设备直接灭火，而无需消防员进入火场，成为未来消防领域的重要工具。图1-32消防无人机

(5)测绘无人机(图1-33)主要用于国土测绘、环境监测、农林分析、水利监测等方面，相比于传统的人工作业模式更加高效精确。测绘无人机利用高清相机或激光雷达采集图像数据，既可以减少工时工序，又可以降低技术人员的劳动强度，提高了测绘任务的完成效率。图1-33测绘无人机

(6)物流无人机(图1-34)凭借其快速、高效的运输能力，能够快速可靠地实现物资的运输与配送，正在为物流行业带来天翻地覆的变革。它们能够有效减轻城市交通拥堵、提高交货速度、降低运输成本，实现更加高效的物流网络。图1-34物流无人机

1.4国内外主要无人机型号

1.国内民用无人机1)精灵4多光谱版无人机由深圳市大疆创新科技有限公司(以下简称“大疆”)生产的精灵4多光谱版无人机(图1-35)在农业、环保等领域应用广泛，其采用多光谱图像传感器、一体式多光谱成像系统，并搭载厘米级定位系统。图1-35精灵4多光谱版无人机图1-36经纬M300RTK型无人机

2)经纬M300RTK型无人机

由大疆生产的经纬M300RTK型无人机(图1-36)广泛应用于巡检、安保、测绘、土地规划等多个领域。其作为长续航和高机动性的飞行平台，配备混合传感器负载，可完成设施巡检、安全保障以及数字化无人管理等多项任务。图1-36经纬M300RTK型无人机

3)CW-007型垂直起降固定翼无人机

由成都纵横自动化技术股份有限公司生产的CW-007型无人机(图1-37)可广泛应用于农业、监控等领域。其特点在于采用了多旋翼与固定翼结合的复合翼布局形式，采用背包式设计并配备一体化系统。借助L1自适应控制算法，该无人机能够实现全自动化操作和智能化飞行，为用户带来高效与便利的服务。图1-37CW-007型垂直起降固定翼无人机

4)ZT-3V型垂直起降固定翼无人机

由零度智控智能科技有限公司(以下简称“零度智控”)生产的ZT-3V型无人机(图1-38)广泛应用于安防、侦查等领域。该型无人机结合了高空视觉惯导、飞控平台、防干扰通信信号以及双卫星导航系统，实现高精度的河道管理、楼宇巡查、道路车辆管理、突发事件预警等功能，以及对目标区域内人、车、物的识别和实时画面跟踪。图1-38ZT-3V型垂直起降固定翼无人机

5)X6型多旋翼无人机

由天津中翔腾航科技股份有限公司生产的X6型多旋翼无人机(图1-39)可应用于电力巡检、消防监控和地形勘探等场景。该型无人机搭载高清摄像头及红外热像仪，配合工业级地面站可完成实时数据传输，实现日间高清成像和夜间精确成像。图1-39X6型多旋翼无人机

6)CD-15型植保无人机

由无锡汉和航空技术有限公司(以下简称“汉和公司”)生产的CD-15型植保无人机(图1-40)可搭载轨迹记录仪，统计喷洒覆盖率，同时对漏喷和复喷进行警告，并通过采用全球定位系统(GlobalPositioningSystem，GPS)、气压和加速度的多参数定位技术，实现自动航路规划、定高与紧急悬停等各种控制功能，其任务载荷(载药量)可达15kg，工作12~15min可喷洒20~30亩地。图1-40CD-15型植保无人机

7)F420型警用无人机

由广州市华科尔科技股份有限公司(以下简称“华科尔公司”)生产的F420型警用无人机(图1-41)可应用于安防与侦查等领域。其采用2.4G和5.8G双频远距离传输系统，最大图传距离可达9km。其可搭载前视红外避障模块与红外定高系统，降低操作失误率，便于夜间追踪。图1-41F420型警用无人机

表12展示了大疆、中翔腾航、极飞、昊翔和易瓦特等国内公司推出的一系列有影响力的无人机产品。

2.国外民用无人机

接下来重点介绍当前国外知名无人机公司及其生产的典型无人机型号(图1-42、图1-43、图1-44)。图1-42Parrot生产的Anafi(左)与AutelRobotics生产的EvoMAX4T(右图1-43Skydio生产的X2(左)与Wingcopter生产的W198(右)图1-44Kespry生产的Drone2.0(左)与SenseFly生产的EBEE-X(右)

1)Parrot(鹦鹉)

Parrot是一家总部位于法国的无人机公司，他们以其极富创意和高品质的无人机产品而闻名。Parrot无人机在各个领域得到了广泛应用，尤其是在个人用户和教育领域。

2)AutelRobotics(唯拓机器人)

AutelRobotics是一家总部位于美国的无人机制造商，他们致力于为消费者和专业用户提供高质量的无人机产品。AutelRobotics的EVO系列无人机在图像质量和飞行稳定性方面表现出色。

3)Skydio(思凯迪欧)

Skydio是一家总部位于美国的无人机制造商，他们专注于将人工智能技术应用于无人机自主