无人机设计手册及主要技术.docx

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无人机设计手册及主要技术

无人机设计手册及主要技术

内容简介

独家《无人机设计手册》分上、下两册共十二章。

上册包括无人机系统总体设计，气动、强度、结构设计，动力装置，发射与回收系统，飞行控制与管理系统。

下册包括机载电气系统，指挥控制与任务规划，测控与信息传输，有人机改装无人机，综合保障设计，可靠性、维修性、安全性和环境适应性以及无人机飞行试验等。

有关无人机任务设备、卫星中继通信的设计以及正在发展的无人机技术等内容，有待手册再版时编入，使无人机设计手册不断成熟和丰富。

适用人群

本手册是国内第一部较全面系统阐述无人机设计技术的工具书，不仅可作为无人机的设计参考，也可以作为院校无人机教学、无人机行业的工程技术人员和管理人员的参考书，并可供无人机部队试验人员使用。

希望本手册的出版能对我国无人机研制工作的技术支持有所裨益。

作者简介

祝小平，现任西北工业大学无人机所总工程师，主要从事无人机总体设计、飞行控制与制导系统设计等研究工作。

主持了工程型号、国防预研等国家重点项目多项，获国家和部级科学技术奖9项，其中国家科技进步一等奖1项，国防科技进步一等奖4项，获技术发明专利10项，荣立“国防科技工业武器装备型号研制”个人一等功，发表论著150多篇。

先后入选国家级“新世纪百千万人才工程”、国防科技工业“511人才工程”和教育部“新世纪优秀人才支持计划”，获得“国防科技工业百名优秀博士、硕士”、“国防科技工业有突出贡献的中青年专家”、“陕西省有突出贡献专家”和“科学中国人（2009）年度人物”等荣誉称号。

无人机相关GJB标准-融融网

gjb8265-2014无人机机载电子测量设备通用规范

gjb4108-2000军用小型无人机系统部队试验规程

gjb5190-2004无人机载有源雷达假目标通用规范

gjb7201-2011舰载无人机雷达对抗载荷自动测试设备通用规范

gjb5433-2005无人机系统通用要求

gjb2347-1995无人机通用规范

gjb6724-2009通信干扰无人机通用规范

gjb6703-2009无人机测控系统通用要求

gjb2018-1994无人机发射系统通用要求

无人机主要技术

一、动力技术

续航能力是目前制约无人机发展的重大障碍，业内人士也普遍认为消费级多旋翼续航时间基本维持在20min左右，很是鸡肋。

逼得用户外出飞行不得不携带多块电池备用，造成使用操作的诸多不便，为此有诸多企业在2016年里做出了新的尝试。

1.氢燃料电池

高原地区的高海拔会导致低含氧量、低气压和低气温,这些因素对无人机工作的影响非常大，特别是动力系统方面。

今年5月底，武汉众宇动力团队在新疆胜利达坂地区，顺利完成了对氢燃料电池系统在高原应用中功效的一系列测试，验证了燃料电池在低气压、低含氧环境中的性能变化的预计结果，也测试了系统在同时面临低气压、低气温环境的工况变化，证实了之前实验室模拟计算的结果，用氢燃料电池作为无人机的动力系统，将使其能够有效应对高海拔、高气压的困难作业环境。

2.无线充电

伦敦帝国理工学院博士研究助理，SamerAldhaher找到了一种方法，可以通过无线充电装置提供电力给小型无人机。

该款无线充电底座是由一个双层印刷电路板（PCB）组成，上面蚀刻有无线电发射器。

另外它还有一个13.56MHz逆变器，它能够为电路板提供电流。

为了能够接收到无线电波，无人机外部还缠绕有导电铜箔胶带。

但目前只能让无人机飞到距离无线充电底座12.7厘米高，也不能飞得太远，因为模型机上缺少板载电源，如果它飞得离充电装置太远的话，就会关闭了。

3.太阳能续航

据外媒报道，无人机（UAV）太阳能解决方案开发商AltaDevices宣布，将为无人机制造商C-Astral研发的新一代无人机提供太阳能技术，该技术将有助于提升无人机的续航能力，这款新型太阳能电池以31.6%的太能效率打破了世界记录，可以使无人机至少可以再多飞行两个小时，与此同时这款太阳能供电技术还可以做到延长无人机的飞行时间而不会影响高性能飞机设计。

4.核能供电电池

俄罗斯萨马拉科罗廖夫大学新闻办日前宣布，该校科研人员正在研制一种核能电池，使用期可达100年。

其中的新技术利用多孔碳化硅结构保护放射性元素，能在保证安全的同时，让核能电池工作很长时间。

在无人机领域，不少无人飞行器的研制者对此类电池兴趣非常大，因为对他们来说，电源体轻且单位功率大对于满足持续工作的要求极为重要。

此外，碳化硅材料不仅能够抗寒，还能经受住近350摄氏度的高温，装有这种电池的传感器在机械制造领域也极具价值。

二、导航技术

无人机准确地知道自己“在哪儿”、“去哪儿”，几乎是类似于人类“从哪里来、到哪里去”的哲学问题，在无人机的任何发展阶段都是绕不开的问题。

1.定位技术

目前无人机多采用GPS定位，信号容易受到干扰。

未来研究方向包括利用多信息源定位，如TV、收音机、Wi-Fi等等信息定位，弥补GPS定位的不足，今年无人机RTK技术的突破，十分引人关注。

我们知道无人机的飞行航线依赖于导航定位系统，可以根据定位系统所得到的信息让无人机在指定的时间内完成航行任务，而其精准度与所搭载的定位技术直接挂钩，基于RTK技术的无人机定位系统可以通过实时获取导航卫星信号和RTK差分定位信息，为无人机飞行作业提供高精度定位支持。

RTK的中文全称是实时动态差分法，是建立在实时处理两个测站的载波相位基础上的种新的常用的GPS测量方法，与之前的GPS定位技术相比，采用了载波相位动态实时差分方法，可以在野外实时得到厘米级定位精度，这项技术在植保无人机的作业方面更有效果，比如极飞P20V2采用的军用级别RTK定位技术，让航线的精度达到厘米级，不仅让喷洒更精准，也能更好的避开障碍物。

2.避障技术

让飞行中的无人机“长眼镜”，能够识别飞行路径上的障碍物，并准确绕飞或悬停，是实现无人机智能化的重要一步。

今年无人机避障技术将在这些方面实现突破。

夜间避障：

比如极飞为了方便夜间作业，采用了主动近红外照射技术，简单来说就是加了一个特殊的“手电筒”和并改造了“手电筒”眼睛，双目是由两个黑白镜头组成，从380-1080nm波段都可以成像，也就意味着不仅能“看见”可见光，还能看见人眼也看不见的红外线。

无人机会主动发射近红外线光线，虽然人眼看不到，但能作为夜晚的光源，双目的每一个镜头就能接收到环境中的红外线的反馈，经过双目计算后就可以「感知」到环境和障碍物了。

而且避障距离和白天相比没有变化，都是30米（角度：

水平FOV65°）。

双目立体视觉功能：

在当前的无人机领域，“双目立体视觉功能”（简称双目功能）日益受到重视，成为了诸多新品的标配和宣传点。

大疆创新发布的精灵Phantom4就运用了立体视觉定位系统，由双目视觉传感器和一组超声波传感器组成，从根本上解决了悬停的精度，实现了复杂环境下稳定飞行的功能。

四维雷达技术：

传统的民用雷达大多只能提供二维的信息，但是，人们都生活在三维的空间里，二维信息是远远不够的。

举例来说，现在的民用雷达都无法测量车子的高度，而这对于无人驾驶、无人机等方面的应用就有很大的局限性。

位于美国俄亥俄州的公司Oculii，开发了世界上第一个可以商用的四维雷达，使得无人机在三维空间，获取上下左右的空间信息。

三、通讯技术

无人机通信技术长久以来都是行业研究的重点和难点，怎么样才能保障通信的安全和便捷，也是众多专家研究的关键领域。

1.5G通讯技术

瑞典网络巨头爱立信在8月份宣布，已经携手中国移动进行了全球首次5G无人机现场测试。

试验结果表明，无人机可和手机一样在不同的小区间切换，且能和手机和谐共处、共享基站资源，充分证明了无人机网络的商用可行性，并且伴随着中国移动成功牵头5G系统设计，项目名为R15“5GSystemArchitecture”，该项目将制定《5G系统总体架构及功能》及《5G系统基本流程》两个基础性标准，预计在2017年12月完成，这也从侧面印证了无人机5G通信将在2017年搭载着春风获得全新的发展。

2.Wifi通讯技术

诸如Google和Facebook等公司都在做太阳能Wi-Fi无人机，也在通过实际飞行对机身进行测试，日前，俄“前瞻研究”基金与研究自动控制的科研人员共同研制了代号为“猫头鹰”的无人机，负责携带无线通信设备向偏远地区传输无线数据，其相当于一座无线网络传输平台，飞行中携有无线通话及视频信号自主转发器。

这样一来，它在相关空域持续巡航时，就能通过传输无线数据给当地带来无线通信网络，更有于人们生活的便捷性。

回顾2016年，无人机在定位、通讯、动力等方面都有巨大的技术突破，而其他领域的成果也颇为丰厚，整体看来自2015年元年的起步，到2016年全年的基础，展望明年整个无人机行业将在一个新的起点上获得巨大的腾飞。

四、飞控技术

飞控是无人机的大脑，也是整体最为关键的部分，如何保持机体平稳飞行，不断升级产品质量，是各家企业在市场竞争中的关键所在。

纵观现在的飞控市场，包括大疆，零度等无人机企业，都有提供一体化飞控系统方案，也出现如拓攻等新加入飞控市场的企业。

大疆有NAZA，A2，A3等不同等级的飞控，多家植保无人机如，埃森、全球鹰等正在使用。

拓攻则有T1-A，临沂风云等植保无人机企业使用的正是这一款。

这些一体化的飞控都是一个完整的飞控产品，有主控、GPS、PMU、OSD等组件，同时提供开放的SDK，无人机厂商可以针对自身的需求进行二次开发。

如今，一体化飞控的需求主要集中在农业植保、安防和巡检领域，这都是大家熟知的应用领域，需求庞大且现今技术已经可以满足主要需求。

而在不久的将来，会有越来越多的无人机厂商加入到市场开拓中，通过利用市场上已有的一体化飞控系统，释放出更多的时间去开发新的应用领域。

五、芯片技术

世界着名芯片制造商如三星、英特尔均以纷纷进驻无人机行业，研发集无线通信、传感器集成和空间定位等功能于一体的高性能芯片，使无人机能够获得和个人电脑一样的处理能力。

今年，在加州圣克拉拉（SantaClara）举行的“EmbeddedVisionSummit”会议上，几家芯片公司展示了自己的设计，已经和谷歌展开合作的Movidius正是其中之一，公司宣称它是第一块USB深度学习模组。

Movidius芯片的功耗只有1瓦特，它可以为无人机、摄像头、机器人提供神经网络功能。

高通已经发布面向骁龙神经网络处理引擎（SnapdragonNeuralProcessingEngine）的软件开发者工具包，它可以让智能手机、无人机、其它设备更智能，能够追踪目标、识别声音。

英特尔、ARM、CEVA、益华计算机（CadenceDesignSystems）也试图在芯片中加入深度学习功能。

谷歌是深度学习的领先者，它已经推出了开源TensorFlow深度学习软件，支持低能耗8位处理器，这种处理器对移动应用至关重要，且这些技术的突破有望在2017年使无人机的整体性能更上一个台阶。

六、VR技术

目前市面上已有不少厂家将无人机与VR结合在一起，比如国外的Aerix，国内的亿航等等企业，将VR技术应用在无人机上，在第一时间将无人机拍到的画面实时展示在使用者眼前。

用户只要转动头部便能改变镜头角度，再配合遥控器控制无人机，使用者即使身处地面，也能感受翱翔天际的快感，不仅可以让用户通过VR眼镜来操控航拍，还能让用户通过虚拟现实获得新的操作乐趣。

VR就是一个充满前景的方向。

可是VR技术目前并不成熟，依托无人机小摄像头和手机带来的VR体验可是说是非常糟糕，但是我们也不能否认厂家的努力和创新，只是无人机行业的门槛很高，需要长期的技术积累才能做出一款完善的产品。

VR是充满前景的产业，或许在2017年无人机与VR技术的结合将更加完善和便捷。

七、摄像技术

航拍、自拍是消费级无人机的大卖点，如何获取更清晰的拍摄水平，满足消费者日益提高的需求，是业内苦心钻研的课题。

仅仅是4K已经无法满足航拍爱好者了，今年美国公司QueenBRobotics，推出的新款无人机Exo360,是世界上第一台可以拍摄360全景4K视频的无人机.而大疆时隔两年之后发布了新款Inspire无人机：

Inspire2，相较于前一版本的Inspire无人机，在硬件方面又有了许多升级，最明显是搭载双摄像头，为了确保无人机的速度不会对视频拍摄质量和画面的稳定性造成影响，还下调了时速。

或许在2017年，为了迎合市场需求的升级，还会有更多的企业加大对摄像技术的研发，我们很有可能在短时间内就会通过无人机拍摄到更加清晰美丽的景色。

八、空管技术

1.美国航天局（NASA）同空间技术公司联手组成团队开发无人机空中交通管制系统的原型产品。

2.随后，美国一家公司发布了测试版本的无人机动态地理空间限制系统软件。

该系统是为了确保无人机在500英尺高度下，安全规范飞行而设计的。

3.在第三届AOPA（AircraftOwnersandPilotsAssociation，航空器拥有者及驾驶员协会）国际飞行训练展会上，中国AOPA联合多家企业开发的针对轻小无人机的“UCloud”无人机监管系统宣布上线。

4.近日，诺基亚与阿拉伯联合酋长国民航总局（UAEGCAA）建成战略合作关系，计划建成一个管理城市内外无人机交通的全面生态系统，用于管理城市内及周边的无人机，并能够将其与人、载人飞行器以及各类联网设备进行交互协调。

第一章  无人机系统总体设计

一、概论

二、无人机系统的战术技术要求

三、无人机系统总体方案设计

四、经济性设计

第二章气动、强度、结构设计

一、气动设计

二、飞行性能计算和操作特性分析

三、载荷、强度和刚度

四、无人机结构设计

五、重量平衡与控制

第三章动力装置

一、概述

二、活塞式发动机

三、涡轮喷气发动机

四、涡轮风扇发动机

五、涡轮螺旋桨发动机和涡轮轴发动机

六、螺旋桨

第四章发射与回收系统

一、概述

二、发射系统设计

三、回收系统设计

第五章飞行控制与管理系统

一、概述

二、飞行控制系统设计

三、机载计算机

四、伺服作动设备

五、机载传感器及测量设备

六、导航与制导设计

七、飞行仿真

八、任务设备的控制管理

九、接口设计

第六章机载电气系统

一、概述

二、供电系统的选型和设计

三、配电系统的布局和设计

四、与电气系统有关的其他设计

第七章指挥控制与任务规划

一、概述

二、操纵与控制

三、参数综合显示

四、地图航迹显示

五、任务规划

六、情报处理与分发

七、系统间信息互联

附录地图数据处理

第八章测控与信息传输

一、总体设计

二、终端处理机设计

三、收发信机设计

四、天线与伺服设备设计

五、操纵、监视及电源设备设计

六、结构设计

第九章有人机改装无人机

一、概述

二、总体方案设计

三、飞行控制与任务系统设计

四、发动机控制系统设计

五、电气系统设计

六、无线电测控系统设计

七、结构改装设计

八、改装与调试

九、综合试验

第十章综合保障设计

一、概述

二、综合保障设计准则

三、综合保障设计功能要求

四、综合保障设备

五、专用保障

六、地面训练与模拟设备

第十一章可靠性、维修性、安全性和环境适应性

一、可靠性

二、维修性

三、安全性

四、环境适应性

第十二章无人机飞行试验

一、飞行试验分类

二、飞行实验内容与方法

三、飞行试验安排

四、飞行试验的结果评定