《5G网联无人机》符长青，符晓勤，曹兵编著|(epub+azw3+mobi+pdf)电子书下载

图书名称：《5G网联无人机》

【作　者】符长青，符晓勤，曹兵编著

【丛书名】高等教育“十三五”规划教材·无人机应用技术

【页 数】 273

【出版社】 西安：西北工业大学出版社 , 2020.02

【ISBN号】978-7-5612-6763-9

【价 格】59.80

【分 类】无人驾驶飞机-教材

【参考文献】 符长青，符晓勤，曹兵编著. 5G网联无人机. 西安：西北工业大学出版社, 2020.02.

图书封面：

图书目录：

《5G网联无人机》内容提要：

本书由6章组成，内容包括与5G网联无人机相关的基础知识，5G网联无人机应用场景，5G物联网与5G网联无人机关键能力，5G频谱技术与网络架构设计，5G新空口技术与移动边缘计算，无人机飞行安全管理等。本书本内容丰富、深入浅出，是读者通过本书学习能够掌握的与5G网联无人机相关的知识，以及相关应用，每章后有适量的习题供读者练习，以增强读者的实际应用能力。本书适合于高等院校无人机相关专业课程教材，也可供5G网联无人机相关领域技术人员参考。

《5G网联无人机》内容试读

第1章与5G网联无人机相关的基础知识

1,1无人机系统的基础知识

无人驾驶飞行器简称“无人机”，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航空飞行器。从技术角度定义，无人机可以分为固定翼无人机、旋翼无人机、无人飞艇、无人伞翼机等几大类。无人机上没有驾驶舱，但机体中安装有自动驾驶仪、程序控制装置等设备。地面、舰艇上或母机遥控站人员通过无线电设备，对其进行跟踪、定位、遥控、遥测和数字传输等。

1.1.1无人机的定义、分类和特点

1.无人机的定义

无人机(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)是指不搭载操作人员（简称“飞行员”或“驾驶员”)的一种动力航空飞行器，它利用空气动力为其提供所需的升力，能够携带有效载荷进行全自动飞行或无线引导飞行。无人机既能一次性使用，也能进行回收或自动着陆，以便进行多次重复使用。

2.无人机的分类

由于进入门槛低、大量现成技术可以应用、市场潜力巨大等原因，世界无人机技术近年来获得了迅猛发展，形成了型号种类繁多、形态各异、丰富多彩的现代无人机家族。无人机传统的分类方法是按其产生升力的结构部件，动力装置的类型，无人机的用途和飞行性能等进行分类，其中最基本、最重要的分类方法有以下几种。

(1)按无人机产生升力的结构部件分类。无人机按照其产生升力结构部件的不同，可以划分为固定翼无人机和旋翼无人机两大类。

1)固定翼无人机。固定翼无人机是指无人驾驶固定翼飞机，其总体结构的组成与有人固定翼飞机的总体结构基本类似。除了少数特殊形式的固定翼无人机外，大多数固定翼无人机总体结构都由机翼、机身、尾翼、起落装置和动力装置5个主要部分组成，如图1-1所示。

动力装置

尾翼

三机翼

。机身

⊙起落装置

图1-1“捕食者”固定翼无人机总体结构示意图

固定翼无人机的升力是由位于机身两侧的固定机翼所产生的，固定机翼产生升力的工作

一1

5G网联无人机

原理如图1-2所示。机翼的剖面（机翼弦平面）称为翼型，从图1-2可以看出，翼型上下表面形状是不对称的，固定翼无人机在空中飞行的时候，机翼将气流切割成上、下两个部分，空气沿机翼上表面运动的距离更长，自然流速更快，根据伯努利定理，速度越快，气压越小，这样机翼上下表面的压力差就提供了向上的升力。固定翼无人机向前飞得越快，机翼产生的气动升力也就越大。当升力大于重力时，固定翼无人机就可以向上爬升，反之，当升力小于重力时则下降。

有的机翼为对称形状，气流沿着机翼对称轴流动时，由于机翼两个表面的形状一样，因而气流速度一样，所产生的压力也一样，此时机翼不产生升力。但是当对称机翼以一定的倾斜角(称为攻角或迎角)在空气中运动时，就会出现与非对称机翼类似的流动现象，使得上下表面的压力不一致，从而也会产生升力。

压力差产生升力

上表面流速快、压力小

三三攻角

弦线

航向

9

下表面流速慢、压力大

图1-2机翼产生升力的原理示意图

固定翼无人机具有续航时间长、飞行速度快、飞行效率高和载荷大等优点，缺点是起飞降落时机场需要有长距离跑道、不能进行空中悬停等。

2)旋翼无人机。旋翼无人机是指具有一个或多个由发动机驱动的旋转机翼（旋翼），具备垂直起落和空中悬停飞行性能的无人航空飞行器，其总体结构的组成与有人直升机大致相同。旋翼由桨毂和数片桨叶构成。桨毂安装在旋翼轴上，形如细长机翼的桨叶则连在桨毂上，一副旋翼最少有两片桨叶，最多可达8片。旋翼无人机的旋翼转轴都近于铅直，每片桨叶的工作原

理类以于固定翼无人机的一个机翼。旋翼桨叶静止时在重力G作用下下垂，如图1-3()

所示。

当旋翼在动力装置的驱动下在空气中高速旋转时，沿半径方向每段桨叶上产生的空气动

力在旋翼轴方向上的所有分量的合成力，即为桨叶的总升力T,所有桨叶的总升力合成构成旋

翼总拉力，起到克服旋翼无人机重力的作用。旋翼的桨叶在升力作用下，绕桨毂水平铰向上挥舞，形成一个倒锥体，桨叶与桨毂旋转平面之间的夹角称为锥体角。锥体角的大小取决于桨叶

升力T及离心力F两者的大小：桨叶升力越大，锥体角越大；桨叶转动的速度越大，桨叶产生

的离心力越大，锥体角越小，如图1-3(b)所示。

旋翼由发动机驱动给周围空气以扭矩，根据物体作用力与反作用力的物理学基本原理，空气必定以大小相等、方向相反的扭矩作用于旋翼，继而传递到机体上。如果不采取补偿措施，这个反扭矩将使机体发生逆向旋转，如图1-4所示。

为了消除旋翼反扭矩作用，以保持旋翼无人机机体的航向，可以采用不同的补偿方式，在设计上也就出现了不同构造形式的旋翼无人机，如图1-5所示。

a.单旋翼带尾桨式。它只有一个主旋翼，采用尾桨推力来平衡主旋翼反扭矩。这种形式2

第1章与5G网联无人机相关的基础知识

是传统直升机中最流行的形式，如图1-5(a)所示，在结构上要比双旋翼无人机简单，但要多付出尾桨的功率消耗。

G

G

桨叶

桨叶

机身

(a)

(b)

图1-3旋翼浆叶产生升力的原理示意图(a)旋翼静止状态；(b)旋翼高速旋转状态

旋翼桨叶

扭矩

反扭矩

尾浆

图1-4旋翼无人机的旋翼扭矩与反扭矩示意图

(d)

(e)

图1-5不同总体结构形式的旋翼无人机示意图(a)单旋翼带尾桨式；(b)双旋翼共轴式；(c)双旋翼纵列式：

(d)双旋翼横列式：(e)多旋翼式：(f)倾转旋翼式

b.双旋翼共轴式。两旋翼在同一轴线上，相逆旋转，因此反扭矩彼此相消，如图1-5(b)所示。这种形式的无人机外廓尺寸较小，但传动和操纵机构复杂。

c.双旋翼纵列式。两个旋翼纵向前后布置，相逆旋转，反扭矩彼此相消，如图1-5(c)所

一3—

5G网联无人机

示。这种形式的优点是机身宽敞，容许机体重心位置移动较大；缺点是后旋翼的空气动力效能较差。

d.双旋翼横列式。两个旋翼左右安装在支臂或固定机翼上，相逆旋转，反扭矩彼此相消，如图1-5(d)所示。这种形式的优点是构造对称，稳定性和操纵性较好；缺点是迎面空气阻力较大。

e.多旋翼式。旋翼数量多达4个或4个以上，通常分为4个、6个、8个、12个、16个、18个、24个、36个旋翼等，每两个旋翼相逆旋转，因而反扭矩彼此相消，如图1-5()所示。「.其他形式。为了提高旋翼飞行器的有效载荷、前飞速度、升限和航程等性能，人们设计研制出了一些特殊形式的旋翼飞行器，如复合式、组合式、倾转旋翼式、涵道式等。其中值得一提的是倾转旋翼式，如图1-5(f)所示，这种形式的旋翼无人机有固定机翼，两个旋翼分别安装在固定机翼的两端。在起飞时它就像双旋翼横列式无人机那样垂直起飞，起飞后旋翼轴相对于机体逐渐向前转动，逐渐转入前飞状态，过渡到平飞时就能像普通的固定翼无人机那样，依靠固定机翼产生向上的升力支撑机体重量，以及依靠转轴近乎水平的旋翼产生向前的拉力，牵引旋翼无人机向前飞行，其飞行速度能提高2倍多，达到600km/h。

(2)按无人机动力装置分类。无人机是一种自身密度大于空气密度的航空飞行器，其升空飞行的首要条件是需要有动力，即所谓的动力飞行，有了动力无人机才能产生克服重力所必需的升力。人们把无人机上产生拉力或推力、使其前进的一套装置称为无人机的动力装置，包括无人机的发动机以及保证发动机正常工作所必需的系统和附件。

发动机是能够把其他形式的能转化为机械能，并进而产生拉力或推力的机器，是无人机动力装置的核心，被称为无人机的心脏。发动机特性的优劣对无人机的各种飞行性能和使用性能都有很大影响，有了适用的发动机，无人机才能实现真正有动力、可控制的飞行。对于无人机这一类航空飞行器来说，由于其结构大小、飞行空域、速度、高度和用途等的巨大差异，它可以使用的发动机有好几种，常用的发动机有电动机和航空发动机两大类，见表1-1。

表1-1无人机常用的发动机

无刷电动机

电动机有刷电动机

往复活塞式发动机

常

活塞发动机旋转活塞式发动机

发

涡轮喷气发动机

机

涡轮螺旋桨发动机

航空发动机

燃气涡轮发动机（有压缩机）涡轮风扇发动机

空气喷气发动机

涡轮轴发动机冲压喷气发动机

喷气发动机

无压缩机的喷气发动机脉冲喷气发动机

液体火箭发动机

火箭发动机固体火箭发动机

1)电动机。电动机是将电能转换成机械功的动力装置。直流电动机是目前微型、轻型和小型无人机使用最多、应用最广的动力装置。电动机运转所需的能量由聚合物锂电池或新能源方式（如燃料电池）提供，其作为航空动力装置的优点是结构简单、调速快捷、能源清洁、使用

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第1章与5G网联无人机相关的基础知识

方便，缺点是采用电池供电，其续航能力和载重能力都受到很大的限制。

2)航空发动机。油动型无人机采用航空发动机作为动力装置。航空发动机是一种燃油发动机，是将燃料热能转换成机械功的动力装置，属于热机范畴。其优点是无人机飞行的续航时间和航程基本不受限制，与电动型无人机相比较，具有载荷大、航程远、续航时间长等优点。

(3)按无人机质量分类。无人机的质量通常分为两种，空机质量和全质量。空机质量是由机身、机翼或旋翼、尾翼或尾桨、发动机、起落架、电池或燃油、机内设备等所有部件的质量相加组成的；全质量是空机质量加上任务载荷。根据无人机质量大小，民用无人机分为微型、轻型、小型、中型和大型五大类。

1)微型无人机：是指空机质量小于0.25kg,设计性能同时满足飞行高度不超过50m、最大飞行速度不超过40km/h、无线电发射设备符合微功率短距离无线电发射设备技术要求的遥控驾驶航空飞行器。

2)轻型无人机：是指同时满足空机质量不超过4kg,最大起飞质量不超过7kg,最大飞行速度不超过1O0k/h,具备符合空域管理要求的空域保持能力和可靠被监视能力的遥控驾驶航空飞行器，但不包括微型无人机。

3)小型无人机：是指空机质量不超过15kg或者最大起飞质量不超过25kg的无人机，但不包括微型、轻型无人机。

4)中型无人机：是指最大起飞质量超过25kg但不超过150kg,且空机质量超过15kg的无人机

5)大型无人机：是指最大起飞质量超过150kg的无人机。中型、大型无人机，应当进行适航管理。

(4)按无人机用途分类。无人机按其用途分为军用无人机和民用无人机两大类。

1)民用无人机。无人机在民用方面应用范围极为广泛，是新时代最重要的创新领域之一。民用无人机按照应用场景划分，可分为消费级和工业级两类。其中，消费级无人机多用于个人航拍、娱乐等领域；工业级无人机则在农业、气象、勘探、测绘、巡检、物流、救援和消防等众多领域有广泛应用。

2)军用无人机。军用无人机可分为侦察无人机、诱饵无人机、电子对抗无人机、通信中继无人机、排爆扫雷无人机、察打一体无人机、无人战斗机、靶机和伤员救助无人机等。

3.无人机的特点

无人机与有人驾驶飞行器（以下简称“有人机”）相比有许多不同之处，包括使用和功能上的差别，而造成这些差别的根本因素就是“人”。无“座舱飞行员”是无人机的主要特点，正是这

一特点，造就了无人机使用上的特殊优越性，因此近些年来，在世界各地掀起了一股又一股大规模应用无人机的热潮。

对于任何一种无人机来说，基本上都具备以下几方面的突出优势：

(1)适用范围广。无人机能胜任条件恶劣、高危环境下的各种工作，可以毫无顾忌地执行各种高危险任务。在军用方面，无人机可用于重点军事地区的侦察工作。它体积小、隐身性好，不易被敌方防空系统探测到，同时不易被防空火炮或导弹击落，更重要的是，避免了有人机飞行员被俘或失去生命的风险。在民用方面，特别适合用于抢险救灾、消防灭火、巡查监视和灾害普查等，如城市高层建筑消防灭火，扑救森林火灾等。在危险的环境中执行任务，使用无人机可有效地减少人员生命损失的风险。

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5G网联无人机

(2)不怕艰苦。无人机能出色完成单调枯燥、时间长、强度大和重复性的艰苦任务。有人机飞行员在执行这类任务时容易产生疲劳、紧张等状态，使注意力不集中，影响飞行安全及任务完成度。利用无人机执行这类任务，就没有这个问题。例如在大范围的空中监视中，无人机可携带高清晰、低照度电视及热成像仪或扫描雷达，相比有人机飞行员长时间不休息、不间断地观察，无人机能更有效地完成任务。

(3)不怕污染。在被化学、生物、放射性物质及核废料污染的地方执行任务，污染物会对人体及生命产生巨大的危害。由于无人机上没人，就没有这个问题，它可进人受到污染的地方，不用担心人体可能受到的伤害，而且无人机体积小，事后人们更容易清除机身上沾染的污染物。

(4)经济性好。无人机的研制、生产和使用成本大大低于有人机。由于“机上无人”的原因，无人机在设计时完全不必考虑飞行员的生理需求，减少了各种生命保障系统，因而可以大大简化机载设备和飞行平台的设计要求，结构更简单合理，体积小、质量轻，使得无人机的研制、生产成本远远低于有人机。另外，无人机的使用、训练和维护费用也比有人机低得多。

(5)配置灵活，任务多元化。无人机由于在体积、使用、维护上的综合优势，使其在使用中配置相当灵活，现有的各类飞行平台经过简单改装都可以支持良好的无人机使用。同时，现有各类无人机系统在设计时均采用平台化、模块化的方式，各种任务模块可根据实际情况进行灵活调整，从而能充分发挥飞行平台优势。

(6)执行任务灵活，操作方便。对无人机进行操作的人员无须亲历现场和进行全面完善的作战培训，同时，无人机可以在各种场合灵活地进行起降和飞行，具有操作灵活的特点。

(7)对环境影响小。通常无人机体积小、质量轻、能源消耗少，因而产生的噪声和排放也小。在完成同一任务时，无人机产生的环境影响和污染要小于有人机，因此无人机比有人机更适合应用到电力线往复巡查、物流快递、喷洒农药、边界巡逻，以及输油管路监测和安全保护等。

(8)飞行隐蔽性强。由于机上无人，无人机的设计和飞行完全不需要考虑飞行员的生理承受能力等因素，无人机的尺寸、过载、飞行高度等完全是依据任务需要来设计的，因而可以在隐蔽性、灵活性、机动性方面做得非常出色。例如，无人机可以飞到有人机无法进入的高空而获得宝贵的高度优势，可以不知疲倦地长时间进行侦察监视而使目标无处遁形，可以在战时急速飞越敌国领空而不被对方锁定，可以出其不意地锁定并实时打击敏感目标，还可以像昆虫一样进入窄小区域侦察而不为人所知，等等。这些有人机无法企及的性能优势大大拓展了无人机的应用空间。

1.1.2无人机系统的定义和组成

1.无人机系统的定义

无人机与有人机最大的区别是机上无人操作驾驶。但是无人机要想真正完成一项特定的任务，光靠能在天空中飞行的无人机飞行平台（简称“无人机”）本身还是不够的，除了需要无人机及其携带的任务设备外，还需要有地面控制设备、数据通信设备、维护支持设备、地面操作与维护人员等。因此，完整意义上的无人机应称为无人机系统。

无人机表面上看似无人驾驶，但实际上它并不是真正离开了人的驾驶，虽然无人机上确实没有人驾驶操纵，但它却离不开身在地面上的驾驶员对它进行的操纵控制。驾驶操纵无人机

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···试读结束···