《无人机专业应用型人才培养规划教材 无人机结构设计》何景武，谢长川编|(epub+azw3+mobi+pdf)电子书下载

图书名称：《无人机专业应用型人才培养规划教材 无人机结构设计》

【作　者】何景武，谢长川编

【丛书名】无人机专业应用型人才培养规划教材

【页 数】 363

【出版社】 北京：北京航空航天大学出版社 , 2021.11

【ISBN号】978-7-5124-3619-0

【价 格】69.00

【分 类】无人机驾驶飞机-结构设计

【参考文献】 何景武，谢长川编. 无人机专业应用型人才培养规划教材 无人机结构设计. 北京：北京航空航天大学出版社, 2021.11.

图书封面：

图书目录：

《无人机专业应用型人才培养规划教材 无人机结构设计》内容提要：

无人机设计技术近些年发展较快，已经成为当今军用、民用装备领域一个突出的发展方向和技术前沿。本书针对多种类型无人机，特别是固定翼无人机的结构设计问题，进行了分析和阐述，论述了无人机的设计要求、设计依据、设计理念和设计方法；分析讲解了无人机的载荷问题、结构构成和特点、结构的设计和分析；同时，对多旋翼无人机、太阳能无人机、无人直升机、无人旋翼机等不同类型的无人机的结构设计分别进行了分析讲解；此外，还专门分析了一些无人机结构的典型设计案例，专门论述了无人机结构设计的选材问题。本书可作为高等院校航空类专业和无人机专

《无人机专业应用型人才培养规划教材 无人机结构设计》内容试读

第1章无人机系统简介

1.1无人机系统

无人机系统(Unmanned Aerial System,UAS)是指与无人机的使用、维护有关的地面和空中所有设备及飞机机体部分的总称。

一个完整的无人机系统一般划分为：飞行器（飞机）分系统、测控与信息传输分系统、导航与飞控（飞行控制）分系统、任务载荷（设备）分系统、地面综合保障分系统及发射（起飞）回收(降落)装置等。对于不同类型、不同用途的无人机，组成该无人机系统的设备及装置会有所差别。

对于不同任务要求的无人机，其系统的组成

飞行器

和配备会有所差别。另外，在无人机系统的组成

地面控制站

关系上和各分系统的名称上也不尽相同，其主要是根据所研制的无人机系统的功能和特点由订购方和研制方来决定。

天线

通常，无人机系统的组成并不一定是越多越

人合电瓶车

好、越全面越好，而是要求组成系统的各部分尽量简单，使用维护方便，运输调整快捷。如图1-1所

图1-1普通无人机系统构成

示为普通无人机系统的构成情况。

1.1.1无人机系统的特点

无人机具有无人驾驶、体积小、成本低、风险代价小、制造周期短、起飞/着陆较容易等优点，因而有广阔的市场开发前景。但是，无人机在体积、载荷、速度、飞行高度与半径、通信带宽等方面的限制，对其开发应用形成了制约。

在军用侦察卫星、空中预警机大发展的今天，无人机却能独树一帜，争得一席之地，这是因为它们具有不可替代的独特性能，其特点主要体现在以下几个方面：

①可用多种方式起飞（发射）和降落（回收），还可用机载或航母搭载方式空中投送部署。

②续航时间长，飞行距离远。

③一机专用或一机多用，可配套发展，还可为某一用途、某一军种研制特殊型号的机型。

④执行任务或作战空间遍及低、中和高空。有些无人机兼有低、高空作战的双重性能。

⑤生存性高。使用雷达反射特征小的复合材料和隐身技术，提高了无人机的生存性。

⑥高性能的合成孔径雷达、相控阵雷达，电/光学与红外传感器，提高了监视与侦察的范围。通过军事卫星数据传输设备的控制，无人机可起到通信中继站的作用。

⑦在核、生、化环境下也能执行任务，避免了任务的风险和人员伤亡。

⑧能够及时地进行战场毁伤打击、校准、侦查和评估，以及灾情、疫情的实时检测、评判及分析。

1

无人机结构设计

⑨能对巡航导弹的精确攻击提供实时的情报。

⑩激光指示目标系统可提供精确的制导。

除了以上10个特点之外，无人机还在朝着更新的方向发展。无人机与有人机的对比如表1-1所列。

表1-1无人机与有人机的对比

项目

无人机

有人机

最大使用过载

>20g

≤10g

飞行员重量

机上不需要

约占飞机有效载重的15%

与飞行员息息相关的救生

不需要，可减少费用和重量

需要

和电子支援系统

性能相近的飞机

尺寸可减小约40%

外形尺寸较大

价格

偏低

偏高

使用

简单

复杂

维护

方便

不方便

飞行包线

大

小

人员伤亡

没有

有可能

研制周期

短

长

1.1.2飞行器（飞机）分系统

无人驾驶飞机(Unmanned Aerial Vehicle,UAV),简称无人机，是一种由动力驱动、无人驾驶的航空器，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。无人机是执行任务的载体，携带任务载荷，飞行至目标区域完成要求的任务。

无人机的外形和结构是根据其预定的任务和预定目的，也就是无人机的战术技术要求、使用技术要求来设计的。对不同任务要求的无人机，在外形设计、设备布置和结构形式等方面具有一定的差别。通常，对于长航时无人机，其翼展（展弦比）要大一些，以提高飞机的升力：而对于要求速度快、机动性强的无人机，通常翼展（展弦比）要小一些。此外还要考虑外形的隐身、气动性能、操纵性和稳定性、飞行品质等方面的要求。

无人飞行器从技术角度定义可以分为：无人固定翼飞机、无人垂直起降飞机、无人飞艇、无人直升机、无人多旋翼飞行器、无人伞翼机等。图1-2和图1-3分别给出了一个四旋翼无人机和一个固定翼无人机的实例。

图1-2大疆“精灵4”四旋翼无人机

图1-3“捕食者”无人机

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第1章无人机系统简介

1.1.3测控与信息传输分系统

测控与信息传输分系统由视距数据链路（包括地面与机载部分）、卫星中继数据链路（包括地面与机载部分)和地面控制站组成。测控与信息传输分系统组成如图1-4所示，测控与信息传输分系统连接示意图如图1-5所示，测控与信息传输分系统配置图如图1-6所示。

测控与信息传输分系统

视距数据链路

卫星中继数据链路

地面控制站

机载视距链路地面视距链路机载卫星通信链卫星A链路卫星B链路地面控制主站地面控制副站面情报直收站

图1-4测控与信息传输分系统组成

卫星B

卫星A

无人机

无人机

视距链路A

地面控制站

主站

卫星地面站A

视距链路B

地面控制站

副站

卫星地面站B

图1-5测控与信息传输分系统连接示意图

地面控制站(Ground Control Station,GCS)是整个无人机系统的“神经中枢”。地面控制站控制无人机的发射、飞行与回收，接收和处理来自任务载荷的传感器数据，控制传感器的运行（通常是实时的）以及提供无人机系统与外部世界的接口。

地面控制站有时也称为“任务规划与控制站”(Mission Planning and Control Station,MPCS),也有的称为“指挥控制站”(Command Control Station)。然而，由早期无人机获得的经验表明，地面控制站的任务规划功能对有效使用无人机系统来说至关重要，因而大多数系统

第1章无人机系统简介

地面收发天线和RF子系统

带有天线和调制解调

上行链路

器的机载数据终端

下行链路

天线到地面控制站的连接—有线、无线

地面控制站

ORF)、光纤

位于天线子系统和（或）地面控制站中的

00

地面处理和接口单元

1的动计之1

图1-8无人机数据链的组成

1.1.4导航与飞控（飞行控制）分系统

飞控系统又称为飞行管理与控制系统，相当于无人机系统的“心脏”部分，对无人机的稳定性以及数据传输的可靠性、精确度、实时性等都有重要影响，对其飞行性能起决定性的作用。

目前，无人机普遍使用的控制方法是自动化电子控制系统。电子控制系统采用的是反馈或叫做闭环的工作方式。控制系统对无人机的实际状态，包括飞行轨迹、姿态、高度、速度等进行检测，将检测得到的量值与期望的状态值进行比较（相减）。根据差信号（误差信号）的大小给出需要调整的舵面的控制量值，使无人机返回到预定的飞行状态，逐步地使误差信号趋近于零。飞控系统包括飞行操纵设备、综合显示设备、飞行航迹与态势显示设备、任务规划设备、记录与回放设备、情报处理与通信设备，以及与其他任务载荷信息的接口等，主要由陀螺仪（感知

飞行姿态)、加速计、地磁感应、气压传感器（悬停控制）、GPS模块（选装），以及控制电路组成。

其主要功能就是自动保持飞机的正常飞行姿态。典型的闭环自动控制系统的功能原理如图1-9所示。

期望状态

运动

控制器

执行机构

无人机

误差（期望值一实测值）

实测状态

传感器

图1-9典型的闭环自动控制系统的功能框图

无人机的飞行控制系统是全时限、全权限的，飞行控制模式可以分为程序控制（时间程序控制)、遥控（通过地面站遥控指令控制）和自主飞行控制（二维、三维或四维）三种。前两种飞行控制方式常用作靶机、观测等类型无人机的飞行控制，第三种常用于侦察机、攻击机等类型无人机的飞行控制。

无人机结构设计

在遥控方式下，地面操作手根据无人机的状态信息和任务要求控制无人机的飞行：在自主控制方式下，飞行控制系统根据传感器获取的飞机状态信息和任务规划信息自动控制无人机的飞行。在半自主控制方式下，飞行控制系统一方面根据传感器获取的飞机状态信息和任务规划信息自主控制无人机的飞行：另一方面，接收地面控制站的遥控指令，以此来改变无人机的飞行状态。

对于现代无人机的飞行控制系统，要求如下：

>有能力对无人机飞行状态参数及机载设备状态参数进行采集和计算：对电气设备、机载任务设备、测控与信息传输设备进行监控和管理：>要求其具有故障自动检测与隔离及控制率重构功能；>具有航线、航点预先装定和无线电装定能力。

1.1.5任务载荷（设备）分系统

任务载荷，通常也称为“有效载荷”或“任务设备”，是指那些为了执行任务而装备到无人机上的设备，无人机是这些设备的平台和运输工具。

所有用于无人机飞行、导航及回收的设备都不属于任务设备，而作为无人机的基本组成部分考虑。任务设备不包括航空电子设备、数据链路和燃油，但包括传感器、发射机和执行侦察、电子战或武器的运送和发射等任务所需的设备。

1.侦察、监视类任务载荷

无人机上使用最普遍的任务载荷是侦察设备。侦察设备也可以称为“传感器”，其作用是把侦察到的图像等信息传送到地面控制站。侦察任务设备（传感器）又分为主动式和被动式任务传感器，如图1-10所示。

被动式传感器

如：红外传感器(R)接收目

传感器本身不辐射任何

标的热辐射：照相机、电视

能量，而必须依靠目标

摄像机接收目标对太阳光、

辐射或反射的能量

星光或月光等的反射能量

侦察任务设备(侦察用传感器)

主动式传感器：传感器发射能量到被观察的物体（目标）并且检测从目标反射回来

如：雷达、主动式红外线夜

的能量

视仪等

图1-10主动式与被动式传感器

主动式和被动式两种传感器在使用中都受到大气吸收和散射效应的影响。最常见、最重要的两种侦察成像设备是可见光成像传感器和红外成像传感器。图像传感器需要去探测、识别和认清目标。要顺利地完成这些任务依赖于系统的分辨率、目标的对比度、大气和显示器性能等诸要素间的相互关系。图像传输方式（即数据链路）也是一个重要的因素。另外，要保证任务设备能够很好地工作，必须有一个稳定的平台。由于任务设备是安装于飞机上的，因此要求任务设备安装处的机体结构在执行任务时不得产生较大的弹性变形、不得产生有害的振动，同时要保证任务设备机构的正常运动。

···试读结束···