无人飞行器的设计

远程无线通信系统第1章绪论

1.1 引言

1.2 课题研究背景

1.2.1 国内外研究现状

1.2.2 市场需求

1.3 研究内容和意义

1.3.1 研究内容

1.3.2 研究意义

1.4 本文结构

第2章无人机中继系统概述

2.1 无人机中继系统的总体结构

2.2 无人机的控制系统

2.3 无人机的实时图像传输系统

2.4 本章小结

第3章实时图像传输系统

3.1 摄像头

3.1.1 DSP控制芯片

3.1.2 图像传感器

3.1.3 镜头

3.3 摄像头的选择

3.4 图传频率

3.4.1 我国无线频率规划

3.4.2 无线图传频率选择

3.5 图传天线

3.5.1 天线的介绍

3.5.2 天线的选择

3.6 图传系统传输距离的估算

第4章动力系统

4.1 电机

4.2 舵机

4.2 电池

第5章GPS定位及飞机控制系统

5.1 GPS模块

5.2 飞控模块

第1章绪论

1.1引言

无人驾驶飞机简称“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飞机。机上无驾驶舱，但安装有自动驾驶仪、程序控制装置等设备。地面、舰艇上或母机遥控站人员通过雷达等设备，对其进行跟踪、定位、遥控、遥测和数字传输。可在无线电遥控下像普通飞机一样起飞或用助推火箭发射升空，也可由母机带到空中投放飞行。回收时，可用与普通飞机着陆过程一样的方式自动着陆，也可通过遥控用降落伞或拦网回收。可反覆使用多次。广泛用于空中侦察、监视、通信、反潜、电子干扰等。

本课题研究一套无人机中继系统，该系统是由目前市面上可购买到的不同模块组成。本课题研究的中继系统包括：摄像头模块、图像传输模块、动力模块、GPS定位模块及飞控模块；该无人机搭载此中继系统可实现手动遥控和飞机自主飞行两种飞行模式，飞机在飞行过程中，可以将机载摄像头所拍摄到的视频信息实时的传回地面控制台。具备此功能的无人机具有广阔的应用前景，不仅成本低还可以派到非常恶劣的环境中执行任务而不用担心人员损失。

1.2课题研究背景

随着控制技术的不断提高和智能控制理论的完善，在飞机中出现了一类不需要人驾驶就能够执行任务的飞机——无人机。无人机以其优越的性能，在现代高科技战争中发挥着独特的作用。无人飞机，顾名思义，就是不用驾驶员驾驶，而依靠嵌在飞机内的自动飞机驾驶仪器或地面无线电遥控飞行的飞机。无人机可以专门实际造型制作，也可以由普通飞机改造制成。无人飞机跟普通飞机一样，必须具备起落装置，机身、机翼、机载控制系统等，还因无人驾驶，必须配备自动驾驶仪、电子计算机、自动起落装置、程序控制装置等，因要求实现远距离控制，必须装有遥控接收机、电子摄像机等实时控制设备，相应的在遥控站设有机外遥控站、起飞装置和监测系统。

1.2.1 国内外研究现状

无人机出现在1917年，早期的无人驾驶飞行器的研制和应用主要用作靶机，应用范围主要是在军事上，后来逐渐用于作战、侦察及民用遥感飞行平台。20世纪80年代以来，随着计算机技术、通讯技术的迅速发展以及各种数字化、重量轻、体积小、探测精度高的新型传感器的不断面世，无人机的性能不断提高，应用范围和应用领域迅速拓展。世界范围内的各种用途、各种性能指标的无人机的类型已达数百种之多。续航时间从一小时延长到几十个小时，任务载荷从几公斤到几百公斤，这为长时间、大范围的遥感监测提供了保障，也为搭载多种传感器和执行多种任务创造了有利条件。

1.国内研究现状

我国无人机发展起步于上世纪50年代末。上世纪90年代以来，西北工业大学、北京航空航天大学和南京航空航天大学三所高校无人机事业蓬勃发展，并相继成立了无人机专门研究机构。迄今，上述三所高校已为国家研发了几十个型号上千架无人机。

2000年以来，中航工业集团、航天科工集团、航天科技集团、电子科技集团公司下属一些院所也开始无人机研制，加快了我国无人机的发展步伐。据不完全统计，国内从事无人机的单位超过300家，从事无人机总体（提供无人机系统）的单位超过40家。据了解，目前绝大部分还只是停留在研制、生产阶段，更多的是满足特定的个别用户的定制应用服务

需求，大批量产品生产和产业化发展的还很少。

虽然近年来我国的无人机研制、应用取得了长足进展，但距离美国、以色列等国家还有较大差距。其中，动力装置是中国飞机的一大软肋，无人机研发也遇到类似瓶颈。

2.国外研究现状

国外的研究主要有以下几类：

（1）Attitude Heading Reference System（AHRS）由斯坦福大学航空航天学院研制，利用惯性传感器技术和GPS卫星定位接收机，实时计算飞机在飞行时的准确方位和飞机机身姿态。

（2）以Delft技术大学的R.M.Rademaker和E.Theunissen 提出的Synthetic Vision System（SVS）虚拟现实系统为代表，显示终端可以提供实时数据显示、根据数据库中原有基础数据，由传感器和数据链组成并进行数据三维处理。

（3）以Visual Cueing and Control（VCC）系统为代表，由Honeywell实验室和Honewell BRGA—Olathe组织机构联合开发。类似于现代汽车导航系统，根据存在的基础信息，执行预定的飞行线路，实现可视化管理。根据包括经纬度、坐标转换、垂直速度、飞行速度等本机信息，以及基础数据的空间信息、适航信息等实现自动飞行管理，更重要的是可以在VFR（visual flight rules 目视飞行规则）到IFR（Instrument Flight Rules仪表飞行规则）飞行转换过程和由VFR飞行岛着陆阶段可提供可视帮助。但是，他有一个很大的缺点，就是不能实现飞行线路和地面的三维画面显示，稍显画面单调。

（4）以Tallec在Onera设计研究的Converging Traffic Alert System（CATAC）为代表，分别与1998年和2001年在法国和美国获得专利，采用了ADS-B技术，GPS接收装置接收关于飞行器的实时坐标数据，并根据基础数据分析数据，可实时估计本航空器的具体方位和速率，判断潜在的危险和问题，并通过语音告警控制人员；具备无线电接收装置，能获取人机互动显示画面，适合目视飞行规则（VFR）；飞机小巧，成本低廉。

（5）以适合通用飞机的飞行保障系统为代表的FLIGHT CONFLECT MANAGEMENT SYSTEM(FCMS)，利用无线网络连接技术，实现飞机与地面控制系统之间的连接和数据交换，利用网络点对点服务，实现飞机的飞行控制，减轻飞行员和空中交通管制人员的负担。

1.2.2 市场需求

无人驾驶飞机结构简单、重量轻、隐蔽性好，与执行有人飞机的任务相比，使用无人机能够大大减少费用。另一方面，它可以作为高危险性任务的执行者，例如：敌后纵深侦查，美国的全球鹰就是其中的典型代表：可以进行中继制导为己方攻击武器提供瞄准点；可以携带炸弹直接攻击目标等。可见，无人机在执行任务时的环境都比较危险，避免大量的人员培训和投入，所以无人机虽在功能上不能完全和普通飞机相比，但是它在执行危险任务中的作用却是人们考虑的首选。除此之外，无人机还可以用于民用，比如大兴安岭的森林防火灭火、汶川地震的航拍和实情考察、气象行业的人工降雨、农场的庄稼灭虫、沙漠戈壁的飞播造林等；可以用于日本福岛核电站事故中取得大气样本；也可以用于新的航天器的设计和技术验证等，现在，无人机还不能完全替代通常的各种飞机，普通的飞机因为人的存在而能够完成更加复杂的任务，不过随着以智能控制技术为首的技术群的发展，无人机将会有能力完成更多不同种类的任务，在更大程度上替代普通飞机来执行任务。

市场中类似飞机一般情况下适用于军事，在民用方面很少，本课题研究的中继系统，如果进一步将硬件优化，即可用于生活中。前段时间的雅安地震，由于天气因素的影响，卫星或载人飞机难以及时获取对灾难救助指挥的实时地面影像，采用无人机系统，可超低空云下作业，对天气的依赖非常小，而且不需要专用机场，可以快速准确的获取地面影像。无人机