【无人机组装与调试】系列课程全集：
1.1 什么是无人机？
无人驾驶飞机是指由动力驱动、不搭载操作人员的一种空中飞行器。它依靠空气动力为飞行器提供升力，能够自主或遥控飞行，能携带多种任务设备、执行多种任务，可一次性或多次重复使用的无人驾驶航空器，简称无人机（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）。
无人驾驶飞机简称“无人机”（“UAV”），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行器。无人机实际上是无人驾驶飞行器的统称，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。与载人飞机相比，它具有体积小、造价低、使用方便、对作战环境要求低、战场生存能力较强等优点。由于无人驾驶飞机对未来空战有着重要的意义，世界各主要军事国家都在加紧进行无人驾驶飞机的研制工作。2013年11月，中国民用航空局（CA）下发了《民用无人驾驶航空器系统驾驶员管理暂行规定》，由中国AOPA协会负责民用无人机的相关管理。根据《规定》，中国内地无人机操作按照机型大小、飞行空域可分为11种情况，其中仅有116千克以上的无人机和4600立方米以上的飞艇在融合空域飞行由民航局管理，其余情况，包括日渐流行的微型航拍飞行器在内的其他飞行，均由行业协会管理、或由操作手自行负责。
1.2 无人机的分类
无人机的应用领域非常广泛，无人机的尺寸、重量、性能及任务等方面差异也都非常大。由于无人机的多样性，因此，从不同的考量角度，无人机有多种分类方法。
1.2.1 按用途分类
无人机按用途分类，可分为军用无人机与民用无人机两大类。
军用无人机：根据不同的军事用途和作战任务，军用无人机可分为无人侦察机/监视机、无人战斗机、通信中继无人机、电子干扰无人机和靶机等类型。
（1）无人战斗机：是指可携带小型和大威力的精确制导武器、激光武器或反辐射导弹，执行空战或对地攻击任务的无人机。如图所示是美国的MQ-9“死神”无人战斗机，MQ-9“死神”无人机是一种极具杀伤力的新型无人作战飞机。除了攻击外，它还可以执行情报、监视和侦察等任务。
（2）无人战斗机：是指可携带小型和大威力的精确制导武器、激光武器或反辐射导弹，执行空战或对地攻击任务的无人机。如图所
示是美国的MQ-9“死神”无人战斗机，MQ-9“死神”无人机是一种极具杀伤力的新型无人作战飞机。除了攻击外，它还可以执行情报、监视和侦察等任务。
（3）通信中继无人机：作为空中中继平台，通信中继无人机可增加信息的传输距离，即利用无人机向其他军用机或陆、海军飞机传送图像等信号，这些无人机一般都安装了超高频或甚高频的无线电通信设备。如图所示是可用于空中指挥和通信中继任务的无人飞艇。
（4）电子干扰无人机：电子干扰是指利用有源或无源电子干扰设备，通过辐射电磁波或释放铝箔条和金属干扰丝，破坏敌方通信系统，干扰敌方电子设备，使其效能低下，甚至完全失效。目前，很多无人电子干扰机采用的是无源干扰方式，其基本的干扰设备包括铝箔条投放器、曳光弹投放器和雷达回波增强设备等。
（5）电子诱饵/欺骗无人机也是一种无源欺骗性干扰无人机。通过飞机上携带的干扰设备来增强地面雷达的反射回波，模拟真实目标，并通过飞机的速度和外形等方面来模拟战斗机或轰炸机的运动姿态，诱使敌方雷达或地面防空武器开机或开火，从而暴露地面雷达或地面防空武器的位置，消耗地方的火力，然后再通过其它武器装备对敌方的雷达或地面防空武器进行精确打击。图1-5所示是美国空军为F-16和B-52装备的微型诱饵无人机MALD-J，MALD-J诱饵无人机是一种飞航式空中发射诱饵，能在敌方雷达上敌方军机的雷达和飞行特征，消耗对方的防空力量。
民用无人机：在民用领域方面，由于无人机具有成本相对较低、无人员伤亡风险、生存能力强、机动性能好、使用方便等优势，因此得到了广泛的应用。其主要应用市场包括：航空拍摄、航空摄影、地质地貌测绘、森林防火、地震调查、核辐射探测、边境巡逻、应急救灾、农作物估产、农田信息监测、管道巡查、高压输电线路巡查、野生动物保护、科研实验、海事侦察、鱼情监控、环境监测、大气取样、增雨、资源勘探、禁毒、反恐、警用侦查巡逻、治安监控、消防侦查、通信中继、城市规划、数字化城市建设等多个领域。表1-1所示为民用无人机的分类划分。
1.2.2 按飞行平台构型分类
无人机按飞行平台构型分类可以分为：
固定翼无人机、无人直升机、多旋翼无人机 、无人飞艇和伞翼无人机等，图中所示为最常见的无人机飞行平台。
1.2.3 按大小分类
按照无人机的重量及外形尺寸的大小，无人机可以分为微型无人机、小型无人机、中型无人机和大型无人机几大类。
大型无人机重量一般大于500～800kg；
中型无人机重量一般在200～500kg内；
轻型无人机重量一般在100～200kg；
小型无人机重量一般在1～100kg以内；
微型无人机重量一般小于1kg。 表1-2所示为按大小分类的无人机的重量和尺寸数据对比。
1.2.4 按飞行性能分类
（1）. 按速度分类
无人机按速度分类 可分为：
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。
低速无人机速度一般小于0.4Ma（Ma为马赫数）；
亚声速无人机速度一般在0.4～0.85Ma；
跨声速无人机速度一般在0.85～1.3Ma；
超声速无人机速度一般在1.3～5Ma；
高超声速无人机速度一般大于5Ma。
图1-10所示为超声速和高超声速无人机的外形对比。
（2）. 按航程分类
无人机按航程（或活动半径）分类可分为：
超近程无人机、近程无人机、短程无人机、中程无人机和远程无人机。
超近程无人机活动半径在5～15km之间，
近程无人机活动半径在15～50km之间，
短程无人机活动半径在50～200km之间，
中程无人机活动半径在200～800km之间，
远程无人机活动半径大于800km。
图1-11所示为洛克希德马丁公司研制的 RQ-3“暗星”（Dark Star）远程无人侦察机，其作战半径达900多千米。
（3）. 按实用升限分类
无人机按实用升限分类可分为：
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。
超低空无人机实用升限一般在0～100m之间，
低空无人机实用升限一般在100～1000m之间，
中空无人机实用升限一般在1000～7000m之间，
高空无人机实用升限一般在7000～20000m之间，
超高空无人机实用升限一般大于20000m。
图1-12所示为中国的“彩虹-3A”察打一体化中空无人机，作战半径为200千米。
1.3 无人机的发展
从1917年发明的第一架无人机开始，到今天的无人侦察机、无人战斗机等军用无人机，以及在航空拍摄、地质地貌测绘、森林防火等方面广泛使用的民用无人机，无人机的发展已经历了近百年的历史。无人机因其具有无人员伤亡风险、生存能力强、机动性能好、使用方便、成本低等优点逐渐受到世界各国的重视，并且在很多领域正逐步替代有人飞行器，承担越来越多的飞行任务。
无人机的发展，大致经历了以下几个阶段：20世纪20~60年代，无人机主要作为靶机使用，是无人机发展的起步阶段；60~80年代，无人侦察机及电子战类无人机在战场上崭露头角，无人机开始进入实用阶段；从90年代起，无人机在现代高技术局部战争中得到了全面的应用，无人机在民用领域也得到了迅猛发展，无人机正处在一个迅速崛起和蓬勃发展的阶段。
两次世界大战期间，军用无人机技术主要体现在导弹和无人靶机两个方面。1918年，法国的第一架无线电遥控飞机试飞成功；1921年英国研制成功世界上第一架可以实用的无人靶机，该靶机可在近2千米的高度以160Km/h的速度飞行。1931年9月，英国费尔雷公司将一架“女王”有人驾驶双翼飞机改装成“费利王后”（Fairey Queen）靶机进行了9分钟的有控飞行。1932年，英国Home舰队将“费利王后”携往地中海作试验，检验Home舰队防空火力的效能及靶机的飞行性能。当时“费利王后”冲着Home舰队的密集防空火力飞行了2小时而未被击中，这不仅说明了当时海军防空武器的低效，同时也充分证明了靶机的实用价值。1933年英国又研制出了有名的“蜂后”（Queen Bee）靶机，随即投入批量生产。这种靶机在1934~1943年共生产了420架，它们的使用一直持续到第二次世界大战之后。
可说是这个时期靶机发展的典型代表。当时美国为了训练战斗机飞行员和防空导弹操作手，着手研制一些可模仿当时战斗机、轰炸机性能的靶机，美国的瑞安航天公司（Ryan Aeronautical Company）在1948年赢得美国空军的合约，开始研制一种高亚声速、喷气推进的靶机，这就是后来久负盛名的“火蜂”靶机。由于设计成功，1953年开始成批生产，很快便有1280架早期的“火蜂”Q-2A与KDA型在美国三军和加拿大皇家空军服役。截止到1984年，共有近6500架“火蜂”系列靶机投入使用。
在这个阶段，除美国外，法国、意大利、澳大利亚、加拿大、以色列、日本和德国等国也相继研制出多种靶机。因此，在很长一段时间内，靶机基本上就是无人机的一个代名词。
无人靶机的发展也带动了遥控遥测技术、飞行控制与导引技术、小型发动机技术、发射与回收技术以及无人机专用设备等无人机关键技术的发展。在靶机的发展过程中，无人机技术先后突破了低速、高亚声速和超声速的速度飞行界限，同时也突破了超低空、低空、中高空和高空的空域飞行界限，为无人机今后的全面发展奠定了基础。
1960年冷战期间，美国曾多次派U-2有人驾驶侦察飞机前往前苏联侦察导弹基地。1960年5月，美国中央情报局所属的一架U-2高空侦察机在前苏联领空被SA-2防空导弹击落，正是因为这一事件使得美国决定研制无人侦察机。美国空军很快启动了“专用飞行器”（SPA）计划，这个计划是在“火蜂”无人靶机基础上发展的无人侦察机计划。1960年夏，瑞安公司开始尝试将“火蜂”改型为一种具有低雷达可探测性、航程更远、操纵性更好的无人侦察机—147A，后来又很快改进完成了航程更远的147B型；随后又根据前苏联防空导弹的特点研制成功了有名的147D“萤火虫”无人侦察机。该机装有可搜集SA-2地空导弹制导系统信号特征的电子情报模块，可通过引诱SA-2地空导。
弹雷达开机截获其信号特征，并将其转发到ERB-47电子战飞机上。
2003年的伊拉克战争中，美军使用了10种以上的无人机支援作战行动，其数量是阿富汗战争的3倍多，这些无人机主要包括陆军的“猎犬”、“指针”和“影子200”无人机，海军陆战队的“龙眼”和“先锋”无人机，空军的“全球鹰”和“捕食者”无人机。“全球鹰”在巴格达上空执行了数次作战任务，共收集图像3700多幅，“捕食者”也摧毁了包括防空导弹连、导弹发射装置、伊拉克电视台雷达和卫星设施等多个地面目标。这些无人机在对伊作战中发挥了极大的作用，这标志着现代战争开始进入了无人化作战的阶段。
2010年3月至5月，美国先后试验试飞了HTV-2“猎鹰”高超声速无人机和X-37B空天无人机。2015年5月20日，在美国卡纳维尔角空军基地，美国空军使用阿特拉斯-V型火箭将X-37B再次送入太空，执行第四次在轨飞行任务。在此之前的2012年12月至2014年10月的第三次飞行试验中，X-37B共计在轨飞行了671天，这标志着无人机开始向更高、更远、更快的空天领域发展。如图所示为X-37B空天无人机。
在军事领域，无人作战飞机和空天无人机的迅速发展，使无人机逐步成为军事装备体系中的关键力量和维护国家安全的战略制高点。2011年2月，美国海军无人作战飞机X-47B在加利福尼亚的爱德华兹空军基地成功实现首飞。2013年7月，X-47B成功在“乔治·布什”号航空母舰上实现拦阻着陆，标志着美国海军已经掌握了无人机在航空母舰上起飞降落的关键技术。
图为美国陆军的“影子200”无人机，一位美陆军地面机动计划无人机主管在一份AAI公司声明中说，对战地指挥员来说，“影子”系统是“关乎生死存亡的工具”。
自20世纪90年代起，许多国家将无人机发展置于重要地位，投入逐年增加。目前全球共有57个国家研制和发展无人机，研制和发展的无人机系统近千种，其中已成为无人机产品的近400种。美国占据了无人机发展的制高点，以色列起步较早，在战术无人机、长航时无人机方面具有特色和优势，俄罗斯始终没有放松先进技术的开发应用研究，欧洲和亚洲各国也加快了无人机发展的步伐，无人机系统的发展已在世界范围内掀起了的一轮新的高潮。
1.4 无人机的发展趋势
随着无人机系统的发展，无人机从无人航空器扩展到临近空间无人飞行器，进而又扩展到太空无人飞行器；无人机系统的任务从单一的侦察监视扩展到信息对抗、通信中继等方面，目前又进一步扩展到
精确打击、制空作战等领域；无人机系统的技术也进一步向自主控制、高生存力、高可靠性、互通互联等方向发展。就目前无人机的发展趋势来看，无人机的发展方向主要体现在以下几个方面。
（1）高空长航时方向
在未来战争中，长航时无人机，特别是高空长航时无人机将成为侦察卫星和有人驾驶战略侦察飞机的重要补充和增强手段。一些国家已将其作为一个环节列入“军用卫星、载人飞船、预警机、战略导弹、长航时无人机”这一防卫作战大系统，实施战略侦察，成为获取战略情报的重要手段之一。
（2）隐身化方向
隐身战斗机的技术已日见成熟，隐身技术应用到无人机上也是大势所趋。美军最先研制出的“暗星”隐身无人机，就是一种高空长航时战术无人机。
（3）精确打击、制空作战
21世纪将出现能够深入战区纵深，在高度危险战场环境中执行攻击任务的无人作战飞机。这种飞机能执行现有轰炸机、战斗机、武装直升机和巡航导弹的任务，成为一种新型的精确打击武器系统。
（4）微小型化、智能化
由于微小型无人机操作简便灵活，具有较强的机动性能和低空飞行优势，随着全球反恐和特种作战任务的需要，各国对微小型无人机的发展也十分重视。而且，随着电子技术和控制技术的发展，将来的无人机应能按预先设定的程序半自主地完成任务，甚至从头至尾完全自主地完成任务。
（5）临近空间领域
临近空间无人机在对特定区域的持续侦察监视、通信中继、导航、电子战、导弹防御、空间对抗等方面有着独特的优势，是陆、海、空、天装备的重要补充力量，已成为世界武器装备发展的焦点领域。
（6）组网编队飞行
无人机的脆弱性和载荷能力的局限性，决定了随着应用的不断扩展和使用要求的不断提高，多无人机组网协作执行任务将是一个很好的发展途径。
（7）多领域、多样化方向
无人机除了在军事领域的广泛应用外，近年来在民用领域也呈现了井喷态势，无人机的种类也根据其应用领域的扩展朝着多样化的方向发展。相信在不久的将来，会有更多、更完善的无人机在社会的各个领域发挥它独特的作用。
1.5 无人机的系统组成
随着无人机性能的不断发展和完善，能够执行复杂任务的无人机系统包括以下各个分系统：
(1)无人飞行器分系统：机体、动力装置、飞行控制与管理设备等；
(2)任务设备分系统：战场侦察校射设备、电子对抗设备、通信中继设备、攻击任务设备、电子技术侦察设备、核生化探测设备、战场测量设备、靶标设备等；
(3)测控与信息传输分系统：无线电遥控/遥测设备、信息传输设备、中继转发设备等；
(4)指挥控制分系统：飞行操纵与管理设备、综合显示设备、地图与飞行航迹显示设备、任务规划设备、记录与回放设备、情报处理与通信设备、其他情报和通信信息接口等；
(5)发射与回收分系统：与发射(起飞)和回收(着陆)有关的设备或装置，如发射车、发射箱、助推器、起落架、回收伞、拦阻网等；
(6)保障与维修分系统：基层级保障维修设备，基地级保障维修设备等。
无人飞行器分系统是执行任务的载体，它携带遥控遥测设备和任务设备，到达目标区域完成要求的任务。测控与信息传输分系统通过上行信道，实现对无人机的遥控；通过下行信道，完成对无人机状态参数的遥测．并传回侦察获取的情报信息。任务设备分系统完成要求的侦察、校射、电子对抗、通信中继、对目标的攻击和靶机等任务。指挥控制分系统完成指挥、作战计划制定、任务数据加载、无人机地面和空中工作状态监视和操纵控制，以及飞行参数和情报数据记录等任务。发射与回收分系统完成无人机的发射(起飞)和回收(着陆)任务。保障与维修分系统主要完成系统的日常维护，以及无人机的状态测试和维修等任务。
1.6 无人机的基本构成
一般来说，无人机有飞行器机架、飞行控制系统、推进系统、遥控器、遥控信号接收器和云台相机等6大构成部分。
1. 飞行器机架
飞行器机架（Flying Platform）的大小，取决于桨翼的尺寸及电机（马达/马达）的体积：桨翼愈长，马达愈大，机架大小便会随之而增加。机架一般采用轻物料制造为主，以减轻无人机的负载量（Payload）。
2. 飞行控制系统
飞行控制系统（Flight Control System）简称飞控，一般会内置控制器、陀螺仪、加速度计和气压计等传感器。无人机便是依靠这些传感器来稳定机体，再配合GPS及气压计数据，便可把无人机锁定在指定的位置及高度。
3. 推进系统
无人机的推动系统（Propulsion System）主要由桨翼和马达所组成。当桨翼旋转时，便可以产生反作用力来带动机体飞行。系统内设有电调控制器（Electronic Speed Control），用于调节马达的转速。
4. 遥控器
这是指Remote Controller或Ground Station，让航拍玩家透过远程控制技术来操控无人机的飞行动作。
5. 遥控信号接收器
主要作用是让飞行器接收由遥控器发出的遥控指令信号。4轴无人机起码要有4条频道来传送信号，以便分别控制前后左右4组旋轴和马达。
6. 云台相机
目前无人机所用的航拍相机，除无人机厂商预设于飞行器上的相机外，有部分机型容许用户自行装配第三方相机，例如GoPro Hero 4运动相机或Canon EOS 5D系列单眼相机，惟近年亦有厂商提倡采用M4 /3无反单眼（如：Panasonic LUMIX GH4）作航拍用途。
航拍相机主要透过云台（Gimbal）装设于飞行器之上。云台可说是整个航拍系统中最重要的部件，航拍视频的画面是否稳定，便全要看云台的表现如何。云台一般会内置有两组电机，分别负责云台的上下摆动和左右摇动，让架设在云台上的摄像机可维持旋转轴不变，令航拍画面不会因飞行器震动而晃动起来。
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