无人机结构与系统-第五章 无人机其他系统.pptx

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第五章,第五章,学习导论无人机结合行业应用，搭载不同的任务载荷，实现无人机的功能最大化。

除动力系统以外，无人机顺利执行各种任务仍需电气系统、控制站、通讯系统、任务设备等提供辅助支持。

本章将详细介绍无人机其他的必不可少的系统，有助于更清晰地了解无人机的结构与系统。

第五章,第五章,学习目标了解无人机其他各系统的作用；掌握无人机电气系统的组成及其各部分作用；了解无人机常用相机的种类；掌握可见光相机和红外相机的结构组成及工作原理；掌握无人机云台系统的结构及工作原理；掌握无人机控制站的组成及其作用；了解无人机通讯链路的关键技术；掌握无人机通讯系统的组成及其作用。

第五章无人机其他系统,第五章无人机其他系统,电气系统,第一节,任务设备,第二节,控制站,第三节,通讯链路,第二节,第五章,电气系统,5.1电气系统,在无人机的应用中，涉及到的动力、测控、飞行控制与管理、导航、任务设备等相关系统都需要使用各种形式的能源，为了使无人机上各个系统和设备正常工作，完成预定的功能要求，这就需要一整套的电气控制系统，无人机的工作状态与电气系统有着密切的关系。

因此，电气系统是无人机系统的一个重要组成部分，它的工作状态及运行直接影响到无人机和全系统的正常工作。

根据国家标准对无人机电气系统的要求，其正常工作应该满足以下要求：

1）在无人机要求的工作条件下，电气系统应该能够可靠地将稳定的电能输送给相应的用电设备；2）在个别部件发生故障时，局部线路断开或者短路时，电气系统的其他部分不受影响，继续保持正常工作；3）在应急状态下应该保证应急用电设备的供电质量。

第五章,电气系统,5.1.1无人机电气系统的组成,无人机电气系统一般由电源、配电系统、用电设备三大部分组成，其中电源和配电系统两者统称为供电系统。

供电系统的作用是向无人机各个系统或设备提供满足预定设计要求的电能。

配电系统应将电能可靠而有效地输送到各用电系统和设备，可靠有效就是指用电设备获得稳定持续的电压值。

配电系统由传输电线和控制与保护装置组成。

对于重要的系统或设备，还应设有多路独立的供电装置。

当配电系统中发生局部性的故障时，不能扩大影响到未发生故障的部分，更不能危及无人机的安全。

用电设备主要包括动力设备、监测设备、任务设备、控制设备、通讯设备等，具体有飞控计算机、传感器、测控设备、回收设备、合成孔径雷达、光电平台、航空相机、自卫干扰设备等。

根据电气系统的位置，无人机电气系统又可以分为机载电气系统和地面供电系统两部分。

机载电气系统主要由主电源（或发动机启动电源）、应急电源、电气设备的控制与保护装置及辅助设备组成。

第五章,电气系统,无人机电气系统的组成电源机载主电源主要是为小型无人机提供续航动力，同时为机载用电设备供电，要求满足高比能量、宽温度范围（尤其低温性能）、高比功率、长工作时间等性能，主要采用单独的镉镍电池、锌银电池、锂离子电池、锂硫电池、太阳能电池等。

发动机启动电源，主要用于发动机地面启动或空中启动，要求能大倍率放电，放电能力达1030（尤其20或更低温度下启动）。

应急电源，主要用于发电机或发动机等故障时，可维持飞行、着陆、安全控制等所必须的关键设备供电，要求具备一定的放电能力，关键是安全可靠。

当然，启动电源和应急电源，有时候可用同一电源承担。

启动电源和应急电源常采用镉镍电池、锌银电池、锂离子电池、锂硫电池、燃料电池等，常具备电池监测系统和电池管理系统（BMS）。

电池监测系统主要适时地监测电池的电压、温度、容量等基本参数，确保各用电设备都在正常电压下安全工作。

电池管理系统可以通过降低组件闲置时的能耗，节约能源，具有较好的信噪抑制比和顺势响应，延长电池的寿命。

现无人机常用的是集成电源管理单元PMU，同时具备电池监测和管理的功能，集成化有效地缩小了产品体积，利于搭载在小型无人机上。

无人机机载电源常用组成形式见表5-1所示。

第五章,电气系统,无人机电气系统的组成电源,国外无人机电源基本上以混合体系居多，比如太阳能+锂离子电池或锂硫电池或燃料电池、发动机+蓄电池等，而小型无人机则以单独锂离子电池或燃料电池居多。

锂离子电池以其其能量比高、工作电压高、自防效率低、循环寿命长等优越的特性，逐渐将在航空领域大规模应用。

为全面提高无人机机动性和战场生存能力，扩大活动范围，无人机也将向着小型化、微型化和高空长航时等方向发展，为适应无人机的工作环境需求，无人机用锂离子蓄电池应该向以下三个方面发展：

高比能量方向比能量是指单位重量或单位体积的电池所能输出的能量，单位是Wh/kg或Wh/L。

宽温度范围大功率方向执行不同业务的无人机在不同高度飞行时，由于大气层温度以每1km海拔6的梯度降低，当无人机在10km高空时，空气温度可降低到-40。

另外，当无人机在极寒地区启动时，这对锂离子电池的低温性能也是一种严峻的考验。

电池管理方向无人机空间体积有限，要求机载电池管理向轻量化、小型化发展；单体电池作为相同个体便于统一管理，提高单体电池的一致性；高安全可靠性方面无人机在高空飞行时不具备可维修性，一旦在空中飞行时电池方面出现故障，存在经济损失或威胁他人生命的问题。

第五章,电气系统,无人机电气系统的组成电源,所以，无人机电源发展趋势及特征为低成本、高比能量、宽温度范围、大功率、不规则形状、高安全性、高性能控制器、混合能源等。

无人机电源难点在于高比能量与低温大功率兼顾、低温容量保持率、热管理、控制器集成化、供配电智能化、小型化、轻型化、高安全可靠性等。

第五章,电气系统,5.1.1无人机电气系统的组成2.配电系统,配电系统的主要作用是依据设备的用电要求，对电源系统的电能进行合理的分配和控制，其中核心设备是配电控制器。

配电系统按控制方式可分为集中控制方式、分散控制方式和集散控制方式。

目前常用方式是分散控制方式和集散控制方式。

为了满足用电设备的供电要求，启动发电机通过差动低限保护器接于主汇流条，蓄电池通过蓄电池接触器接于应急汇流条，两者之间接有阻断二极管，这样确保电流只能由主汇流条向应急汇流条供电，而蓄电池的电能不会反向留到主汇流条。

其配电控制器的工作原理如图5-1所示。

第五章,电气系统,5.1.1无人机电气系统的组成3.其他设备在传统的无人机电源链中，一般由一个涡轮发电机提供三相交流电源，通过整流器转换为270V直流电源，在通过DC-DC转换器转换为48VDC电源或28VDC电源。

无人机上的其他用电设备，包括雷达、相机、GPS、飞控系统和数据传输链路等，每一个都需要一个3.3V、5V和12V等的电源电压，这也是通过DC-DC转换器由母线48VDC或28VDC转换提供。

整流器是电气系统中比较常见的设备，可以由真空管、引燃管、固态矽半导体二极管、汞弧等制成，其功能主要由两个：

一是将交流电（AC）转换为直流电（DC），经滤波后提供给用电设备或逆变器；二是为蓄电池提供充电电压。

DC-DC转换器是在直流电路中有效的改变固定输出电压的转换器，一般是由芯片、电感线圈、二极管、三极管及电容组成。

按用途可分为升压型转换器和降压型转换器。

一般做成集成电源模块，安装在电路板上，便于集中管理。

第五章,电气系统,5.1.2系留无人机电气系统所谓系留无人机系统是通过地面起降平台将无人机长时间悬停在空中进行作业。

整个系统可以独立安装，也可安装在车上，并自动跟随车辆移动，如图5-2所示。

系留无人机供电系统是通过超轻型光电复合系缆将地面电源设备与机载电源模块连接，其基本原理过程是地面电源的220V交流电通过整流升压后通过系缆传输到机载电源，再降压变换为飞行器和任务载荷所需电压，如图5-3所示。

第五章,电气系统,5.1.2系留无人机电气系统系留无人机与其他无人机最大的区别就在于供电方式的不同。

从地面向空中的系留平台供电必须经过一定的输电距离，通常采用高压输电方式（系缆光纤）来减小输送电流，从而减少电能的损耗。

系缆结构组成，如图5-4所示。

系缆主要有两个功能，一是传输动力电源，二是传输平台载电子设备的光电信号。

为了减少系留平台的重量，平台载电子设备除了天线、发射机以外一般均留在地面，通过系缆光纤保证平台与地面设备之间的电子信号的传输。

这样既可以节省平台的升力，还可以增加升空高度。

第五章,任务设备,5.2.1概述,近几年来，随着科技发展、技术外溢、产业链完备、成本下降和军民融合，军用无人机应用正逐步向多种民用行业发展，如农业、石油、电力、检灾、林业、气象、国土资源、警用、海洋水利、测绘、城市规划、物流等，形成“无人机+”且市场规模迅速扩张。

“无人机+”是指无人机与不同行业的完美融合，实现提高工作效率、避免生产事故、节约成本等目标。

无人机与不同行业的融合，决定了无人机可以搭载不同的任务载荷。

这些任务设备在各行各业具体应用情况如下：

4.抗震救灾方面灾情监测、应急指挥、地震调查,7.警用方面交通巡逻、边境巡视,2.林业方面森林防火、森林灾害防治、保护区野生动物监测,1.农业方面农业植保、农作物数据监测,3.电力石油方面电力巡线、石油管道巡检,水利方面海洋环境监测、水资源开发、生态环境保护监测、洪涝灾害监测、干旱缺水监测、水环境污染监测、河床河道监测、内陆湖泊及水库监测和农田灌溉监测等城市规划城市规划、市政管理,10测绘方面测绘、航空摄影测量,5.气象方面空气监测,6.国土资源方面矿产资源勘探、国土资源开采,第五章,任务设备,相机搭载不同任务载荷的无人机在各行各业的应用越来越广泛，目前无人机应用最广泛、最成熟的是航空拍摄。

显而易见，航拍搭载的任务设备是“相机”，我们将各种拍摄仪器统称为相机。

针对搭载于无人机的相机，在性能、技术方面的具体的要求如下：

1）由于无人机载重能力有限，要求相机体积小、重量轻。

无人机在低空中飞行，易受风向、风力的影响，要求相机防抖动能力强。

将拍摄图像实时传输到地面控制站，要求无线图传系统稳定可靠。

第五章,任务设备,相机相机分类,根据相机输出信号形式不同，相机可分为模拟相机和数字相机模拟相机的输出信号为标准的模拟量视频信号，需要配专用的图像采集卡将模拟信号转化为数字信号，以便运用计算机对视频信号进行后期处理及应用。

其主要优点是通用性强、成本低，缺点是分辨率较低、采集速度慢、图像质量差。

这种相机在早期机器视觉系统中应用广泛，但目前应用越来越少。

数字相机的输出信号为数字信号，在相机内部安装了集成的A/D转换电路，直接将模拟量图像信号转化为数字信号，可直接在电脑或电视屏幕上显示，具有图像传输抗干扰能力强、分辨率高、精度高、清晰度高等优点。

现无人机搭载的相机均为数字相机，满足航拍摄影的各项要求。

根据光源波长不同，相机可分为可见光相机和红外线相机太阳辐射出的光谱根据波长不同可分为三部分：

紫外线（波长780nm），如图5-5所示。

可见光相机拍摄的影像可以充分地反映整个场景的细节信息，但可见光传输易受环境影响，在迷雾、雨雪、尘埃天气时穿透力差，探测距离受一定限制。

红外线相机是利用热辐射，将超过人眼观测的红外波段信息转换成可见信息。

红外相机可以识别热目标，探测距离远，但是图像对比度差，细节信息不丰富。

第五章,任务设备,5.2.2相机2.可见光相机成像原理无人机任务搭载的是数码相机，其成像是利用电子传感器把光学影像转换为电子数据，进行存储或无线传输。

采用数码相机满足了任务载荷质量小的要求。

根据电子传感器工作原理的不同可分为两种，一种是光感应式的电荷耦合器件（CCD），另外一种是互补金属氧化物半导体（CMOS）。

CCD的优势在于成像质量好，但其制作工艺复杂，成本较高，在相同分辨率的情况下，CMOS价格相对较低，但图像质量也相应变差。

技术参数在使用可见光相机进行拍照时，画幅和焦段主要影响照片的效果；分辨率、帧数、码率三个因素直接影响视频的画质。

画幅是指相机最核心的部