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1、第五章第五章 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。学习导论第五章第五章1.了解无人机其他各系统的作用；2.掌握无人机电气系统的组成及其各部分作用；3.了解无人机常用相机的种类；4.掌握可见光相机和红外相机的结构组成及工作原理；5.掌握无人机云台系统的结构及工作原理；6.掌握无人机控制站的组成及其作用；7.了解无人机通讯链路的关键技术；8.掌握无人机通讯系统的组成及其作用。学习目标第五章无人机其他
2、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）
3、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
4、，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5.1.1 无人机电气系统的组成 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、
5、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
6、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。1.电源第五章 电气系统5.1.1 无人机电气系统的组成 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
7、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：（1）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。（2）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。（3）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；（4）高安全可靠性方面 无
8、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。1.电源第五章 电气系统5.1.1 无人机电气系统的组成 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。1.电源第五章 电气系统5.1.1 无人机电气系统的组成 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
9、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。2.配电系统第五章 电气系统5.1.1 无人机电气系统的组成 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
10、、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。3.其他设备第五章
11、 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
12、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
13、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：8.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10测绘方面测绘、航空摄影测量9.城市规划城市规划、市政管理5.气象方面空气监测6.国土资源
14、方面矿产资源勘探、国土资源开采第五章任务设备5.2.2 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。2）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。3）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5.2.2 相机（1）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，
15、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。（2）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380nm）
16、、可见光（380nm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。1.相机分类第五章任务设备5.2.2 相机（1）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
17、），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。（2）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件感光元件的面积，感光元件的作用是将光信号转化为电信号，其面积会直接影响成像的质量。画幅大小是判断画质的最根本的标准，画幅越大，成像质量相对越高。但是增大画幅就会增大相机的重量，对于无人机来说，也就意味着更大的载重，所以除了大型飞行平台可以随意搭载更大画幅的专业相机以外，消费级无人机
18、相机主要以 4/3 画幅以下的一体式云台相机为主。焦段是直接影响了无人机相机的视角大小。由于无人机载重问题，一般相机采用定焦镜头，无法改变焦段，所以焦段选择尤为重要。对于视角开阔的天空来说，广视角的短焦镜头虽然更好，但是会带来图像畸变的问题，影响画面质感。现阶段航拍相选择兼顾广视角和畸变小的 20mm 至 35mm 焦段的镜头，FOV 一般在 94至 63之间。当小于此范围时，视角会过于狭小，超过此范围时拍摄画面就会略有畸变。录制参数，包括分辨率、帧数和码率。这些是影响录像画质最直接的参数。分辨率决定了输出画面的大小，现常见视频是 1080P，但在录制时要求分辨率达 4K。所以相机是否支持 4
19、K 对于航拍而言十分重要。帧数是1s 钟可拍摄的画面的数量。常见的视频一般在24 帧至 30 帧之间。当拍着特殊场景如展示流畅动作或慢动作时则需要帧数在 60 帧以上的相机。码率决定了每 s 钟采集的数据量。显而易见，采集的数据越多画面越精细，当然生成的文件越大。当分辨率和帧数一样时，码率决定了画面的优劣。2.可见光相机第五章任务设备5.2.2 相机3.红外线相机（2）红外线相机分类 物体既可以反射也可以辐射红外线，所以将红外相机分为主动式和被动式。主动式红外线相机是通过主动照明，在全黑条件下工作，利用不同物体对红外辐射的不同反射特性成像。被动式红外相机是利用物体自然辐射的红外线进行成像。1)
20、红红外夜外夜视仪视仪红外夜视仪属于主动式红外相机，其自带红外光源，是根据被成像物理对红外光源的不同反射率以红外变像管作为光电成像器件的红外成像系统。红外夜视仪成像清晰、对比度高、不易受环境光源的影响，但因其自带红外光源，易被红外探测器捕捉到，易暴露自身，不利于军事应用。红外夜视仪主要由光学系统、红外变像管、红外探照灯、高压电源四部分组成2)红红外外热热像像仪仪红外热像仪是被动式红外相机。红外辐射普遍存在与自然界，收集并探测这些辐射能，就可以形成与景物分布相对应热成像，显示出景物特征。红外热像仪一般由光学系统部分、红外探测与制冷系统、电子信号处理系统、显示系统四大系统组成。其中核心器件是红外探测
21、器。所有的高于绝对零度的物体都会辐射，但温度越高的，辐射越多，为了拍摄温度较低的景物，可以采用主动红外相机。第五章任务设备5.2.2 相机（1）多光谱相机 多光谱相机是在可见光的基础上向红外光和紫外光两个方向扩展，并通过各种滤片或分光器与多种感光胶片的组合，使其同时分别接受同一目标在不同窄光谱带上所辐射或反射的信息，即可得到目标的几张不同光谱带的照片。4.其他常用相机（2）合成孔径雷达（SAR）合成孔径雷达主要应用于军事领域，用于侦察战术目标并对其进行定位和识别。由于雷达发射的电磁波作用距离远且穿透力强，所以其优点是在天气、烟雾、树林和夜间等恶劣环境下，侦察能力突出。SAR 在民用领域的应用主
22、要是资源勘探、大地测量、灾情监测等方面。合成孔径雷达主要由雷达单元、天线、图像处理器、运动敏感装置等组成，如图 5-7所示。其中由雷达单元发射雷达脉冲信号，天线辐射至要探测的地面区域并接受目标位的回波信号，由图像处理器对回波信号进行幅度和相位的适当加权，实时形成高分辨率的雷达图像，并通过数据线路实时传回地面。第五章任务设备5.2.3 云台 云台可分为固定云台和电动云台两种，如图 5-8 所示。固定云台一般用于拍摄范围不大的情况。固定云台可根据需求调整设备的水平、俯仰角度，确定最佳拍摄姿态锁定调整机构即可。电动云台适用于大范围进行扫描拍摄的情况。一般在云台旋转轴上装有电机，可通过手动或远程控制云
23、台旋转或者通过程序控制其按照一定的运动规律自动旋转，从而得到全方位的拍摄。根据云台的旋转轴数可分为二轴云台和三轴云台，二轴云台只具有空间两个转动自由度，可以对目标进行跟踪，并提供目标视线角的二维信息，但是缺少空间三维转动自由度，存在跟踪盲区。三轴云台能够弥补二轴云台的这个缺陷，消除盲区。1.云台的分类第五章任务设备5.2.3 云台 稳定云台是机载相机的载体，用来隔离无人机姿态的变化以及机体震动、风阻力矩等扰动，保证无人机机载相机的视轴稳定。无人机机载相机能否正常拍摄出高质量的低空遥感影像，关键是相机的视轴相对地面保持稳定。因此，在相机拍摄的过程中，要求无人机始终保持水平、匀速地飞行，并且还要保
24、持无人机姿态的稳定。当无人机匀速稳定地飞行时，机载相机视轴能够均匀地扫描地面，从而能够获得高质量、无失真的低空遥感图像。实际中，空中的风速、气流以及风向的变化都会引起无人机的姿态发生变化，而且当无人机体积越小、重量越轻时，这种影响就越为严重。无人机姿态变化的直接影响是相机光轴抖动，从而导致获得的图像发生畸变。由于无人机载荷和功耗的限制，在满足云台功能的基础上，要求云台重量轻、体积小、结构简单易装配。云台系统主要由主控制器、姿态反馈元件、执行机构、机械框架（分为二轴和三轴）四部分组成，如图 5-9 所示。在云台系统的机械框架中，要安装一定的减震机构，通过柔性结构吸收来自无人机运动过程中产生的振动
25、。减震机构一般姿态反馈元件为安装在相机壳体内的惯性传感器 MPU6050，用来感知并实时捕捉相机壳体在运动过程中的偏移角度、在旋转轴方向的角度偏移和震动情况，并把相应的角度和加速度信号传递给主控制器，通过主控制器的姿态解算器模块和 PID 控制器处理模块，将反馈信息传递给执行机构电机驱动器，再由电机驱动器输出 PWM 信号至直流无刷电机调整旋转轴的位移及角度，以实现稳定图像的目的。2.云台结构及工作原理第五章任务设备5.2.3 云台 现安装在无人机上的云台多为高精度三轴增稳云台，包括内框轴、中框轴、外框轴（图5-10）。每一个转动轴搭载一个电机。操作者可以操控俯仰角度（-90+30）和朝向角度
26、（-320+320）2.云台结构及工作原理第五章任务设备5.2.3 云台 目前无人机云台常使用的材料的物理特性参数见表 5-2 所示，可分为三种，第一种是以不锈钢和铝合金为代表的金属材质，这类云台安全性能高、刚性好，但是重量较大；第二种是以碳纤维板和碳纤维管为主，这类云台质量轻，但是刚性不足稳定性差；第三种是使用光敏树脂材料以 3D 打印技术制造的云台，光敏树脂原本为液态，在 3D 打印过程中在紫外线的作用下迅速聚合固化，固化后的树脂材料具有良好的物理特性，质量轻、韧度强、耐高温和腐蚀，这类云台制作简单、精度高，但是同样具有刚性不足的缺点。3.云台材料的选择 在选择云台材料时，要考虑三个问题：
27、一是考虑云台的工作环境，在一定风速、加速度下工作，且在高温和低温环境下受影响小；二是针对小型无人机，考虑云台尺寸和质量都要小；三是考虑经济性，根据不同部分受力强度不同，选择不同的材料。第五章任务设备5.2.3 云台 在三轴云台结构中，云台正常工作情况下应力最集中的部件是航向框架和横滚框架，所以该部分一般选择机械强度大、重量轻的材料，综合考虑选择铝合金作为航向、横滚框架的最佳材料。固定相机的相机框和俯仰轴机械强度要求低，但要求韧性好、质量轻，可选 3D 打印用光敏树脂作为材料。云台减震机构承载了云台全部的重量，要求云台有较好的机械强度和抗拉强度，常选用质量轻、轻度大的碳纤维作为减震机构材料。无人
28、机机载相机的成像质量在很大程度上受到无人机飞行姿态变化的制约，要使机载相机视轴的稳定，就必须为相机提供一个具有空间稳定性的惯性平台。稳定云台由于能够隔离机体的扰动，因此逐渐成为高精度航空测量系统的重要组成部分。同时，为了使相机视轴能够灵活地在指定的航道角度上切换，稳定云台还可以按照给定指令进行转动。因此，从伺服控制的角度来看，机载相机稳定云台，其实质是视轴稳定与目标跟踪系统。目标跟踪是在视轴稳定的基础之上进行的，控制视轴指向目标位置，高精度的视轴稳定和目标跟踪性能要通过先进的控制算法的精心的设计来实现。3.云台材料的选择第五章任务设备5.2.3 云台 操控者通过遥控器与接收机两部分完成了人机之
29、间的无线传输。遥控器是地面端用于发射遥控指令，接收机通过串口与云台的控制器相连，用于接受指令并将指令传输到云台控制器。其中相关参数有：（1）通信频率 常用的无线电频率为 72MHz 和 2.4GHz，早期主要使用 72MHz，遥控器上可见长长的遥控天线，目前 2.4GHz 多为遥控频率选择，属于微波频率，其优点是频率高、同频几率小、功耗低、反应迅速、控制精度好等。（2）调制方式 遥控信号等调制方式一般分为 PCM 和 PPM 两种编码方式。PCM 编码是指脉冲信号的编码方式，PPM 是高频电路的调制方式。在无人机信号之间的传输 PCM编码相对于 PPM 编码更有优势，因为它具有良好的传输特性，
30、较强的可编程性，抗干扰性能强。这样可在节约成本的前提下进行各种性能优化设计，而采用 PPM 编码的遥控设备相对简单且成本低，但是容易受外界影响。（3）通道数 一般来说，遥控器的一个通道对应一个独立的动作，一般有六通道、十通道等，因多旋翼无人机自身的运动动作有俯仰、横滚、升降和偏航四个，加上云台运动动作三个（俯仰、横滚和航向），所以遥控器一般选择七通道以上的。云台系统的常见工作模式分为四种：跟随模式、FPV 模式、自由模式、复位模式，见表 5-3。在不同的工作模式下，飞手可操控不同运动方向。4.云台的无线传输第五章任务设备5.2.3 云台 云台系统的常见工作模式分为四种：跟随模式、FPV 模式、
31、自由模式、复位模式，见表 5-3。在不同的工作模式下，飞手可操控不同运动方向。4.云台的无线传输第五章任务设备5.2.3 云台 增稳云台的发展大致经历了三个阶段：纯机械云台、半自动云台以及全自动云台。增稳云台的设计涉及到了控制理论，电机控制技术，传感器技术等多门学科。增稳云台最先应用在军事领域尤其是大型无人机上，用来进行监视以及侦察等任务，随后配合出现的用于作战的无人机,又出现了瞄准跟踪等功能。所以军用无人机上的云台一般代表着该国最先进的云台技术。随着科学技术的不断发展，目前各国对高技术含量的无人机都进行了自主研制，例如美国的 RQ-4a“全球鹰”、RQ-170“哨兵”等，这些无人机都配备了云
32、台系统来稳定视角，从而准确地判断目标位置并实现稳定控制。20 世纪 90 年代初，国内才开始着手对机载陀螺稳定云台的研究。1985 年，哈尔滨工业大学研制出我国第一台数字控制单轴云台 DPCT-II，该云台是通过计算机进行控制的。随着我国经济与科技实力的不断发展，飞行器在普通民众之间的广泛流传，这刺激了民用飞行器的迅猛发展，小型固定翼和多旋翼无人机逐渐出现在人们的视野中，航拍逐渐发展为一个热点。Parrot 公司推出的 eXom 四轴飞行器，推动了航拍的快速发展。深圳大疆创新科技有限公司作为后起之秀，为航拍的技术发展和推广做出了巨大贡献，手持云台也得到了发展。5.云台系统的发展第五章任务设备5
33、.2.4 图传无人机上搭载的图像采集设备采集到图像视频，经过数字编码压缩处理后传送给机载图传信号发送器，将其编码调制后通过通讯数据链下传给地面图传信号接收系统进行解调解码，并通过 HDMI、USB、AV 等数字接口连接到显示设备上进行视频图像的播放，实现对现场画面的实时监控。整个无人机图传系统由机载图传信号发送器和地面图传信号接收系统组成，机载图传信号发送器由图像采集设备、图像处理模块和无线信号传输模块组成；与之相对应，地面图传信号接收系统应由无线信号接收模块、图像处理模块以及图像播放设备组成，如图 5-11所示。1.图传系统的组成第五章任务设备5.2.4 图传信道：通信系统中传输的通道，好比
34、是高架桥。信道的作用是把携有信息的信号从它的输入端传递到输出端，因此，它的最重要的特征参数是信息传递能力。在典型情况下，信道的信息通过能力与信道的通过频带宽度、信道的工作时间、信道的噪声功率有关：频带越宽，工作时间越长，信号与噪声功率比越大，则信道的通过能力越强，承载信息的能力越强。信源：信源是产生各类信息的实体，好比是载满水泥的大卡车。信源是信息的来源，是产生消息或者消息序列的源泉。信息是抽象的，而消息是具体的。消息不是信息本身，但消息包含和携带着信息。编码：确保信息在传递过程中无损坏，好比是快递与打包，为了传输过程中有无损坏。在通信理论中，编码是对原始信息符号按一定的数学规则所进行的变换，
35、使编码的目的是要使信息能够在保证一定质量的条件下尽可能迅速地传输至信宿。信息编码必须标准、系统化，是用不同的代码与各种信息中的基本单位组成部分建立一一对应关系的过程。扩频：是一种信息处理改善传输性能的技术，好比是八路，隐蔽性高、抗干扰能力强。这种技术的目的和作用是在传输信息之前，先对所传信号进行频谱的扩宽处理，以便利用宽频谱获得较强的抗干扰能力、较高的传输速率，同时由于在相同频带上利用不同码型可以承载不同用户的信息，因此扩频也提高了频带的复用率。调制：将各种数字基带信号转换成适于信道传输的数字调制信号(已调信号或频带信号)。调制就是用基带信号去控制载波信号的某个或几个参量的变化，将信息荷载在其
36、上形成已调信号传输，好比是新的交通工具，减少传递步骤，提高传递效率。2.图传系统的主要技术第五章任务设备5.2.4 图传（1）视频压缩技术 在无人机图传任务中，要实现实时视频通信，除了需要比其他数据通信更高的带宽外，还需要对视频信号进行较大的压缩。视频进行压缩主要原因是：1)原始数据太大导致保存和传输受限制。首先先计算传输原始视频信号所需要的带宽，如果原始图像为 4:2:0 的 YUV 格式数据（该格式为原始数据最小格式），每幅画面的大小为：704*576*1.5*8 bit=4.64M，也就是说每一帧为 4.64M。如果想看流畅的视频画面，大概每 s 需要传输 25 帧，也即需要 4.64*
37、25M=116M 的带宽。图像分辨率为 CIF（352*288）格式的也需要 116/4=29M 的带宽。这只是分辨率为标清的情况所需要的带宽，那么更高分辨率时所需要的带宽更高。当前网络带宽显然无法达到该需求。2)视音频中有很多信息的冗余。随着科技的进步和时代的发展，视频压缩标准（图 5-12）也在逐步更迭换新，常见音频视频编码分为两个系列 MPEG 系列和 H.26X 系列。目前在无人机图传系统中主要采用标准 H.264。H.264 是由 ITU-T 的视频编码专家组（VCEG）和 ISO/IEC 运动图像专家组（MPEG）联合制定的新一代的视频压缩标准。ITU-T 是一个代表国际电信联盟协
38、调制定电信标准的部门。ISO 是国际标准化组织，一个全球性的非政府组织。IEC 是指国际电工委员会，负责制定所有电子、电气和相关技术的标准。H.264 是 ITU-T 所使用的名称，而 ISO/IEC 将其命名为 MPEG-4 Part 10/AVC，因为它代表的是 MPEG-4 系列标准中的一个新标准。MPEG-4 系列标准包括了 MPEG-4 Part 2 等标准，MPEG-4 Part 2 是一个应用于基于 IP 的视频编码器和网络摄像机的标准。2.图传系统的主要技术第五章任务设备5.2.4 图传（2）传输频段 无线图传主要有 1.2GHz、2.4GHz 以及 5.8GHz 这三个频段，
39、由于Wi-Fi（802.11ac 以外）、蓝牙、无线鼠标都集中在 2.4GHz 频段区域工作，所以该频段相对拥挤；1.2GHz 频段在世界上大多数地方属于管制频段，不为民用所用；5.8GHz 频段这一频段目前相对干扰较少。因此，民用无人机无线图传大多在 2.4GHz 频段以及 5.8GHz 的频段工作。众多数据表明，5.8GHz 频段无线数据传输性能要优于 2.4GHz。但实际上，无线电的波长越高，波长会越短，虽拥有更强的穿透力，但实际的绕射能力越差。换句话说，在其它客观因素相同的条件下，5.8GHz 频段图传技术在空间上的物理阻挡传输能力比不上2.4GHz 频段。（3）信道编码技术 数字信号
40、在传输中往往由于各种原因，使得在传送的数据流中产生误码，从而使接收端产生图象跳跃、不连续、出现马赛克等现象。所以通过信道编码这一环节，对数码流进行相应的处理，使系统具有一定的纠错能力和抗干扰能力，可极大地避免码流传送中误码的发生。误码的处理技术有纠错、交织、线性内插等。提高数据传输效率，降低误码率是信道编码的任务。信道编码的本质是增加通信的可靠性。但信道编码会使有用的信息数据传输减少，信道编码的过程是在源数据码流中加插一些码元，从而达到在接收端进行判错和纠错的目的。2.图传系统的主要技术第五章任务设备5.2.4 图传（4）调制解调技术 COFDM（coded orthogonal freque
41、ncy division multiplexing），即编码正交频分复用的简称，是目前世界最先进和最具发展潜力的调制技术。无人机图传系统中目前常用的解调方式是 COFDM，它最大的优点就在于支持突破视距限制的应用。绕射能力和穿透障碍物是 COFDM 的技术核心，可以对噪声和信号干扰有着很好的免疫力。COFDM 无线视频传输设备具有以下优点：1)超视距技术，绕射能力强。2)抗电磁干扰强3)数据传输快2.图传系统的主要技术第五章任务设备5.2.4 图传 高质量的图传系统在行业无人机的应用中扮演着极为重要的角色，是不可或缺的。目前，在人们追求高清、稳定、快速的时代里，无人机图传系统的发展趋势是高分辨
42、率、高帧率和更远距离的实时传输。对无人机图传系统的发展提出更高的要求高传输速率、大容量、实时性好、抗多径和抗干扰等。3.图传系统的未来发展第五章控制站5.3.1 概述 无人机控制站也称为控制站、遥控站或任务规划与控制站。无人机控制站系统的功能通常包括指挥调度、任务规划、操作控制、显示记录等功能。指挥调度功能主要包括上级指令接受、系统之间联络、系统内部调度。任务规划功能主要包括飞行航路规划与重规划、任务载荷工作规划与重规划。操作控制功能主要包括起降操纵、飞行控制操作、任务载荷操作、数据链控制。显示记录功能主要包括飞行状态参数显示与记录、航迹显示与记录、任务载荷信息显示与记录。标准的无人机控制站通
43、常由数据链路控制、飞行控制、载荷控制、载荷数据处理四类硬件设备机柜构成。无人机控制站系统可以由不同功能的若干控制站模块组成，主要包括以下内容：1.指挥处理中心指挥处理中心主要是制定无人机飞行任务、完成无人机载荷数据的处理和应用。指挥中心/数据处理中心一般都是通过无人机控制站等间接实现对无人机的控制和数据接收。2.无人机控制站主要是由飞行操纵、任务载荷控制、数据链路控制和通信指挥等组成，可完成对无人机机载任务载荷的操纵控制。一个无人机控制站可以指挥一架无人机，也可以同时控制多架无人机；一架无人机可以可以由一个控制站完成全部指挥控制工作，也可以由多个控制站来协同完成指挥控制工作。3.载荷控制站与无
44、人机控制站的功能类似，但载荷控制站只能控制无人机的机载任务设备，不能进行无人机的飞行控制。第五章控制站5.3.2 组成 目前，一个典型的控制站由一个或多个操作控制分站组成，主要实现对飞行器的控制、任务控制、载荷操作、载荷数据分析和系统维护等。其相互间的关系如图 5-13 所示。1.系统控制站在线监视系统的具体参数，包括飞行期间飞行器的健康状况、显示飞行数据和警告信息。2.飞行器操作控制站它提供良好的人机 界面来控制无人机飞行，其组成包括命令控制台、飞行参数显示、无人机轨道显示和一个可选的载荷视频显示。3.任务载荷控制站用于控制无人机所携带的传感器，它由一个或几个视频监视仪和视频记录仪组成。4.
45、数据分发系统用于分析和解释无人机回传的图像等数据信息。5.数据链路地面终端包括发送上行链路 信号的天线和发射机,捕获下行链路信号的天线和接收机。数据链应用于不同的 UAV 系统，实现以下主要功能：(1)用于给飞行器发送命令和有效载荷；(2)接收来自飞行器的状态信息及有效载荷数据。6.中央处理单元包括一台或多台计算机，具有获得并处理从 UAV 来的实时数据、显示处理、确认任务规划并上传给 UAV、电子地图处理、数据分发、飞行前分析系统诊断等主要功能。第五章控制站5.3.3 无人机控制站的典型功能 GCS 也称为“任务规划与控制站”。任务规划主要是指在飞行过程中无人机的飞行航迹受到任务规划的影响；
46、控制是指在飞行过程中对整个无人机系统的各个系统进行控制，按照操作者的要求执行相应的动作。控制站系统应具有以下几个典型的功能：1.飞行器的姿态控制2.有效载荷数据的显示和有效载荷的控制 3.任务规划、飞行器位置监控、及航线的地图显示4.导航和目标定位5.与其他子系统的通信链路第五章控制站5.3.4 关键技术及典型解决方案1.友好的人机界面为更好地控制无人机，地面控制站采用了各种形式的 GCS，以便对无人机的飞行状态和任务设备进行监控。GCS 为操作员提供一个“友好”的人机界面，帮助操作员完成监视无人机、任务载荷及通信设备的工作，方便操作员规划任务航路、控制无人机、任务载荷及通信设备。人机界面的设
47、计原则：1）一致性。提示、菜单和帮助应使用相同的术语,其颜色、布局、大小写、字体等应当自始至终保持一致。2）允许熟练用户使用快捷键。3）提供有价值的反馈。4）设计说明对话框以生成结束信息。操作序列划分成组，每组操作结束后都应有反馈信息。5）允许轻松的反向操作以减轻用户的焦虑，鼓励用户大胆尝试不熟悉的选项和操作。6）支持内部控制点。某些有经验的用户可以控制系统，并根据操作获得适当与正确的反馈。7）减少短时记忆。由于人凭借短时记忆进行信息处理存在局限性，所以要求显示简单。第五章控制站5.3.4 关键技术及典型解决方案2.一站多机的控制控制站目前正向一站多机的方向发展，即指一个控制站系统控制多架、甚
48、至是多种无人机。未来无人机控制站将朝着高性能、低成本、通用性方向发展，所以一站多机是发展趋势，这也对控制站的显示和控制提出了更严格的要求。3.开放性、互用性与公共性“开放性”指的是不必对现有系统进行重新设计和研制就可以在地面控制站中增加新的功能模块。这种开放性的定义和要求使得模块化的设计和实现方法成为地面控制站设计和实现的最佳途径。各模块间的功能具有一定的独立性而组合在一起，又能实现整个系统的功能。这种设计思路不仅可通过增加新的模块来扩展功能，也可以根据任务的不同对模块进行实时的添加或者屏蔽。可以美国海军的通用无人机地面控制站的 TCS 战术控制系统为例（如图 5-14）来说明。TCS 战术控
49、制系统提供了一个开放式体系结构软件，能够控制多种不同类型的海上/岸上计算机硬件，实现任务规划、指挥与控制以及情报数据接收和分发等功能。第五章控制站5.3.4 关键技术及典型解决方案“互用性”指的是地面控制站能控制任何一种不同的飞行器和任务载荷，并且能够接入连接外部世界的任何一种通信网络。互用性现在已经成为各国发展无人机系统的一个重要思考点。随着网络中心战思想的提出，无人机群的任务必须配合并融入整体作战任务之中，“互用性”的思想正是对这一发展趋势的指导。“公共性”指的是某个地面控制站与其它的控制站使用相同的硬件及部分或者完全相同的软件模块。提出公共性的目的在一定程度上也是为了实现控制站的资源通用
50、，便于维护修复。控制站作为整个无人机系统中最隐蔽的子系统，是很少受到破坏的，但是，一旦受到破坏，整个无人机系统可能陷于瘫痪，所以公用性的提出可以提高整个无人机系统的维修性和保障性，从而更加合理地利用已有的控制站资源。上述三个概念并非相互独立。在多数情况下，它们是从不同角度，以不同的方式对同一对象进行描述。开放性的结构通过容纳新的软件和硬件使得“互用性”和“公共性”得以提高。作为无人机系统的神经中枢，地面控制站要全力地建立开放性、互用性和公共性。第五章控制站5.3.4 关键技术及典型解决方案4.控制站对总线的需求随着无人机技术的不断发展，无人机航空电子系统与控制站系统之间的通信量越来越大，这就要