无人机系统理论基础

无人机是指无乘坐操作人员、有动力驱动、可重复使用、利用空气动力承载飞行、可携带有效载荷、在远程控制或自主规划的情况下完成指定任务的航空器。近年来，受益于行业发展及国家政策的大力支持，我国民用无人机行业取得了高速发展，逐渐成为全球无人机行业的重要板块之一。
无人机行业属于国家鼓励发展的高技术产业和战略新兴产业，国家产业政策的大力支持为我国高端无人机产业确立了未来发展方向并营造了良好发展环境。近年来，工业和信息化部、民用航空局等政府部门发布了《关于促进和规范民用无人机制造业发展的指导意见》《推动民航新型基础设施建设五年行动方案》等产业政策，明确了工业无人机作为国家战略性高科技产业的定位，对无人机产业提出了明确的产值增速要求和企业技术实力要求。受益于无人机行业相关规范加速建立健全、无人机政策支持与探索发展工作加速推进，未来预计无人机产业将呈现良好发展趋势。
随着集成制造的普及，无人机基础零部件生产开始朝着小型化、低成本、低能耗的方向发展，制造成本不断走低。同时，伴随着人工智能、5G通信等新技术的逐步完善应用，无人机行业迎来新的发展机遇，行业在良好的发展环境下迅速增长，行业规模不断扩大。数据显示，我国民用无人机市场规模由2017年的79亿元增至2020年的361亿元，年均复合增长率为65.9%。
新需求创造新供给，新供给产生新市场，新市场创造新就业。根据工业和信息化部印发的《关于促进和规范民用无人机制造业发展的指导意见》，到2025年，综合考虑产业成熟度提升后的发展规律，我国民用无人机产业将由高速成长转向逐步成熟，按照年均25%的增长率测算，到2025年民用无人机产值将达到1800亿元。随着无人机市场规模的扩大，我国对无人机从业人员的数量与质量的要求也水涨船高。特别是对于无人机驾驶员这一新兴职业，2019年，无人机驾驶员被纳入《中华人民共和国职业分类大典》，成为一项新职业。根据人力资源和社会保障部同年发布的《新职业—无人机驾驶员就业景气现状分析报告》，2019年无人机驾驶员的从业者总数有数十万人，就业以影视航拍、农林植保、电力巡检、航空测绘四大领域为主，其相关从业人数超过总数的55%。国际数据公司提供的数据显示，预计到2025年，无人机驾驶员人才需求量近100万人。
《无人机系统理论基础》是一本无人机专业的基础教材，通过本书读者可以了解无人机涉及的基本知识、基础原理，可以为无人机相关专业学生、受训人员的后续学习和工作打下坚实的基础，也可以为无人机爱好者增加专业知识。
在本书的编写过程中，作者参考和借鉴了众多国内外相关文献、资料，包括网络资料及图片等，在此谨向其作者表示真诚的谢意。本书如有错误及瑕疵，敬请各位专家和读者批评指正。

本书作为无人机专业应用型人才培养的创新教材，主要讲解了无人机系统相关的理论基础知识。全书总共分为8个模块、33个学习任务，内容包括无人机的基本认知、无人机空气动力学、无人机飞行原理、无人机飞行控制原理、无人机导航原理、无人机通信原理、无人机地面站工作原理以及航空气象。
本书适用于无人机工程类、应用类以及航空飞行器类职业本科和高职高专教学，也可用于培训类学校的无人机相关专业理论教学，还可供无人机爱好者作为参考资料使用。

前言
模块一 无人机的基本认知
学习任务1 了解无人机的定义与发展历史 ...002
知识点1 无人机的定义 ...002
知识点2 无人机的发展历史 ...003
拓展课堂 ...005
学习任务2 了解无人机系统的组成 ...005
知识点1 飞行平台 ...006
知识点2 动力系统 ...010
知识点3 飞控系统 ...010
知识点4 导航系统 ...010
知识点5 电气系统 ...011
知识点6 数据链路 ...012
知识点7 地面控制站 ...013
知识点8 任务载荷 ...014
知识点9 发射与回收系统 ...015
学习任务3 了解无人机的分类 ...020
知识点1 按飞行平台构型分类 ...021
知识点2 按起飞重量分类 ...025
知识点3 按活动半径分类 ...026
知识点4 按飞行高度分类 ...026
知识点5 按用途分类 ...027
拓展课堂 ...027
学习任务4 了解无人机的应用 ...028
知识点1 军用无人机 ...028
知识点2 民用无人机 ...031
拓展课堂 ...035
模块二 无人机空气动力学
学习任务1 了解飞行大气环境 ...037
知识点1 大气层划分 ...037
知识点2 大气的物理特性 ...040
知识点3 标准大气 ...040
知识点4 流场的概念 ...041
学习任务2 了解空气流动的基本规律 ...043
知识点1 空气流动模型 ...043
知识点2 运动的转换 ...044
知识点3 连续性定理 ...045
知识点4 伯努利定理 ...047
拓展课堂 ...048
学习任务3 了解升力和增升原理 ...048
知识点1 升力产生的原理 ...049
知识点2 迎角 ...050
知识点3 升力公式 ...051
知识点4 增升原理 ...052
知识点5 增升装置 ...052
学习任务4 阻力和减阻措施 ...055
知识点1 阻力公式 ...056
知识点2 压差阻力及减阻措施 ...056
知识点3 摩擦阻力及减阻措施 ...057
知识点4 干扰阻力及减阻措施 ...058
知识点5 诱导阻力及减阻措施 ...059
知识点6 激波阻力及减阻措施 ...061
学习任务5 固定翼无人机空气动力学 ...063
知识点1 坐标系 ...063
知识点2 升阻比 ...064
知识点3 翼载荷 ...064
知识点4 机翼的几何参数 ...064
知识点5 翼型选择 ...065
拓展课堂 ...068
学习任务6 旋翼无人机空气动力学 ...069
知识点1 无人直升机的组成 ...070
知识点2 多旋翼无人机的组成 ...073
知识点3 旋翼空气动力学 ...076
模块三 无人机飞行原理
学习任务1 飞机的平衡 ...081
知识点1 平衡的定义 ...081
知识点2 俯仰平衡 ...082
知识点3 横向平衡 ...084
知识点4 方向平衡 ...085
学习任务2 飞机的稳定性 ...087
知识点1 稳定性的定义 ...087
知识点2 俯仰（纵向）稳定性 ...088
知识点3 方向（航向）稳定性 ...092
知识点4 横向（横侧）稳定性 ...093
学习任务3 飞机的操纵性 ...096
知识点1 俯仰操纵性 ...096
知识点2 方向操纵性 ...097
知识点3 横向操纵性 ...098
拓展课堂 ...099
学习任务4 无人机的飞行性能 ...099
知识点1 平飞性能 ...100
知识点2 爬升性能 ...101
知识点3 下降性能 ...102
知识点4 续航性能 ...102
知识点5 活动半径 ...103
知识点6 起飞着陆性能 ...104
模块四 无人机飞行控制原理
学习任务1 飞行控制系统概述 ...106
知识点1 飞行控制系统的定义 ...107
知识点2 飞行控制系统的基本功能 ...107
拓展课堂 ...109
学习任务2 飞行控制系统的基本原理 ...110
知识点1 自动驾驶原理 ...110
知识点2 飞控的工作过程 ...111
学习任务3 飞行控制系统的硬件组成 ...112
知识点1 处理器 ...112
知识点2 通信接口 ...113
知识点3 MEMS传感器 ...115
学习任务4 飞行控制系统的软件 ...117
知识点1 嵌入式操作系统 ...117
知识点2 飞控算法 ...118
学习任务5 常用开源飞控 ...123
知识点1 Arduino ...124
知识点2 PX4和PIXHawk ...124
知识点3 MWC ...126
知识点4 DJI NAZA飞控 ...126
知识点5 KK飞控 ...127
知识点6 PPZ飞控 ...127
模块五 无人机导航原理
学习任务1 导航技术概述 ...130
知识点1 导航技术的发展 ...130
知识点2 导航技术的分类 ...134
知识点3 导航的基本手段 ...136
学习任务2 卫星导航技术原理 ...143
知识点1 卫星导航概述 ...143
知识点2 GPS系统定位原理 ...145
知识点3 北斗卫星导航系统 ...151
拓展课堂 ...153
学习任务3 组合导航和差分定位技术 ...154
知识点1 组合导航 ...154
知识点2 差分定位技术原理 ...156
模块六 无人机通信原理
学习任务1 无人机通信需求及特点 ...160
知识点1 无人机通信需求 ...161
知识点2 无人机通信的特点 ...165
学习任务2 无人机通信的分类 ...168
知识点1 根据传输手段划分 ...169
知识点2 根据通信频段划分 ...174
知识点3 根据通信距离划分 ...176
知识点4 按照其他方式划分 ...178
学习任务3 通信的基本原理 ...182
知识点1 通信基本知识 ...183
知识点2 通信的过程及构成要素 ...185
知识点3 无人机数据链 ...185
知识点4 无人机通信性能指标 ...186
学习任务4 无人机通信设备及工作模式 ...189
知识点1 通信设备 ...190
知识点2 工作模式 ...195
学习任务5 通信协议MavLink ...200
知识点1 MavLink简介 ...201
知识点2 MavLink的优势 ...202
知识点3 MavLink的信息结构 ...202
知识点4 心跳包 ...204
知识点5 全球定位信息 ...205
知识点6 命令信息 ...206
模块七 无人机地面站工作原理
学习任务1 地面站概述 ...209
知识点1 地面站的定义 ...209
知识点2 地面站的功能模块 ...210
知识点3 国内外地面站介绍 ...211
学习任务2 地面站软件 ...213
知识点1 地面站软件介绍 ...214
知识点2 地面站软件的发展趋势 ...214
知识点3 地面站软件的功能 ...215
学习任务3 地面站软件的界面 ...218
知识点1 地面站软件总体结构 ...219
知识点2 地面站软件工作流程 ...221
知识点3 界面设计 ...221
学习任务4 地面站重要功能介绍 ...222
知识点1 通信控制与数据处理 ...223
知识点2 电子地图 ...224
知识点3 航迹规划 ...225
模块八 航空气象
学习任务1 大气成分与结构 ...227
知识点1 大气飞行环境 ...227
知识点2 对流层 ...228
知识点3 平流层 ...230
知识点4 中间层 ...230
知识点5 热层 ...230
知识点6 散逸层 ...230
学习任务2 基本气象要素对飞行性能的影响 ...231
知识点1 气温 ...231
知识点2 气压 ...233
知识点3 湿度 ...234
知识点4 风 ...235
知识点5 能见度 ...238
知识点6 雷暴 ...239
知识点7 乱流 ...240
知识点8 积冰 ...242
知识点9 气团和锋 ...245
拓展课堂 ...249
参考文献 ...251

本书作为无人机专业应用型人才培养的创新教材，主要讲解了无人机系统相关的理论基础知识。全书总共分为8个模块、33个学习任务，内容包括无人机的基本认知、无人机空气动力学、无人机飞行原理、无人机飞行控制原理、无人机导航原理、无人机通信原理、无人机地面站工作原理以及航空气象。
本书适用于无人机工程类、应用类以及航空飞行器类职业本科和高职高专教学，也可用于培训类学校的无人机相关专业理论教学，还可供无人机爱好者作为参考资料使用。

《无人机系统理论基础》是一本无人机专业的基础教材，通过本书读者可以了解无人机涉及的基本知识、基础原理，可以为无人机相关专业学生、受训人员的后续学习和工作打下坚实的基础，也可以为无人机爱好者增加专业知识。