文|小彭的灿烂笔记
编辑|小彭的灿烂笔记
前言
无人驾驶飞行的概念可以追溯到几个世纪前，人类试图创造能够在没有人类飞行员的情况下飞行的设备的早期例子，早在5世纪，中国发明家就在试验早期的无人驾驶飞机。
无人机，也称为无人驾驶飞行器(UAV)，已经彻底改变了各种行业，并越来越受欢迎，用于娱乐和商业目的，了解无人机飞行的原理对于飞行员、工程师和爱好者来说都至关重要，它的飞行原理是什么?
飞行原理
无人机飞行的核心是空气动力学原理，它控制着无人机机翼或旋翼周围的空气运动以及升力的产生，固定翼无人机与传统飞机类似，依靠机翼的形状来产生升力。
当空气在机翼上流动时，机翼表面的曲率导致空气在顶部的流动速度比底部快，这种气压差产生了升力，使无人机能够保持在空中，另一方面，多旋翼无人机使用不同的原理来产生升力。
它们通常有四个或更多的螺旋桨或旋翼，垂直安装在无人机的机身上，当转子旋转时，它们产生向下的气流，产生向上的力，称为推力，所有旋翼的总推力使无人机保持在空中。
为了在空中操纵无人机，飞行员使用各种飞行控制装置，这些控制允许无人机改变方向、高度和方位，在固定翼无人机中，升降舵、副翼、方向舵等操纵面用于控制俯仰(上下运动)、横滚(左右倾斜)、偏航(左右转弯)。
在多旋翼无人机中，飞行员通过调节油门或总距来控制无人机的高度，油门或总距分别增加或降低螺旋桨的转速，多旋翼无人机的俯仰、滚转和偏航是通过改变特定旋翼的速度来控制的。
无人机可以使用遥控器手动飞行，也可以使用基于GPS的自动驾驶系统通过预编程的飞行路径自主操作，推进系统是无人机的关键部件，提供必要的动力来产生升力和推力。
大多数消费级和商用无人机使用电动机作为主要推进源，电动机重量轻、效率高、易于控制，非常适合无人机应用，一些较大的无人机，尤其是用于工业或军事目的的无人机，可能会使用由汽油或其他燃料提供动力的内燃机。
在一些专门的无人机中，如高速无人机或军用无人机，喷气发动机可能用于推进，提供优越的速度和范围，稳定性对于无人机安全飞行至关重要，无人机旨在通过各种飞行模式保持稳定。
无人机配备了稳定系统，使用陀螺仪和加速度计来检测和抵消任何不必要的运动，确保无人机在飞行过程中保持水平和稳定，不同的飞行模式允许飞行员根据自己的需求定制无人机的行为。
飞行员完全控制无人机的运动，使用飞行控制进行调整，无论油门输入如何，无人机都保持恒定的高度，使飞行员更容易专注于飞行的其他方面。
无人机使用GPS信号来保持位置，允许稳定悬停和精确导航，在信号丢失或电池电量低的情况下，无人机会使用GPS坐标自动返回其起飞点，现代无人机配备了一系列传感器和复杂的软件，增强了它们的能力和安全性。
GPS传感器提供精确的位置和高度数据，实现精确导航、航路点跟踪和返航功能，IMU由陀螺仪和加速度计组成，测量无人机的方向和运动，为飞行控制器提供数据以进行稳定和控制。
气压传感器测量大气压力，用于估计海拔变化，并进一步帮助稳定， 一些高端消费和商用无人机配备了避障传感器，如超声波传感器、红外传感器或摄像头，这些传感器可以检测无人机路径上的障碍物，并帮助避免碰撞。
先进的无人机可能会结合计算机视觉技术和物体跟踪算法，以检测和跟踪物体或自主跟踪某个对象，FPV系统由摄像头和视频发射器组成，可以向飞行员的地面控制站提供实时视频反馈，让他们实时看到无人机看到的东西。
电池技术在无人机飞行时间和续航能力方面起着至关重要的作用，大多数消费和商用无人机使用锂聚合物电池，因为它们具有高能量密度和重量轻的特点。
电池容量直接影响无人机的飞行时间，电池容量越大，无人机在空中停留的时间就越长，然而，更大的电池也增加了重量，影响了无人机的整体性能。
无人机飞行受到各种法规和安全考虑的限制，以确保安全操作，保护隐私和公共安全，不同的国家有特定的法规来管理其领空内的无人机飞行，这些规定可能包括高度限制，机场或敏感区域附近的禁飞区，以及超过一定重量的无人机的注册要求。
一些地区要求无人机拥有独特的远程识别系统，允许当局识别和跟踪空域中的无人机，无人机飞行员应该遵守无人机制造商和航空当局提供的安全指南，例如将无人机保持在视觉视距内，避免飞过人，与建筑物和结构保持安全距离。
随着技术、材料和法规的进步，无人机飞行的原理不断发展，人工智能和机器学习的融合正在导致更多能够智能决策和自适应飞行路径的自主无人机。
无人机正变得越来越多才多艺，具有先进的传感器有效载荷，如热像仪、激光雷达和多光谱传感器，能够应用于农业、搜索和救援以及基础设施检查。
城市空中交通的概念设想类似无人驾驶飞机的飞机在城市地区内提供短途运输服务，这一新兴领域旨在革新城市交通和交通管理，监管方面的进步正在探索超视距作战的可能性，这将允许无人机在飞行员的直接视线之外飞行。
BVLOS操作具有显著扩展无人机应用的潜力，无人机飞行的原理包括空气动力学、飞行控制、推进系统、传感器和软件的各个方面，了解这些原则对于无人机飞行员、工程师和爱好者安全有效地操作无人机至关重要。
随着技术的不断进步，无人机变得更加自主、多功能，并融入我们的日常生活，无人机飞行的未来对于增强各种行业、改善公共服务和改革交通运输具有巨大的潜力。
在创新、监管和安全考虑的正确平衡下，无人机将继续塑造我们与世界互动的方式，并推动空中机动及其他领域的可能性。
创作理念
最早有记录的实例之一是孔明灯笼，一种由纸制成的小型热气球，通常用于信号和军事通信，在19世纪，像乔治·凯莱和劳伦斯·哈格雷夫这样的发明家致力于研究早期的遥控滑翔机和风筝。
虽然这些早期的实验为无人飞行奠定了基础，但它们还不像我们今天知道的复杂的无人机，在第一次和第二次世界大战期间，无人机的第一次重大发展是由军事需求推动的。
第一次世界大战期间，美国开发了凯特林虫，一种航空炸弹或巡航导弹的早期形式，凯特林虫本质上是一架无人驾驶的双翼飞机，配备了一个用于稳定的陀螺仪和一个计时装置来确定其飞行路径。
虽然凯特林虫没有被用于战斗，但它是一个值得注意的创造实用无人驾驶飞机的早期尝试，由演员兼发明家莱吉纳德·戴尼开发的无线电飞机OQ-2是第二次世界大战期间使用的首批大规模生产的无人机之一。
最初设计用于目标练习和防空训练，OQ-2被广泛用于侦察和其他军事应用，在第二次世界大战期间，美国发起了阿芙罗狄蒂行动，包括将旧B-17和B-24轰炸机改造成飞行炸弹。
这些飞机由“母舰”上的一名飞行员遥控，用于轰炸纳粹德国重兵把守的地点，二战后，军方对无人机技术的兴趣持续增长，导致了无人飞行领域的重大进步。
用于训练防空炮手的靶机是二战后无人机技术最早和最广泛的应用之一，这些无人驾驶飞机通常是遥控的，用于打靶练习，“无人机”一词源于英国德哈维兰DH.82B蜂王，是20世纪30年代研制的无线电控制目标无人机。
蜂王之所以如此命名，是因为它与被称为“雄蜂”的雄蜂相似，这个术语最终成为无人驾驶飞机的同义词，在20世纪50年代，美国空军发起了“蛇发女怪”计划，该计划导致了第一架无人侦察机“瑞安·费尔毕”的开发。
“火蜂”在冷战期间被用于情报收集和侦察任务，正如我们今天所知，20世纪中期遥控技术的进步在无人机的发展中发挥了至关重要的作用。
20世纪40年代末晶体管的发明彻底改变了电子学，并允许电子元件小型化，这一进步为轻型便携式遥控系统铺平了道路，这对无人机的发展至关重要。
无线电控制系统变得更加可靠和容易使用，允许对无人驾驶飞机进行更精确和更远程的控制，随着无人机技术的成熟，其应用扩展到军事用途之外，在民用和商业领域找到了有价值的应用。
配备相机的无人机成为航空摄影和电影摄影的流行工具，他们为电影制作人和摄影师提供了新的视角和创造性的可能性，无人机被证明是农业中的宝贵资产，允许农民监控作物，评估土壤健康状况，优化灌溉，它们也被用于环境监测、野生动物调查和灾难应对。
像亚马逊和其他电子商务巨头这样的公司探索了使用无人机运送包裹的可能性，尽管监管挑战依然存在，但无人机送货有可能彻底改变物流和最后一英里送货。
21世纪见证了无人机技术的指数级增长，这是由传感器、电池、通信系统和人工智能的快速进步推动的，无人机中全球定位系统(GPS)技术的集成允许精确和自主导航，实现了像路径点跟踪和回家功能这样的功能。
电池技术的进步，特别是锂聚合物(LiPo)电池的发展，大大提高了无人机的飞行时间和续航能力，避障传感器和防撞软件成为高端消费和商用无人机的常见功能，增强了安全性，降低了事故风险。
无人机中人工智能和机器学习的集成实现了自主飞行、目标跟踪和任务期间的智能决策，无人机技术的快速扩散带来了各种挑战和道德考量。
无人机的使用越来越多，促使世界各国政府制定法规，以确保安全和负责任的无人机操作，平衡创新与公共安全和隐私问题仍然是一个重大挑战。
配备摄像头的无人机引发了隐私问题，尤其是在用于监控或限制区域时，确保负责任地使用无人机技术和保护个人隐私是一个重要的道德考虑因素。
将无人机安全地整合到空域需要强大的空中交通管理系统和通信协议，以避免与有人驾驶飞机相撞，无人机使用的增加可能会对环境产生影响，特别是在电池处理和能源消耗方面。
随着无人机技术的不断进步，未来有望出现令人兴奋的可能性和应用，城市空中交通展望了无人机和其他电动飞机在城市内提供按需交通服务的未来，这可能会缓解交通拥堵。
无人机有可能通过运送医疗用品和在难以到达的地区促进应急反应来改变医疗物流，传感器技术的持续进步将导致无人机具有更复杂的有效载荷，包括超光谱成像、激光雷达和用于科学研究和环境监测的先进传感器。
人工智能和机器学习的整合将使无人机能够自主执行越来越复杂的任务，从精准农业到搜救行动，无人机创作的起源可以追溯到早期的无人飞行概念，在一战和二战期间逐渐演变为军事应用。
战后的发展见证了目标无人机和侦察无人机的兴起，为现代无人机技术奠定了基础，20世纪中期，遥控系统和技术的进步使得无人机的精确度和控制力都有所提高。
参考文献
【1】《无人机技术与应用》贾海瀛电子工业出版社2020年6月1日
【2】《认识无人机——触手可及的智能飞行领航者》姜坤化学工业出版社2019年1月
【3】《无人机概论》钟伟雄清华大学出版社2019年 | 
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