【AI加油站】机器人设计系列九：一文读懂固定翼空中机器人：从原理到应用的全方位技术指南（附下载）

核心总结

一、教材基础信息与编写背景

《空中机器人（固定翼）专项教育教材》由丑武胜、贾玉红、何宸光、雷旭升编著，2013 年 9 月由哈尔滨工程大学出版社出版，ISBN 为 978-7-5661-0690-2，全书共 147 千字，定价 25.00 元。其受众广泛，既适合空中机器人爱好者入门学习，也为相关科研人员、教育工作者提供专业参考，是国内较早系统聚焦固定翼空中机器人技术的专项教材。

编写背景源于多方面需求与技术发展趋势。从政策与产业层面看，21 世纪初机器人技术成为多学科交叉的战略性高技术，2012 年国家科技部发布《服务机器人科技发展 “十二五” 专项规划》，明确其在国防军事、智能制造、应急处理等领域的重要支撑作用。从教育与体育领域看，国家体育总局调研发现，欧美发达国家已将机器人教育纳入中小学必修课，国际机器人赛事多由军事或太空部门主办，而我国虽将机器人运动纳入国家社会体育运动项目（定义为 “中国素质体育机器人运动”），但缺乏配套专项教材。此时国内机器人教育多分散于通用课程，难以满足专项学习需求，该教材的出版填补了这一空白，为机器人基础教育、专项教育及学历教育普及奠定基础，同时为素质体育机器人赛事规范开展提供理论依据。

二、固定翼空中机器人基础认知

（一）分类体系与典型案例

固定翼无人机分类维度丰富，可根据不同需求划分：按外观尺寸，分为微型（如美国定义翼展 15cm 以下，英国定义翼展 / 最大尺寸＜0.5m、使用距离约 200m）、小型（质量约 10kg，成本低、功能单一）、中型（尺寸与性能介于小、大型之间）、大型（接近小型载人飞机，功能复杂）；按飞行方式，分为固定翼、旋翼、扑翼等，前两者应用最广，扑翼多用于微型设备；按航程，分为近程（10-30km）、短程（约 150km）、中程（约 650km）、长航程；按速度，分为亚音速、超音速、高超音速；按使用次数，分为单次使用（无回收系统）和多次使用（需回收）。

典型案例展现了不同应用定位的固定翼无人机特性：美国 MQ-1 “捕食者”，最高速度 217km/h，巡航速度 130-165km/h，航程超 3704km，实用升限 7620m，是早期察打一体无人机代表；美国 RQ-4A “全球鹰”，机身长 13.5m、翼展 35.4m，最大起飞质量 11622kg，航程 25945km，续航 41h，擅长高空长航时侦察；以色列 “苍鹭”，翼展 16.6m，续航约 50h，适用于长时间监视；以色列 “搜索者”，采用上单翼结构，最长留空 14h，活动半径 120-220km，多用于战术侦察。

（二）核心特性与系统组成

固定翼空中机器人是多学科融合的系统工程，涉及航空理论、计算机技术、控制工程等，应用时需结合飞行器设计、传感器融合、导航制导等知识。与载人飞机相比，其优势明显：机体采用复合材料，无驾驶舱设计减小体积与质量，提升机动性；可承载多载荷，实现远距长航时飞行；具备自主起降与航线飞行能力；能在核污染区、地震灾区等危险环境作业。但也存在劣势，如飞行易受干扰、操控有滞后性。

完整系统由四部分构成：地面站系统，含起降控制、遥控监测设备及辅助工具，是人机交互核心；飞行系统，涵盖飞机本体、动力推进、飞行控制、导航等子系统，是飞行执行关键；任务载荷系统，即执行任务的设备（如相机、传感器），决定任务能力；控制保障人员，经专业培训负责起降、监控，保障系统稳定运行。

（三）性能指标与关键技术

性能指标决定无人机任务适配性：航程受机体结构、发动机、燃料等影响；续航时间衡量持续作业能力；本体尺寸影响抗环境干扰能力；飞行速度需匹配任务需求（如快速响应需高速）；升限分理论升限（无剩余功率高度）与实用升限（垂直上升速度 5m/s 时高度）；有效载荷质量决定设备携带能力；发射回收方式影响使用便利性（如弹射起飞适用于舰载）；爬升率影响快速到达指定高度的能力；可靠性以无故障概率衡量；经济性涵盖设计、制造、维护成本。

关键技术支撑无人机性能提升：动力技术，需低油耗、高可靠性发动机（如活塞式、太阳能式，太阳能发动机前景广阔）；通信技术，通过宽带数据链实现超视距控制，保障人机交互；飞行控制技术，多模型自适应控制可根据工况自主适配模型与控制器，提升鲁棒性；人工智能技术，结合智能传感器实现自主飞行，按指令或程序完成任务。

（四）应用领域

当前应用集中在多场景：监测领域，用于航拍、地震抢险探测、气象数据采集、核泄漏监测；运输领域，在偏远地区或紧急场景输送物资；反恐领域，执行侦察或非致命威慑任务。未来还将拓展至农林业（播种喷药）、水产业（巡逻监测）、环境监测（大气、土壤、海洋）、灾害应对（灭火、搜救）等领域，助力各行业效率提升。

三、基本飞行原理

（一）飞行环境特性

大气是航空器唯一飞行环境，其分层与特性影响飞行安全：大气 90% 质量集中在 15km 高度内，按参数变化分为对流层、平流层、中间层、热层、散逸层。对流层是天气变化主要区域，气温随高度升高而降低，易出现结冰；平流层气流平稳、能见度好，是理想飞行层；中间层气温随高度下降；热层呈高度电离状态；散逸层空气极稀薄。

大气物理特性关键：连续性，视为连续介质便于空气动力学分析；黏性，产生摩擦阻力，高速时引发气动加热；可压缩性，低速时可忽略，高速时需用马赫数（速度与声速比）衡量，不同马赫数对应不同飞行状态（低速≤0.4、亚音速 0.4-0.85 等）；国际标准大气，规定海平面参数（气温 15℃、压强 1 标准大气压等），为性能描述提供统一标准，但需结合实际大气修正。

（二）空气流动规律

（三）升力与阻力机制

增升装置用于低速（起飞、着陆）提升升力，包括前缘襟翼（机翼前缘）和后缘襟翼（机翼后缘）。后缘襟翼应用广，如简单式（增升差）、富勒式（后退开缝，三重增升效果）、双缝式（多一重增升，常与前缘缝翼配合）。增升原理为改变翼型弯度、增大机翼面积、控制附面层延缓气流分离。

阻力类型与减阻：低速飞机阻力有摩擦阻力（与黏性、表面粗糙相关，优化表面光滑度减阻）、压差阻力（与迎风面积、形状相关，整流成流线型减阻）、诱导阻力（翼尖涡流导致，增大展弦比、加装翼梢小翼减阻）、干扰阻力（部件气流干扰导致，优化部件位置减阻）；跨音速后有激波阻力（超声速飞行时空气压缩形成，采用尖前缘、后掠机翼减阻）。
升阻比：同一迎角下升力与阻力的比值，影响经济性能与航程，升阻比越大性能越好。最大升阻比对应迎角在阻力系数最低与升力系数最大之间，飞机多以 3-5° 迎角（近最大升阻比）飞行，设计时使巡航速度对应最大升阻比速度。

（四）稳定性与操纵性

飞行性能：速度含最小平飞速度（维持水平飞行的最小速度）、最大平飞速度（发动机最大推力下速度）、巡航速度（油耗最小速度）；航程受燃油、升阻比影响；升限分静升限（水平飞行最大高度）与动升限（跃升可达高度）；起降性能以起降距离、接地 / 离地速度衡量，可通过增升装置、弹射起飞等优化；机动性指改变飞行状态的能力，军用机（如战斗机）要求高，可完成筋斗、过失速机动等，机动性越高对结构强度（过载系数）要求越高。
操纵性：通过操纵升降舵（控制俯仰，超音速飞机多用全动式水平尾翼）、副翼（控制滚转）、方向舵（控制偏航）实现姿态调整。操纵系统含操纵设备（遥控器、地面站）、执行机构（连杆、舵机）、气动舵面（升降舵等）。
稳定性：受扰动后自动恢复平衡的能力，分纵向稳定性（绕横轴，重心在焦点前稳定）、方向稳定性（绕立轴，靠垂直尾翼，侧滑时产稳定力矩）、横侧向稳定性（绕纵轴，靠机翼上反角、后掠角等）。稳定性与操纵性需协调，稳定度过高操纵不灵敏，反之稳定性差。

四、构造与导航控制技术

（一）构造设计与装配

设计要求与材料：结构设计需满足气动要求（适配飞行性能的外形与表面质量）、重量强度要求（轻量化同时保证强度刚度，避免变形或颤振）、使用维护要求（便于检查维修）、工艺经济性要求（简化工艺、控制成本）。常用材料有铝镁合金（轻质、耐腐，用于机身机翼）、合金钢（高强度，用于起落架、大梁）、钛合金（耐高温、高比强度，用于高速飞机）、复合材料（如碳纤维，密度低、比强度高，用于翼面、机身）。
组成与布局：常规飞机由机身、机翼、尾翼、起落架、动力装置组成。布局多样，按机翼与机身位置分上单翼（安定性好）、中单翼（气动干扰小）、下单翼（安全性好）；按立尾数量分单立尾（常规型、T 型等）、双立尾（载重大、稳定性好）、V 型尾（隐身性好）；按纵向气动布局分常规式（机翼前、平尾后，成熟稳定）、鸭式（平尾在前）、无尾式（阻力小、隐身好）。
装配技术：装配需保证准确度（气动外形、部件相对位置等），基准有以骨架为基准（先装骨架再覆蒙皮，误差由内向外累积）和以蒙皮为基准（先装蒙皮再装骨架，误差靠补偿消除）。定位方法有划线定位（适用于低精度）、装配孔定位（无专用夹具，成批生产常用）、基准零件定位（靠基准件确定位置，适用于复杂结构）。连接技术有铆接（传统可靠，分普通铆接、干涉配合铆接等）、胶接（应力均匀、减重，用于壁板、夹层结构）、焊接（点焊用于薄壁件，胶焊结合点焊与胶接优势）。

（二）导航技术

导航系统用于获取姿态、位置、速度等参数，主要类型有：无线电导航（利用电波测角、测距等，易受干扰）、惯性导航（自主式，靠陀螺、加速度计，误差随时间累积，分平台式、捷联式）、卫星导航（如 GPS，精度高、无误差累积，易受遮挡干扰，无法输出姿态）、组合导航（融合多系统优势，如 SINS/GPS，互补不足）。

MEMS 惯导系统（基于微机电技术）体积小、成本低，适用于空中机器人，含 MEMS 陀螺（测角速度，有双框架驱动式、音叉线振动式等）、MEMS 加速度计（测线加速度，分线性、摆式等），捷联导航算法通过数学平台替代实体平台，需进行坐标系变换（方向余弦矩阵法、四元数法）与导航解算。卫星导航以 GPS 为代表，由空间部分（24 颗卫星，全球覆盖）、地面监控部分（监控站、注入站、主控站）、用户接收机（测伪距或相位，定位精度达米级至厘米级）组成。组合导航（如 SINS/GPS）可提升精度与可靠性，弥补单一系统缺陷。

（三）控制技术

五、教材价值与应用意义

该教材系统梳理了固定翼空中机器人的理论与技术，不仅为学习者提供从基础认知到核心技术的完整知识体系，也为科研与教育工作者提供实践参考。其出版推动了我国机器人教育的规范化，助力素质体育机器人运动发展，同时为相关产业（如无人机研发、应用服务）培养技术人才。在实际应用中，教材内容可指导固定翼无人机在监测、救援、农业等领域的技术优化，促进无人机技术更好地服务于社会生产与应急保障。