船載系留式多旋翼無人機總體設(shè)計與使用研究

王雷　計世勛

設(shè)計了一種用于船載使用的系留式多旋翼無人機系統(tǒng)，對總體參數(shù)優(yōu)化、系留纜、地面一體機、定點跟隨等關(guān)鍵技術(shù)難點進行了分析，區(qū)分任務(wù)前檢查、設(shè)備部署展開、無人機起降三個階段梳理了系統(tǒng)使用流程。

多旋翼無人機是一種具有自動垂直起降、超低空巡航、空中定點懸停和繞點飛行等功能特點的新型無人飛行器。系留式多旋翼無人機區(qū)別于自由飛式機型，它采用系留線纜給飛行平臺源源不斷提供電能，可實現(xiàn)無人機長時間滯空。系留纜為光電復(fù)合線纜，內(nèi)部有單根或者多根單模光纖，可實現(xiàn)私密高速數(shù)據(jù)傳輸以及更安全的無人機控制數(shù)據(jù)鏈路?；谄淅m(xù)航時間長、保密性能好等特點，將其加裝于船載動平臺上，將可實現(xiàn)長時間視頻監(jiān)控或無線組網(wǎng)等功能。

系統(tǒng)工作原理

船載系留觀測平臺利用系留無人機掛載攝像吊艙，應(yīng)用監(jiān)視測量技術(shù)，在通信鏈路上傳輸攝錄到的圖像。無人機可實現(xiàn)自主起降，自動收放線，地面供電系統(tǒng)可對無人機進行長時間供電，保證任務(wù)的執(zhí)行。系統(tǒng)由多旋翼無人機、纜繩收放設(shè)備、地面高壓電源、測控地面站、導(dǎo)航定位差分基站和附屬配套設(shè)備等組成，如圖1所示。

根據(jù)需要，可以在系留無人機上搭載不同的光電監(jiān)測設(shè)備（如光電吊艙、傾斜相機、雷達等）。艦船裝載系留無人機系統(tǒng)到達作業(yè)地點后，操作人員控制其起飛并進行作業(yè)。從空中對海面目標(biāo)進行監(jiān)視、探測，并將得到的監(jiān)測信息通過光纖信道經(jīng)由動中通設(shè)備傳輸?shù)竭h端指揮中心，實現(xiàn)視頻、數(shù)據(jù)和控制指令的雙向交互，做到指揮中心與現(xiàn)場的“零距離”管理和指揮。

關(guān)鍵技術(shù)分析

總體參數(shù)優(yōu)化

飛行器的總體布局是實現(xiàn)飛行器性能指標(biāo)和技術(shù)使用要求的重要環(huán)節(jié)，并為全機詳細設(shè)計提供依據(jù)。系留型多旋翼的主要飛行科目為懸停和小速度前飛，因此在槳尖速度、槳盤實度等總體參數(shù)選擇時，應(yīng)以該狀態(tài)的功率作為優(yōu)化目標(biāo)。當(dāng)系留多旋翼伴隨載體平臺大速度跟隨飛行時，氣動阻力消耗功率約占總功率30% - 50%。從多旋翼構(gòu)型分析，機身是構(gòu)成阻力的主要部分，對其整流、減小結(jié)構(gòu)過渡區(qū)的壓差阻力、機身最大橫截面。另外一個約束是操穩(wěn)特性方面，應(yīng)保證多旋翼飛行器具有一定的迎角穩(wěn)定性、速度靜穩(wěn)定性和角速度阻尼等，并在飛行狀態(tài)改變時，作用在多旋翼的力矩不產(chǎn)生突變，從旋翼與重心的位置、輔助旋翼與主旋翼的拉力分配關(guān)系方面，改善操縱響應(yīng)。

系留纜設(shè)計

系留線纜采用1光6電復(fù)合纜設(shè)計，既負(fù)責(zé)電能的輸送，同時也要通過其中的光纖傳送信號，如圖2所示。

系留纜應(yīng)具有耐反復(fù)卷繞收放，工程化程度高;環(huán)境適應(yīng)性好，耐鹽霧、耐濕熱、耐高低溫、耐低氣壓、耐紫外，防雨水;傳輸電流大，可以光電混裝;耐電壓值高、絕緣電阻高;抗拉力大，柔軟，適合反復(fù)收放、彎曲和拉伸等功能。

基于以上考慮，本系統(tǒng)采用輕型合金導(dǎo)體及航空線纜以減輕重量，設(shè)計耐壓值可以抗5000V高壓不被擊穿;線纜絕緣材料使用機器人線纜的高溫塑料，可以承受長時間的反復(fù)彎曲;該線纜的抗拉力由專用的超高強度纖維來承擔(dān)，抗拉力大于50kg以上;可以通過額定14A的高壓直流電;線纜內(nèi)部包含抗微彎光纖，可提供優(yōu)良的光傳輸性能，配合光電轉(zhuǎn)換終端可提供高清視頻、千兆網(wǎng)絡(luò)等接口，可以傳輸高清視頻及控制信號，抗干擾能力強。

地面一體機設(shè)計

地面一體機負(fù)責(zé)無人機起降時的線纜自動收放控制以及將發(fā)電機輸送過來的交流電轉(zhuǎn)化為高壓直流電。其中箱內(nèi)安裝有系留線纜收放控制機構(gòu)和地面電源模塊，分別用于實現(xiàn)無人機起降時的線纜自動收放控制以及將發(fā)電機輸送過來的交流電轉(zhuǎn)化為高壓直流電，如圖3所示。

由于系留無人機系統(tǒng)需要根據(jù)無人機空中平臺的狀態(tài)自動收放系留線纜，因此專門設(shè)計了智能化的線纜收放控制機構(gòu)，采用進口電機及進口傳感器，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制精度。無人機起降時自動收放線，通過傳感器精確測量線纜長度，并根據(jù)飛行高度自動控制收放線的速度，同時精確測量線纜拉力，根據(jù)無人機拉力自動調(diào)節(jié)力矩，保證線纜有一定張力。在無人機小范圍晃動時，通過緩沖裝置保證線纜的平滑收放控制，收線時自動排線，保證線纜均勻的纏繞在轉(zhuǎn)軸上。

地面端AC/DC電源模塊將發(fā)電機輸出的交流電轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定可靠的直流電，通過系留電纜輸送到機載端，供無人機使用。采用220V交流電轉(zhuǎn)化為400V直流電輸電模式，進行輸出過流及短路瞬時保護及故障隔離、輸入過欠壓瞬時保護及故障隔離、輸出過壓瞬時保護及故障隔離以及過溫保護設(shè)計。

定點跟隨設(shè)計

系留式多旋翼無人機在進行自主起降時，對回收箱的相對位置有較高要求，尤其在船上使用時，載體隨風(fēng)浪的搖擺和升降會使回收難度加大。利用載波相位差分技術(shù)，以地面設(shè)備的DGPS作為參考站，與機載DGPS做差分計算，通過無人機數(shù)據(jù)鏈交換差分校正數(shù)據(jù)，差分定位的結(jié)果分別送到自動駕駛儀和地面控制站，保證無人機平穩(wěn)跟隨及著陸。為提高系統(tǒng)的魯棒性，還可以同時使用無線電高度表或激光高度表等，也可采用與其它傳感器進行復(fù)合計算定位的方法。

系統(tǒng)使用流程研究

執(zhí)行任務(wù)前檢查

首先操作人員檢查機載備用電池容量是否充足，然后檢查機載設(shè)備的各連接插頭，確保無松動情況，接下來將無人機與地面站連接，并通電測試，確保飛控系統(tǒng)工作正常，最后測試線纜收放機構(gòu)是否正常工作。

設(shè)備部署展開

將系留無人機放置在相對水平的平面上，將折疊機臂展開并鎖緊，將線纜插頭與無人機上的插頭連接并鎖緊，啟動發(fā)電機開始工作，開啟地面站電源，啟動地面站操作軟件。檢查機體以及各部件的狀態(tài)是否符合飛行條件，啟動無人機電源，開啟飛控系統(tǒng)，飛控啟動自檢程序，檢查飛控系統(tǒng)與各機載設(shè)備之間連接是否正常，檢查地面站與無人機飛控系統(tǒng)通訊是否正常，機載設(shè)備回傳的各項參數(shù)指標(biāo)是否正常，開啟任務(wù)載荷電源，檢查任務(wù)載荷工作是否正常。

無人機起降

可在地面站軟件中設(shè)置無人機懸停高度，點擊“起飛”按鈕，無人機自動起飛，上升至對應(yīng)高度后懸停。啟動任務(wù)載荷開始工作，過程中觀察地面站界面上顯示的無人機各項參數(shù)是否正常。需要改變無人機懸停高度，則重新在地面站中輸入高度值，無人機自動上升、下降來改變懸停高度;若想改變無人機航向，則重新在地面站中輸入航向角值，無人機自動原地轉(zhuǎn)向，調(diào)整機頭指向期望航向。

任務(wù)執(zhí)行完畢后，在地面站軟件中點擊“降落”按鈕，無人機自動降落至起飛初始位置;通過遙控器鎖定飛控系統(tǒng)，可根據(jù)需要再次起飛。降落時重復(fù)起飛前檢查的所有項目，關(guān)閉任務(wù)載荷電源，關(guān)閉無人機電源，斷開與地面電源的連接，關(guān)閉發(fā)電機，將無人機機臂折疊后放入航空收納箱。

結(jié)束語

系留式多旋翼無人機在有人船上的應(yīng)用，國內(nèi)外研究及實踐較多，其實施相對容易。而在無人船（艇）上的使用尚處于工程試驗階段，面臨的技術(shù)問題也更為復(fù)雜，本系統(tǒng)設(shè)計對相關(guān)研究具有一定借鑒意義。

（參考文獻：略。如有需要，請聯(lián)系編輯部。）