系留式多旋翼無人機在水面靶標(biāo)實現(xiàn)技術(shù)研究?

（91550部隊43分隊 大連 116023）

1 引言

水面靶標(biāo)［1］的用途是為反艦武器海上飛行試驗提供水面艦艇目標(biāo)模擬［2］，水面靶標(biāo)工作時無人值守，一般處于海上定點錨泊狀態(tài)，靶載測控設(shè)備工作由遙控地面站試驗人員遠(yuǎn)程遙控。目前反艦武器過靶段的實況觀測是通過安裝在靶標(biāo)船體上的多臺高速攝像機完成，由于安裝空間位置原因，存在攝像機拍攝視場受限；遙測遙控天線安裝在船體高處，高度一般不超過15m，無線通信距離受限；武器雖然不帶戰(zhàn)斗部，不過也存在靶標(biāo)有時被直接命中后，試驗觀測裝備損失過大的問題。系留式多旋翼無人機［3］通過長纜系留在船體上，海上試驗時懸停在船體上方數(shù)百米，作為過靶實況觀測與通信中繼平臺［4］，相比較通用的固定翼和多旋翼無人機方式，技術(shù)實現(xiàn)較為簡單可行，更適用于水面靶標(biāo)應(yīng)用場合。

2 多旋翼無人機需求分析

近年來，無人機在無人偵察、公路巡航、交通監(jiān)控、森林防火、航空攝影等領(lǐng)域得到了普遍重視與應(yīng)用［5］，在海上靶場也不例外，多種固定翼、直升機類無人機在空中校飛、海上監(jiān)視、通信中繼、靶機等方面已有成功的應(yīng)用。目前反艦武器對過靶段的觀測需求為對水面靶標(biāo)連續(xù)觀測時間不低于1h；使用海況不低于四級，海上風(fēng)力不小于7級；可搭載光電和通信載荷；海上連續(xù)飛行時間不低于3h；執(zhí)行任務(wù)時懸停在靶標(biāo)船體附近上方100m～200m。

由于水面靶標(biāo)在海上使用時無人值守的特點，利用無人機進(jìn)行武器過靶段觀測任務(wù)有其獨特優(yōu)勢，但是在初步使用過程中也發(fā)現(xiàn)以下問題：由于在1h內(nèi)進(jìn)行連續(xù)定點觀測，相比較固定翼無人機，可以完成懸停、低速飛行的多旋翼無人機更加合適；出于安全性考慮，海上靶區(qū)一般距離陸地幾十公里以上，要求無人機從岸上起飛后，飛行到靶區(qū)執(zhí)行任務(wù)，然后再返回機場，往往連續(xù)飛行2h以上。使用大型無人直升機雖然可靠性高，但是對起降場地要求高，費用昂貴，試驗效費比低；而一般多旋翼無人機目前使用鋰電池供電，載荷和航程有限，抗風(fēng)能力和海上環(huán)境適應(yīng)性較差，在試飛中多次發(fā)生墜毀事故。

提高武器過靶段觀測能力。目前，武器脫靶量測量任務(wù)由基于脈沖多普勒無線電體制的脫靶量測量系統(tǒng)完成，但是目前海上試驗進(jìn)行各種有源和無源干擾已經(jīng)常態(tài)化，在干擾條件下脫靶量測量系統(tǒng)難以正常工作，給試驗鑒定帶來較大困難。另外，過靶實況觀測系統(tǒng)是武器過靶段的重要觀測設(shè)備［6］，盡管拍攝的高速過靶實況視頻細(xì)節(jié)清晰，由于受限于靶標(biāo)船體的安裝位置，難以獨立在光學(xué)脫靶量觀測上發(fā)揮大的作用。利用系留式無人機，搭載光電載荷，懸停在靶標(biāo)船體上方采用俯拍的方式，為干擾條件下的脫靶量觀測提供了新的手段。為了避免武器快速運動帶來的圖像模糊問題，需要攝像幀頻高、曝光時間短和分辨率高，所以光電載荷采用高速攝像機，加裝穩(wěn)定云臺，和航姿參考系統(tǒng)配合，使攝像機視軸始終指向船體區(qū)域，保證無人機在空中由于姿態(tài)、風(fēng)速變化而產(chǎn)生運動時的圖像穩(wěn)定［7］。

海上通信中繼。在海上兩點通視時的無線通信距離［8］經(jīng)驗公式為

在式（1）中，d為海上水面靶標(biāo)與遙控地面站之間的通信距離，單位為km；h1、h2分別為船體上遙測遙控天線、地面遙控站天線高度相對于海平面高度，單位為m，所以通信天線高度對于通信距離至關(guān)重要。通過在無人機上加裝通信中繼載荷，利用系留式無人機作為水面靶標(biāo)與地面遙控站之間寬帶高碼率的海上通信中繼平臺［9］，可以顯著增加海上通信作用距離，提高試驗保障能力。

3 系統(tǒng)組成

基于以上海上使用需求，在水面靶標(biāo)船體上使用系留式多旋翼無人機。多旋翼無人機在航渡過程中固定于船體上特制起降平臺，試驗開始后再根據(jù)地面站遙控指令起飛、降落，起飛后通過一根光電復(fù)合電纜與船體其他組件連接，完成供電、遙控指令傳輸操作。此種實現(xiàn)方式具有以下優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，使用成本低，控制靈活，對起降場地要求低，發(fā)射與回收相對容易，飛行穩(wěn)定，可長時間海上工作，免除在陸上起降場地與海上靶標(biāo)之間的來回長途飛行，相應(yīng)也提高了系統(tǒng)可靠性。系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 靶載系留四旋翼無人機組成框圖

根據(jù)系留多旋翼無人機在海上飛行時的空間位置劃分，系統(tǒng)包括空中分系統(tǒng)、光電復(fù)合纜和保障分系統(tǒng)三部分?？罩蟹窒到y(tǒng)即為一架攜帶光電和通信載荷多旋翼無人機，位置、高度和航向姿態(tài)參考單元提供無人機的實時位置、高度、航向、姿態(tài)以及在各個軸向上的角速度、加速度等信息，為了提高測高精度，使用超聲波測高模塊［10］。機體底部通過一根光電復(fù)合纜與位于船體的保障分系統(tǒng)相連接，所需的直流電源通過復(fù)合纜由保障分系統(tǒng)供給，無刷直流電機驅(qū)動多個螺旋槳產(chǎn)生升力，這樣無人機可長時間在空中懸停工作，同時可承載更大的任務(wù)載荷，光電載荷為1臺高速攝像機和1臺常速攝像機，通信載荷可通過復(fù)合纜傳輸各種數(shù)據(jù)，同時可作為通信中繼使用。

保障分系統(tǒng)包括中央控制單元、遙測遙控單元、光電復(fù)合纜及收放單元、發(fā)電機、起降平臺、氣象測量儀和船體位置航向姿態(tài)參考單元等組成。遙測遙控單元接收地面站遙控指令，對無人機起降、飛行狀態(tài)控制，將飛行狀態(tài)反饋遙控地面站；復(fù)合纜收放單元根據(jù)無人機飛行狀態(tài)，控制纜收放；無人機起降平臺根據(jù)使用環(huán)境設(shè)計，滿足靶標(biāo)航行和無人機起降穩(wěn)定性要求；氣象測量儀和船體位置航向姿態(tài)參考單元為無人機的飛行控制提供外界環(huán)境參考信息。

4 系留多旋翼無人機飛行控制

這種無人機實現(xiàn)方式關(guān)鍵技術(shù)包括多旋翼無人機的飛行控制、特別是起飛與著陸控制；光電復(fù)合電纜實現(xiàn)和收放單元；遙控地面站遙控軟件。

多旋翼無人機空氣動力學(xué)模型［11］可看成是六個自由度的剛體運動，包含三個軸的轉(zhuǎn)動（偏航、俯仰和滾動）和重心沿三個軸的線運動（進(jìn)退、左右側(cè)飛和升降），至少需要6個信號通道。以四旋翼無人機為例，具有四個呈十字交叉結(jié)構(gòu)的旋翼，分別安裝在對稱四個頂點上，分為左右和前后兩組。當(dāng)控制旋翼的四個電機轉(zhuǎn)速發(fā)生改變，即可實現(xiàn)升力的變化控制，從而控制飛行器的姿態(tài)和位置。當(dāng)系留無人機四個旋翼的轉(zhuǎn)速相等且所產(chǎn)生的升力之和等于空中機體和系纜的重力之和時，無人機處于懸停狀態(tài)，由于通過系纜與船體連接，受海上風(fēng)和船體運動的影響，與通常多旋翼無人機相比，增加了纜繩擾動的影響，處于一個更為復(fù)雜的運動環(huán)境中，其控制系統(tǒng)是一個時變、非線性、強耦合、欠驅(qū)動的系統(tǒng)。

飛行控制器是無人機飛行控制的核心［12］，使無人機按照給定指令進(jìn)行相應(yīng)響應(yīng)并穩(wěn)定可靠地飛行，其關(guān)鍵是飛行控制算法。在本應(yīng)用中水面靶標(biāo)在海面定點錨泊，隨著海流、海浪和風(fēng)向的變化，圍繞海底的錨做近似圓周運動。所以無人機大部分時間處于穩(wěn)定懸停狀態(tài)，運動方式主要是小幅度的垂直上升與下降運動、適當(dāng)?shù)钠竭\動，盡量避免產(chǎn)生橫滾、俯仰運動，否則可能會發(fā)生系纜的纏繞、旋翼切斷系纜而使飛行失敗。飛行時無人機是會修正自身的圓周運動，防止下方的系纜產(chǎn)生纏繞現(xiàn)象。

無人機控制采用半自主控制方式，其起飛、降落和改變飛行高度等關(guān)鍵指令由遙控地面站人員發(fā)出，其他飛行動作按照事先的程序設(shè)定自主飛行，不過如有必要，遙控地面站可隨時無縫切換，取得無人機的飛行控制權(quán)。在飛行過程中，無人機通過比對自身與船體的兩個位置航向姿態(tài)參考單元之間的偏差進(jìn)行位置和航向修正，作為主要導(dǎo)航手段；參照船體上事先標(biāo)注的圖形標(biāo)記，以視覺導(dǎo)航為輔助導(dǎo)航手段；依靠超聲波測高模塊進(jìn)行高度控制。

圖2 飛行控制器PID控制方法框圖

飛行控制器接收遙控操作人員發(fā)送的高度、位置與姿態(tài)指令，與船體位置、高度姿態(tài)參考系統(tǒng)比對，計算兩者的差值并得出力與力矩向量，從而控制不同電機的轉(zhuǎn)動方向與轉(zhuǎn)速。飛行控制算法采用經(jīng)典的PID控制方法［13］，進(jìn)行閉環(huán)控制，結(jié)構(gòu)相對簡單，魯棒性較強且參數(shù)易于整定，如圖2所示。

無人機起飛與著陸控制要滿足三個要求：可靠性、完整性和準(zhǔn)確性。起降平臺位于船體的高處，為一半徑為2m的內(nèi)沉式圓形平臺，表面敷設(shè)甲板防滑材料，在幾何中心開孔，系纜從中穿過，連接到正下方的復(fù)合纜收放單元。無人機升降時利用光電載荷的攝像機作為輔助視覺導(dǎo)航手段，起降平臺的四周邊緣預(yù)先布設(shè)輔助降落標(biāo)志，包括明顯顏色涂漆標(biāo)識和指示燈作為視覺導(dǎo)航合作目標(biāo)［14］。在起飛和降落過程中，無人機高度的變化應(yīng)和系纜的收放同步進(jìn)行，防止因系纜拉拽無人機或纜繩堆積而發(fā)生意外。

在靶標(biāo)航渡狀態(tài)下，無人機通過拉緊復(fù)合纜固定在起降平臺上，接收到起飛指令后，自檢正常后，則無人機上電機開始工作，旋槳轉(zhuǎn)動，當(dāng)轉(zhuǎn)動到一定速度，給復(fù)合系纜收放單元發(fā)出解鎖指令，系纜開始放出，出纜速度可根據(jù)不同的海況與氣象條件由遙控站人員實時設(shè)定。

無人機自主降落。接收到降落指令后，在開始改變自身飛行高度的同時，給復(fù)合系纜收放單元發(fā)出收纜指令，自主降落過程中的導(dǎo)航主要依靠機體與船體上的兩個位置航向姿態(tài)參考單元為主完成，以基于起降平臺為合作目標(biāo)，進(jìn)行快速定位和識別的自主視覺導(dǎo)航作為輔助；由于機載攝像機的視頻圖像實時無線傳輸?shù)竭b控地面站，必要時遙控人員可根據(jù)視頻圖像進(jìn)行干預(yù)。如果海況較差，應(yīng)選擇在船體下沉到中間位置著船，盡量避免在船體上升周期著船，防止機體與升降平臺強烈撞擊而損壞。

5 光電復(fù)合纜及收放單元

光電復(fù)合纜（ROF）［15］是一種由光纜和供電電纜結(jié)合而成的復(fù)合電纜，具有系留載荷、供電、通信功能和高抗張強度，由承力纜線、直流電源線、通信光纖、接地金屬網(wǎng)、外套管等部分組成［16］，可反復(fù)收放和彎曲，相對輕便，以達(dá)到系留無人機載重要求并保持通信、供電，保證無人機長時間懸停，同時具有防雷、泄雷功能，將雷擊電流引導(dǎo)到船體上，光電復(fù)合纜的百米重量在2kg左右。

圖3 復(fù)合纜收放單元示意圖

復(fù)合纜收放單元［17］位于升降平臺的正下方，除了保障無人機升降時復(fù)合纜的收放，還可將自身的放纜長度傳送給無人機飛行控制器和地面遙控站，并接收無人機飛行控制器的高度位置信息和遙控地面站的遙控指令。復(fù)合纜收放單元的工作原理如圖3所示，采用收放和儲纜分離的思路，完成復(fù)合纜的收放、存儲功能，主動軸電機提供較大的牽引力和制動力，儲纜筒電機負(fù)責(zé)系纜的低張力存儲和整齊排列，纜收放單元控制器對工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，執(zhí)行來自無人機控制器和遙控地面站的指令，并將工作信息反饋。初始狀態(tài)復(fù)合纜應(yīng)整齊排放在儲纜筒中，接到起飛指令后，無人機開始起飛，復(fù)合纜由儲纜筒釋放，放纜速度由無人機飛行控制器或遙控人員根據(jù)預(yù)定飛行狀態(tài)、海區(qū)氣象條件通過變頻器進(jìn)行控制，編碼器完成出纜長度的檢測。

復(fù)合纜收放單元的出纜與收纜長度，取決于無人機的實時高度，同時根據(jù)氣象儀給出的風(fēng)速進(jìn)行適當(dāng)修正。

式（2）中，L纜為出纜長度，h為無人機的飛行高度，l為儲纜筒到起降平臺的纜長度，hα為修正長度。預(yù)留修正長度的原因主要有三點：風(fēng)力，會引起空中系纜弧度變大，相應(yīng)地增加出纜長度；船體的升沉，在較差的海況下，船體會有上下數(shù)米的升沉運動，同時還有偏蕩，為了防止對無人機產(chǎn)生突然向下的拉拽而失控，不過此周期較長，一般在6s以上；無人機的高度測量和出纜長度檢測有一定的誤差。無人機飛行高度與出纜長度必須緊密配合，但是在起飛、穩(wěn)定飛行和降落階段稍有不同。

起飛時，遙控地面站會根據(jù)海上的實時情況，設(shè)置預(yù)訂飛行高度和纜的修正長度。系留纜快速放出3m后，起飛指令下達(dá)后，修正長度隨著高度的增加也相應(yīng)地增加，不過為了防止纏繞，多放出的系纜也在一個儲纜盒中，位于升降平臺和纜收放單元控制器之間，不過呈松散狀態(tài)。穩(wěn)定飛行時，無人機飛行高度與出纜長度兩者之間已配合協(xié)調(diào)，一般不必調(diào)整出纜長度。但是遙控操作人員也可通過飛行控制軟件界面和視頻圖像監(jiān)控?zé)o人機的飛行狀態(tài)，根據(jù)海上的實時海況進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚?/p>

降落時，無人機的下降高度與收纜長度一致同步，所以無人機在下降時不會受到系纜的意外拉拽，在和纜收放單元控制器之間始終有一段修正長度，不過這段長度隨著飛行高度的下降也逐漸縮短，在無人機下降到距離升降平臺5m高度后會稍做停留，在船體的下沉?xí)r刻，發(fā)出著船指令，無人機完成著船動作后，馬上將系留纜全部收回，利用纜的拉力把無人機固定在升降平臺上。

6 無人機遙控地面站

地面遙控站遙控軟件［18］分為四個模塊：靶標(biāo)環(huán)境監(jiān)視、飛行監(jiān)控、復(fù)合纜監(jiān)控和數(shù)據(jù)庫，是遙控操作人員與無人機系統(tǒng)交互的渠道，其總體框圖如圖4，包括飛行環(huán)境監(jiān)測、實時飛行狀態(tài)監(jiān)控、光電復(fù)合纜控制在內(nèi)的集通信、控制、數(shù)據(jù)處理職能于一體。

無人機的遙測遙控雙向信道是利用目前已有統(tǒng)一的靶標(biāo)遙測遙控信道，遙控地面站實時顯示靶標(biāo)周圍工作環(huán)境監(jiān)測［19］，包括位置、三維姿態(tài)和風(fēng)力、風(fēng)速、溫濕度等氣象情況；無人機的各種飛行狀態(tài)信息、光電載荷傳回的視頻圖像；復(fù)合系纜收發(fā)單元工作狀態(tài)的顯示與存儲，包括電機的轉(zhuǎn)速、系纜受力、出纜長度等；在電子海圖上實時顯示靶標(biāo)位置；控制無人機的起飛、工作高度和降落操作；為了在完成飛行任務(wù)后進(jìn)一步對飛行性能進(jìn)行分析，需要將飛行數(shù)據(jù)實時存儲，飛行結(jié)束后對數(shù)據(jù)離線回放查看、分析［20］。

圖4 遙控軟件總體框圖

7 結(jié)語

系留式多旋翼無人機相比較以陸地或艦船為起飛、降落平臺的通常無人機方式，具有空中停留時間長、不必往返飛行、監(jiān)測效果好和可靠性高等優(yōu)點，有利于提高海上試驗效費比。特別是在干擾條件下的脫靶量觀測、通信中繼等方面，將靶標(biāo)測量與觀測任務(wù)載荷安裝在多旋翼無人機的機體上，與以靶標(biāo)船體為平臺相比有較大的優(yōu)勢，減少反艦武器直接命中靶標(biāo)船體后的損失，具有較強的可操作性。