系留式多旋翼无人机的发展应用及关键技术

龙源期刊网系留式多旋翼无人机的发展应用及关键技术作者：方毅来源：《无人机》2017年第06期多旋翼无人机的概念在几十年前就已经出现，并经美国等发达国家证明：不宜使用以发动机为动力的大尺寸多旋翼飞行器。直到进入21世纪，随着微机电系统（MEMS）的成熟，微型、低廉、可靠的传感器得以实现，无线图传、电池和无刷电机等技术的发展，使得微型多旋翼无人机被认为是一种效率较高的飞行器。具有结构简单、安全可靠性高、采购及使用维护成本低、使用维护简便等特点。但由于受电池容量的制约，目前多旋翼无人机的载荷能力和续航时间都十分有限，因此，使用领域和应用价值受到限制。系留式多旋翼无人机通过牵引电缆系留悬空，电缆将地面电源供给机载设备，解决了传统多旋翼无人机续航时间短的问题，作为一种长航时、高任务载荷的飞行平台得到广泛关注。系留式多旋翼无人机具有留空时间长、稳定性较好等优点，与其他系留浮空器相比，随车机动性强、目标特征小、使用维护简单，可广泛应用于监视侦察、空中预警、通信中继及电子对抗等领域，在我国军事和民用领域均具有良好的发展前景和应用空间。国内外研究现状国外研究系留式多旋翼无人机的时间较早，其中，以色列取得的研制成果最为显著。目前，国内外市场上主要有以下几型系留式多旋翼无人机。MD-1000T四旋翼无人机MD-1000T四旋翼无人机基于MD4-1000平台改装而成，与MD4-1000平台相比，增加了机载电源模块，配置备用电池。此系留式多旋翼无人机于2009年研制成功，可以用于资料收集、协调指挥、搜索和救援、通信、检测及侦察等。MD-1000T最大起飞重量为5.55kg，空重2.65kg。搭载任务载荷1kg、0.5kg、0.3kg时最大飞行高度分别为30m、50m、100m，续航时间为24h。MD-1000T巡航速度可以达到15m/s，在风速为6m/s的环境中可以实现稳定拍摄。HoverMast以色列天空智慧公司（SkySapience）研制的HoverMast是一种可从车辆上起飞的系缆式可悬停无人机。此飞行器可实现长时间悬停以及自主起降。HoverMast结构新颖，采用一个涵道式中央升力螺旋桨以及4个可折叠辅助螺旋桨构型，辅助螺旋桨用于调整姿态，保持稳定。全系统可折叠存放于直径为80cm的集装箱内，展开至升空仅需15s。该系统使用电缆供电，龙源期刊网，可与车辆电源或与发电机相连。HoverMast具有体型小、速度快、自动化程度高等特点，装备了光电传感器、激光指示器、雷达和情报搜集系统。目前，HoverMast已形成系列化产品，其中，HoverMast-120任务载荷重量18kg，飞行速度15km/h，续航时间无限制，最大风速限制为12.5m/s。电子系缆式观测平台（ETOP）以色列航空工业公司的电子缆绳式观测平台（ETOP）与HoverMaster类似，也可以在原地起飞和悬停，并且无需辅助设备即可降落。其体积较大，有效载荷约20kg，最大工作高度为100m，且可以在固定目标上对其进行观测。科卫泰KWT-TMOP-100由于系留式多旋翼无人机也是近几年才发展的，所以国内研制单位不多，大多是在进行技术探索。深圳市科卫泰实业发展公司也对有缆无人机进行了研究，并研制了有缆多旋翼KWT-TMOP-100，最大起飞重量为15.2kg。全华时代电力系留观察平台龙源期刊网天津全华时代航天科技有限公司也在进行电力系留观察平台的研制，有六旋翼构型和涵道风扇式构型两种。六旋翼平台起飞重量为8kg，使用380VDC供电，具有系留電缆收放装置，支持机械升降台，具有一键起降、自主悬停以及跟随飞行功能。留空时间长，覆盖面积大，能源消耗低，可以通过各种通信设备对地物、地貌和人员、设施等自动完成摄像、信息侦察、远距离通信等任务。涵道风扇式构型依靠地面供电，可用作观测、指挥、调度、通信中继等飞行平台。可以无限航时滞空进行点对点或面对面观察监测，并可以随车移动，全系统实现一键式操作，人员无需特别培训且无需另配维护人员。此型飞行器可以根据用户需要进行定制，有效载荷分别为10kg、20kg、50kg，最大悬停高度100m，一键式起降工作，工作温度-40℃～50℃。军事应用分析系留式多旋翼无人机可用于岛礁驻防、海军巡逻、边防部队巡逻、武警反恐维稳、消防以及海事监管、灾害评估等领域，尤其在复杂的城市使用，其安全性更高、适应性更强，民用领域可用于灾害区通信中继、照明等。岛礁驻防监视目前，我军岛礁驻防监控力量主要依靠驻防部队和军舰巡航，少部分岛礁设有驻防部队，舰艇巡视速度慢、频率低、使用成本高，因此，对岛礁不能实现全天候监控，导致多数岛礁长期处于无设防状态。系留式多旋翼无人机可实现全天候对无驻防岛礁的监控，及时发现并阻止他国在我岛礁的非法行动。作为监控平台，它可以实现全天候对岛礁进行360°无死角监控，缩短驻防官兵巡逻周期。搭载高性能光电吊舱后可以实现对视距外海况进行有效监视，扩大岛礁守护范围，提供超视距守护能力。陆、海边防监视陆地及海岸较为平坦的边防线上可以使用系留式多旋翼无人机作为移动巡逻平台，边防巡逻部队配备搭载高性能光电吊舱的系留式多旋翼无人机系统可以有效提高士兵巡逻视野，扩大监视范围，同时减轻士兵徒步巡逻体能消耗。另外，此系统还可以布置在军事敏感区或哨所，以固定站方式配备，通过铺设光纤电缆到哨所或监控室，监控人员可以不离开哨所24h进行巡视监控，降低巡逻监视强度。军舰移动瞭望塔军舰搭载配备高性能光电吊舱的系留式多旋翼无人机作为移动瞭望塔，在一定程度上可以免去使用超视距雷达对视距外目标进行搜索。军舰及飞机都具有反雷达装置，可以获悉是否被对方雷达锁定，采用高性能的光电吊舱摄像系统可以免于被对方设备发现。因此，就不存在被龙源期刊网敌超视距雷达锁定其位置的可能性，与超视距雷达配合使用可以提高军舰在视距外的隐身性。高性能光电吊舱拍摄的监视画面以及先进的图像处理技术可提高移动瞭望塔性能，可以获取目标的图像，提升其甄别精准性，进而提高军舰战场生存能力。装甲部队侦察及目标指示平台目前，装甲车上监视平台距离短、观测范围小以及无人直升机侦察时存在实时互通情报或协同难度大等问题，装甲部队缺乏有效的侦察手段。尤其在城市、森林等复杂作战环境里，更加缺乏有效的侦察手段。通过装甲车或者车辆载运系留式多旋翼无人机，可以在停止固定后将系留式多旋翼无人机升空展开，进行定点悬停侦察，或者跟随车辆飞行，进行空中飞行侦察，能够有效地弥补装甲部队侦察手段，提高侦察能力，甚至提高目标指示打击能力。武警反恐维稳小型多旋翼无人机飞行高度为150m时，地面几乎无气动噪声，武警反恐部队配备系留式多旋翼无人机，在侦察恐怖分子行踪时，可以低噪声隐蔽地获取恐怖分子高质量的监控画面，提高对恐怖分子打击能力。可以在反恐维稳作战时有效提升对恐怖分子的监视，获取恐怖分子的准确行动动向，作为反恐任务的战场指示，便于及时布置反恐战术并可以降低侦察人员伤亡数目。关键技术分析目前，制约系留式多旋翼无人机研制的关键技术有跟随控制技术、电力供应、系统抗风抗扰性能问题。高度与位置精确控制技术系留式多旋翼无人机需满足能够精确跟踪车辆位置，常用工作模式为：悬停在车辆上方和跟随车辆移动。由于飞行器与地面车辆保持相对高度飞行，当地面车辆速度较快时，地面车辆、系留绳和无人机之间的耦合扰动加强，飞控系统需基于地面车辆和飞行器两者的相对位置进行控制。车辆在平坦路段行驶时，飞行器保持定高跟随车辆飞行。国家规定基地机动车道坡度不小于0.2%，不大于8%，其坡长应小于200m。公路较为平坦，高度控制容易实现。若车辆行驶在起伏路段，需要考虑飞行器与地面车辆相对位置信息的获取以及对飞行器高度的控制策略，飞控策略需着重处理车辆在坡度较大的公路下坡行驶时飞行器与车辆之间的相对飞行高度的跟随飞行。因此，能否实现高度及位置的精确跟踪是系留式多旋翼无人机能够高效、安全应用的关键。起降阶段安全处理龙源期刊网系留式多旋翼无人机的起飞与降落阶段风险最高，主要源于风载影响以及电缆收放装置收放线速率的控制。起飞阶段飞行器垂直起飞速率恒定时，随着高度的增加牵引绳产生的风载作用力也逐渐增加，阵风对线缆的风载效果造成对全机稳定性干扰的加大。随着飞行器高度变化，线缆卷盘半径也发生变化，需协调卷盘出现速度，以防止卷盘出线速度过慢导致线缆被飞行器拽直处于绷紧状态进而导致飞行器平台失稳。龙源期刊网降落阶段需要保持无人机位置和姿态的精确控制，线缆的回收速度需能够及时、精确地跟踪飞行器下降速度。无人机下降过快容易造成线缆收放不及时而产生线缆打结现象，造成电缆损坏，下降过慢会导致电缆拖曳效应加大，干扰增强，对姿态和位置控制产生干扰。飞行器回收阶段的处理策略关乎其安全性，需要着重考虑如何实现线缆收放与飞行器起降的步调。高性能系留电缆小型无人机多采用电池作为动力源，飞行过程中固定翼类飞行器的重量主要由机翼承担，因此，电机只需为推力螺旋桨提供动力，其效率高、推重比也较高。与固定翼类飞行器不同，多旋翼无人机自身重力也需由螺旋桨承担，因此，对电池功率消耗较大，受限于电池容量，其留空时间不长。采用系留电缆的多旋翼飞行器可以提高航时，但是仍存在一系列问题，如高功率条件下压降较大，功率損失较多且散热问题突出，线缆重量大大限制飞行高度，影响其使用性能等。表1列出了几种常用型号电缆的性能参数。上述型号电缆为航模常用电缆，性能较好。由于系留式多旋翼无人机飞行高度不能太低，选取飞行高度100m、总功率10kw、电压100V/200V来计算，则电缆压降及耗能等参数如表2和表3所示。由表2、表3可以看出，在高功率工作状态下系留线缆成为研制系留式多旋翼无人机的瓶颈，将会带来压降较多、功率损耗多、线缆散热不良且线缆重量重多个问题。在技术允许的条件下，选用高压供电可以降低功率损耗，但由此将会带来对线缆研制的严苛要求。因此，高性能系留电缆的研制是系留式多旋翼无人机研制的关键。电缆对飞行器平台的风载气动干扰系留式多旋翼无人机因受线缆的约束、外界阵风干扰、高度上下浮动且呈非对称性，线缆自重以及气流干扰对高度及位置的干扰比较严重。线缆为柔性体且质量较轻，气流吹过时会对线缆产生较强的气动力。由于线缆固定在飞行器平台上，风载气动力会对全机造成干扰。系留式多旋翼飞行器线缆对飞行器平台的风载气动干扰与直升机挂装水桶的情况不同，挂装水桶的直升机由于其下方吊挂造成吊挂钢索处于绷直状态，重物及钢索对直升机造成的干扰随直升机飞行速度变化率的变化而不同，气流对其产生的作用力作用于直升机上的扰动较小。系留式多旋翼飞行器电缆由于其自身的作用为提供电能且有效载荷有限，因此，无法采用挂装重物的形式来绷直电缆。柔性的线缆受到气流的吹动会产生不定方向的作用力，这个作用力传龙源期刊网导至机身会对平台的稳定性造成影响。目前，线缆风载对平台的干扰无法计算，因此，研究此项内容对改善飞行器平台的稳定性具有重要意义。结束语系留式多旋翼无人机是一种高效的悬空侦察平台，使用方便，效费比高，具有广阔的市场及应用价值，同时其研制需要攻克的关键技术也较多，且上述所列举的关键技术严重制约着系留式多旋翼无人机的发展。国内能够满足其功能的关键技术尚未攻克，因此，研制一款可靠性高、续航时间长、任务能力较强的系留式多旋翼无人机还需攻克技术难题，这些关键技术也将推动无人机全行业的发展。（方毅，中国直升机设计研究所）