馬昊鵬 劉由之 李榮軍 閻華 楊衛(wèi)民

摘 ?要：無(wú)人機(jī)是一種由無(wú)線電遙控設(shè)備或自身程序控制系統(tǒng)操縱的無(wú)人駕駛飛行器。目前無(wú)人機(jī)普遍存在任務(wù)能力單一，續(xù)航能力不足等缺點(diǎn)。本研究提出并構(gòu)建了一種無(wú)人機(jī)航母集群協(xié)同工作模型和一種采用線纜供電方式的無(wú)人機(jī)航母系統(tǒng)。無(wú)人機(jī)航母系統(tǒng)采用子母機(jī)架構(gòu)，無(wú)人機(jī)航母平臺(tái)作為子無(wú)人機(jī)的空中?？奎c(diǎn)和電力傳送中轉(zhuǎn)站，將來(lái)自地面電纜的電能通過(guò)電纜傳送給各子無(wú)人機(jī)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)航母系統(tǒng)的空中長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作，各子無(wú)人機(jī)掛載設(shè)備并在以無(wú)人機(jī)航母為圓心的范圍內(nèi)執(zhí)行任務(wù)。利用其可長(zhǎng)時(shí)間工作和高負(fù)載特性，無(wú)人機(jī)航母系統(tǒng)在應(yīng)急信號(hào)基站快速搭建、反恐防暴、舞臺(tái)舞美、農(nóng)藥噴灑、工廠監(jiān)測(cè)等方面有較好的表現(xiàn)，可在一定程度上拓展民用無(wú)人機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)景。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī)航母;長(zhǎng)續(xù)航;子母機(jī)架構(gòu);協(xié)同工作;系留系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：V279 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2020）01-0037-05

Abstract： The UAV is a type of unmanned aerial vehicle that is operated by a radio remote control device or its own program control system. At present， UAVs generally have shortcomings such as the singularity of mission capability and short endurance. This study proposed and constructed a cooperative working model of UAV cluster and an UAV aircraft carrier system that can adopt cable power supply. The UAV aircraft carrier system adopts the mother-child structure. As the air terminal of the sub-UAV and the power transmission relay station， the UAV aircraft carrier platform can transmit the electric energy from the ground cable to each sub-UAV through the cable， thereby realizing the long-term work of the UAV aircraft carrier system. Each sub-UAV mounts the equipment and performs tasks within the scope of the UAV aircraft carrier. Utilizing its long-term work and high load characteristics， the UAV aircraft carrier system has a good performance in the rapid construction of emergency signal base stations， anti-terror work， scenic design， pesticide application， and factory environment monitoring. The UAV aircraft carrier system can expand the application scenario of civil UAVs to a certain extent.

Keywords： UAV aircraft carrier; long endurance; mother-child structure; collaborative work; mooring system

1 概述

無(wú)人機(jī)作為一個(gè)新興行業(yè)，具有廣泛的應(yīng)用范圍和巨大的潛在價(jià)值，世界各國(guó)都在大力扶植無(wú)人機(jī)的相關(guān)研究。無(wú)人機(jī)可應(yīng)用范圍較廣，在軍事方面，無(wú)人機(jī)可用于偵察、搜索、監(jiān)視、通信中繼、電子對(duì)抗、火力制導(dǎo)、戰(zhàn)果評(píng)估和早期預(yù)警等領(lǐng)域;在民用領(lǐng)域，無(wú)人機(jī)可用于農(nóng)業(yè)植保、電力巡檢、環(huán)境監(jiān)測(cè)、地質(zhì)勘探、快遞運(yùn)輸?shù)确矫鎇1]。2018年6月舉辦的2018世界無(wú)人機(jī)大會(huì)預(yù)測(cè)，未來(lái)5年，全球商業(yè)無(wú)人機(jī)行業(yè)將保持迅猛發(fā)展，到2020年市場(chǎng)總值將達(dá)到150億美元。根據(jù)FAA（Federal Aviation Administration）預(yù)測(cè)，2020年美國(guó)境內(nèi)將會(huì)擁有超過(guò)700萬(wàn)臺(tái)的無(wú)人機(jī)。此外，我國(guó)的無(wú)人機(jī)領(lǐng)域也發(fā)展極為迅猛，根據(jù)中國(guó)民航局2019年1月25日消息稱，截至2018年底，無(wú)人機(jī)實(shí)名登記信息系統(tǒng)顯示，中國(guó)已經(jīng)登記注冊(cè)約28.5萬(wàn)架無(wú)人機(jī)，各類無(wú)人機(jī)型號(hào)3720個(gè)。

在無(wú)人機(jī)蓬勃發(fā)展的背景下無(wú)人機(jī)存在的技術(shù)瓶頸同樣不容忽視。目前大多無(wú)人機(jī)續(xù)航時(shí)間短且承載能力有限[2]，極大的限制了無(wú)人機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)景，同時(shí)也對(duì)無(wú)人機(jī)產(chǎn)業(yè)未來(lái)的發(fā)展有較為明顯的阻礙作用。在無(wú)人機(jī)目前已有的應(yīng)用中，無(wú)人機(jī)間協(xié)同完成的應(yīng)用較少[3]。目前無(wú)人機(jī)集群展示度最高的即基于無(wú)人機(jī)集群控制的燈光秀，近段時(shí)間在全國(guó)各地頻繁上演，其靈活多變的炫彩燈光和三維空間立體的光影展示效果廣受大眾好評(píng)。單架無(wú)人機(jī)的應(yīng)用局限性較大，而無(wú)人機(jī)群具有靈活性高、體系配合能力強(qiáng)、相對(duì)成本低等優(yōu)點(diǎn)，所以各國(guó)不僅研究如何提高單架無(wú)人機(jī)的各方面性能，同時(shí)也在著力發(fā)展無(wú)人機(jī)的集群釋放、集群控制、集群應(yīng)用[4-8]。美國(guó)國(guó)防部在 《無(wú)人機(jī)系統(tǒng)路線圖 2005-2030》也指出，2025 年以后，無(wú)人機(jī)將具有集群戰(zhàn)場(chǎng)認(rèn)知能力，實(shí)現(xiàn)完全自組織作戰(zhàn)[9]。我國(guó)國(guó)內(nèi)各科研院校也均對(duì)無(wú)人機(jī)集群的應(yīng)用和控制方面進(jìn)行了相關(guān)研究[10-13]。

基于目前無(wú)人機(jī)的技術(shù)瓶頸和應(yīng)用局限，本研究提出使用一臺(tái)大型無(wú)人機(jī)作為無(wú)人機(jī)母艦，其上可實(shí)現(xiàn)小型無(wú)人機(jī)的搭載、起飛和降落。無(wú)人機(jī)母艦作為空中中轉(zhuǎn)站可將來(lái)自地面輸電電纜的電能均勻分配至各子無(wú)人機(jī)上并為其提供理論上無(wú)限的續(xù)航能力。無(wú)人機(jī)母艦上可搭載多種子無(wú)人機(jī)掛載設(shè)備，使子無(wú)人機(jī)在空中可迅速切換功能。無(wú)人機(jī)航母系統(tǒng)可為無(wú)人機(jī)長(zhǎng)時(shí)間高空系留和多無(wú)人機(jī)協(xié)同工作提供了一種低成本高效能的解決方案，具有豐富的應(yīng)用場(chǎng)景，例如反恐防暴、環(huán)境監(jiān)測(cè)、農(nóng)藥噴灑、廣告宣傳、舞臺(tái)舞美等。

2 機(jī)械設(shè)計(jì)

2.1 無(wú)人機(jī)航母系統(tǒng)基本方案

無(wú)人機(jī)航母系統(tǒng)共分為三部分構(gòu)成：地面基站、無(wú)人機(jī)航母和子無(wú)人機(jī)梯隊(duì)，通過(guò)三方協(xié)作完成相應(yīng)飛行任務(wù)。無(wú)人機(jī)航母系統(tǒng)采用線纜供電的方式，即地面變電站通過(guò)線纜引出一條輸電線直通無(wú)人機(jī)航母，子無(wú)人機(jī)再通過(guò)獨(dú)立線纜從無(wú)人機(jī)航母上受電，以此具備理論上無(wú)限續(xù)航的能力。無(wú)人機(jī)航母系統(tǒng)采用子母兩級(jí)結(jié)構(gòu)，無(wú)人機(jī)航母作為空中的中繼器起到分配電流、負(fù)載子無(wú)人機(jī)、搭載工作設(shè)備等任務(wù)。子無(wú)人機(jī)集群通過(guò)其搭載的不同的設(shè)備協(xié)同或分別進(jìn)行工作，無(wú)需工作的子無(wú)人機(jī)可?？吭跓o(wú)人機(jī)航母的停機(jī)坪上。如圖1所示，當(dāng)無(wú)人機(jī)航母系統(tǒng)起飛時(shí)，子無(wú)人機(jī)均固定在無(wú)人機(jī)航母的各停機(jī)坪上，無(wú)人機(jī)航母與子無(wú)人機(jī)的各旋翼電機(jī)同時(shí)工作，帶動(dòng)系統(tǒng)整體向上爬升，固定在無(wú)人機(jī)航母上的子無(wú)人機(jī)為系統(tǒng)提供額外的升力和穩(wěn)定性。當(dāng)無(wú)人機(jī)航母系統(tǒng)整體爬升至工作高度時(shí)，無(wú)人機(jī)航母空中定位懸停（可采用氦氣球輔助提供無(wú)人機(jī)航母的升力，節(jié)省電力）并釋放子無(wú)人機(jī)，各子無(wú)人機(jī)在以無(wú)人機(jī)航母為圓心的范圍內(nèi)執(zhí)行任務(wù)，并且在工作過(guò)程中子無(wú)人機(jī)可以隨時(shí)?？吭诤侥钙脚_(tái)上待命或更換負(fù)載設(shè)備以調(diào)整子無(wú)人機(jī)的任務(wù)功能。無(wú)人機(jī)航母系統(tǒng)工作狀態(tài)如圖2所示。當(dāng)任務(wù)結(jié)束時(shí)子無(wú)人機(jī)分別降落在各自停機(jī)坪上與無(wú)人機(jī)航母一同降落至地面實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)的快速回收。

在安全方面，為防止有線供電的突發(fā)故障，無(wú)人機(jī)航母和各子無(wú)人機(jī)均安裝有備用電池，若有線供電出現(xiàn)故障各無(wú)人機(jī)突然失去動(dòng)力時(shí)，所有無(wú)人機(jī)均可自動(dòng)將供電電路切換至電池供電模式，備用電池的電量足夠使無(wú)人機(jī)航母和子無(wú)人機(jī)安全降落至地面。

無(wú)人機(jī)航母和子無(wú)人機(jī)上均搭載無(wú)線通訊模塊，可將各無(wú)人機(jī)的工作狀態(tài)實(shí)時(shí)的傳送至地面基站，同時(shí)可以接受地面基站的指揮控制，子無(wú)人機(jī)依據(jù)指令按預(yù)定軌跡飛行，并實(shí)時(shí)調(diào)整飛行姿態(tài)。

2.2 地面基站設(shè)計(jì)

地面基站由變壓器和中控主機(jī)構(gòu)成。由于無(wú)人機(jī)航母系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間工作在空中且工作時(shí)功率較大，若采用220V輸電則會(huì)導(dǎo)致較為嚴(yán)重的輸電線路上的電力損耗并且需要直徑較大的電纜，重量較大的輸電線纜將大幅降低無(wú)人機(jī)航母系統(tǒng)的有效載荷。因此，本系統(tǒng)采取電纜高壓低電流的有線直連供電方式，在市電接入線纜前用升壓器將電壓升至400V，并在無(wú)人機(jī)航母上設(shè)置有降壓器將高壓電降壓至無(wú)人機(jī)適用的電壓，以此避免不必要的電力浪費(fèi)，同時(shí)可有效降低對(duì)輸電線纜的要求，有效提高無(wú)人機(jī)航母的負(fù)載能力。地面基站的中控主機(jī)是系統(tǒng)的控制核心，用于對(duì)無(wú)人機(jī)航母和各子無(wú)人機(jī)的任務(wù)下達(dá)和數(shù)據(jù)接收。

2.3 航母設(shè)計(jì)

如圖1所示，無(wú)人機(jī)航母采用以碳纖維纏繞管和碳纖維板為主體部件的四旋翼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，碳纖維結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用能使無(wú)人機(jī)航母具有較好的結(jié)構(gòu)性能的同時(shí)降低設(shè)備自重[9]。由于無(wú)人機(jī)航母的自身體積較大且負(fù)載較多，在高空環(huán)境下風(fēng)阻較大，被風(fēng)干擾的程度會(huì)愈發(fā)明顯，因此相比于傳統(tǒng)無(wú)人機(jī)設(shè)備選用了較大功率的電機(jī)，同時(shí)設(shè)計(jì)了更大的旋翼尺寸，為每個(gè)旋翼提供較強(qiáng)的升力以抵抗外界干擾。此外設(shè)計(jì)較長(zhǎng)的旋翼支臂可以在相同的旋翼升力前提下提供更長(zhǎng)的力臂，有助于整體系統(tǒng)的空中穩(wěn)定性。在無(wú)人機(jī)航母的材質(zhì)方面，航母主體，是目前搭建無(wú)人機(jī)航母的最優(yōu)選材料。在無(wú)人機(jī)航母結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，位于對(duì)角的兩旋翼固定于同一根碳纖維管的兩端，相互水平正交的兩根碳纖維管組成了無(wú)人機(jī)航母的四個(gè)旋翼支臂結(jié)構(gòu)，并采用兩碳纖維管分別固定于一整塊碳纖維板的上下端的方式。相比于每個(gè)旋翼支撐單獨(dú)固定于主板的傳統(tǒng)四旋翼無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)，本設(shè)計(jì)對(duì)于主板幾乎不會(huì)產(chǎn)生彎矩，主要的彎矩是靠強(qiáng)韌的碳纖維管受力，因此不需增加碳纖維板的厚度和數(shù)量，同時(shí)能夠有效減輕無(wú)人機(jī)航母自身重量。表1介紹了無(wú)人機(jī)航母主要的技術(shù)參數(shù)。

無(wú)人機(jī)航母上安裝有多個(gè)供子無(wú)人機(jī)停靠和起飛的停機(jī)坪，停機(jī)坪中央安裝有電磁鐵，子無(wú)人機(jī)底部安裝有薄鐵板，可使子無(wú)人機(jī)與停機(jī)坪間進(jìn)行較大冗余度的磁力固定。當(dāng)子無(wú)人機(jī)需要固定在停機(jī)坪上時(shí)電磁鐵通電吸附子無(wú)人機(jī);而當(dāng)子無(wú)人機(jī)起飛時(shí)電磁鐵斷電，停機(jī)坪與子無(wú)人機(jī)可以迅速脫離。圖3為無(wú)人機(jī)航母系統(tǒng)整體構(gòu)造。

2.4 子無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)

如圖4所示，子無(wú)人機(jī)采用上下兩層碳纖維板加固，同樣采用四旋翼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，碳纖維管作為起落架。子無(wú)人機(jī)底部安裝有鐵質(zhì)較薄的吸附板，其安裝位置與子無(wú)人機(jī)起落架底部形成的支承平面相平。吸附板與航母停機(jī)坪上的電磁鐵可以緊密吸合，使子無(wú)人機(jī)可以在無(wú)人機(jī)航母上穩(wěn)定?？?。即使在惡劣環(huán)境下，電磁鐵提供的吸引力足以使子無(wú)人機(jī)保持固定。子無(wú)人機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

無(wú)人機(jī)航母的控制系統(tǒng)部分分為兩部分：地面站和無(wú)人機(jī)控制器。地面站主要負(fù)責(zé)無(wú)人機(jī)的控制和航線的規(guī)劃;無(wú)人機(jī)控制器主要負(fù)責(zé)獲取飛控相關(guān)信息，發(fā)送回地面站，同時(shí)解析地面站的指令并把指令發(fā)送給飛控、云臺(tái)和其他附屬設(shè)備。地面站分為三個(gè)部分，分別是地面站服務(wù)端、地面站控制端和地面站設(shè)計(jì)端，整體架構(gòu)如圖5所示。

地面站服務(wù)端作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹行?，其他各地面站和無(wú)人機(jī)控制端都直接與服務(wù)端連接。服務(wù)端主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的解析和轉(zhuǎn)發(fā);地面站控制端主要用于無(wú)人機(jī)航母系統(tǒng)的運(yùn)行調(diào)試和控制，例如查看各個(gè)飛控的運(yùn)行參數(shù)，查看各設(shè)備的發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)包等;地面站設(shè)計(jì)端主要用于多無(wú)人機(jī)軌跡的規(guī)劃設(shè)計(jì)和航母系統(tǒng)作業(yè)的啟動(dòng)運(yùn)行停止等操作。

控制系統(tǒng)的通訊采用基于TCP的Socket連接，其中地面站服務(wù)端、地面站控制端、地面站設(shè)計(jì)端和各無(wú)人機(jī)控制器連接到同一局域網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行通訊。地面站計(jì)算機(jī)和各無(wú)人機(jī)控制器之間通訊采用一個(gè)特殊設(shè)計(jì)的仿Mavlink（微型無(wú)人機(jī)通訊協(xié)議）的通訊接口協(xié)議，用于地面站對(duì)各個(gè)無(wú)人機(jī)的控制。

4 應(yīng)用場(chǎng)景

利用無(wú)人機(jī)航母系統(tǒng)的長(zhǎng)時(shí)間空中系留、子無(wú)人機(jī)功能靈活多樣、系統(tǒng)整體搭建回收速度較快的特點(diǎn)，目前無(wú)人機(jī)航母系統(tǒng)開發(fā)的應(yīng)用場(chǎng)景有應(yīng)急信號(hào)基站快速搭建、反恐防暴、舞臺(tái)舞美、農(nóng)藥噴灑、工廠監(jiān)測(cè)等。

4.1 應(yīng)急基站

當(dāng)自然災(zāi)害發(fā)生時(shí)，保證災(zāi)區(qū)的災(zāi)情和救援信息的及時(shí)傳遞以及良好通訊的通訊狀況是搶險(xiǎn)救災(zāi)的首要要求。而災(zāi)害發(fā)生后當(dāng)?shù)氐耐ㄓ嵲O(shè)施極易受到損壞，災(zāi)區(qū)變?yōu)樾畔⒐聧u，大大提高了救援難度。無(wú)人機(jī)空中航母系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)快速的應(yīng)急基站搭建，基于無(wú)人機(jī)航母系統(tǒng)搭建的應(yīng)急基站可在高空長(zhǎng)時(shí)間工作，保持信號(hào)暢通，子無(wú)人機(jī)可作為中繼站分布于峽谷、森林等信號(hào)較弱的特定區(qū)域?qū)嵤┒c(diǎn)信號(hào)增強(qiáng)。

4.2 反恐防暴

在室外大型活動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)，難以快速搭建臨時(shí)的監(jiān)控系統(tǒng)，利用無(wú)人機(jī)航母系統(tǒng)的長(zhǎng)續(xù)航和子無(wú)人機(jī)的合理排布，通過(guò)各子無(wú)人機(jī)在高空的視頻監(jiān)控，可令活動(dòng)管理者監(jiān)控活動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)每個(gè)角落，將危險(xiǎn)防患于未然。

4.3 舞臺(tái)舞美

傳統(tǒng)舞臺(tái)燈光音響設(shè)備是固定在舞臺(tái)某處的，其光源和聲源無(wú)法移動(dòng)，這就導(dǎo)致舞臺(tái)燈光音響效果的局限性。因此，在舞臺(tái)上，將燈光和音響設(shè)備掛載到無(wú)人機(jī)的云臺(tái)上，使用無(wú)人機(jī)搭載燈光和音響并多自由度移動(dòng)，給觀眾營(yíng)造出一種互動(dòng)性體驗(yàn)更好的舞臺(tái)效果。利用該系統(tǒng)的舞臺(tái)舞美的快速搭建和回收，極大的降低了人工和場(chǎng)地搭建成本。

4.4 農(nóng)藥噴灑

傳統(tǒng)農(nóng)藥噴灑需要人工或設(shè)備沿田壟依次噴灑，效率較低。采用本系統(tǒng)進(jìn)行農(nóng)藥噴灑工作時(shí)，無(wú)人機(jī)航母在高空運(yùn)行，農(nóng)藥灌可負(fù)載于無(wú)人機(jī)航母上，農(nóng)藥可通過(guò)管路分配至各個(gè)子無(wú)人機(jī)。子無(wú)人機(jī)運(yùn)行于低于航母平臺(tái)的平面，每個(gè)子無(wú)人機(jī)負(fù)責(zé)一條田壟的農(nóng)藥噴灑，系統(tǒng)工作一個(gè)周期即可實(shí)現(xiàn)整片農(nóng)田的高效率農(nóng)藥噴灑。

4.5 工廠監(jiān)測(cè)

在工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常用到有毒的化學(xué)試劑，工廠管路的泄露和工廠周圍的大氣環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)就極為重要。利用本系統(tǒng)在高空的合理排布，在子無(wú)人機(jī)上搭載的環(huán)境監(jiān)測(cè)裝置可實(shí)時(shí)監(jiān)控工廠各個(gè)方位的環(huán)境狀況并及時(shí)反饋至地面監(jiān)測(cè)人員，使工廠的環(huán)境監(jiān)測(cè)工作變得更加簡(jiǎn)單易行。

5 結(jié)束語(yǔ)

無(wú)人機(jī)行業(yè)的快速蓬勃發(fā)展與危機(jī)并存，目前階段無(wú)人機(jī)續(xù)航時(shí)間短，且充電時(shí)間明顯長(zhǎng)于工作時(shí)間，導(dǎo)致無(wú)人機(jī)單位時(shí)間內(nèi)有效工作時(shí)長(zhǎng)較短，且難以在正式場(chǎng)合實(shí)際應(yīng)用，更多的是應(yīng)用于娛樂層面。此外在無(wú)人機(jī)目前已有的應(yīng)用中，較少有多無(wú)人機(jī)協(xié)同完成的實(shí)施案例?；谀壳盁o(wú)人機(jī)的技術(shù)瓶頸，本研究提出了由子母無(wú)人機(jī)組成的航母系統(tǒng)概念及線纜供電的無(wú)人機(jī)航母系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人機(jī)航母系統(tǒng)具有理論上的無(wú)限續(xù)航能力以及小型無(wú)人機(jī)集群在空中航母上的搭載、起飛和降落的功能。配合無(wú)人機(jī)母艦上搭載的多種子無(wú)人機(jī)掛載設(shè)備，使無(wú)人機(jī)航母系統(tǒng)具有多功能性、強(qiáng)應(yīng)用性的特點(diǎn)。無(wú)人機(jī)航母系統(tǒng)的出現(xiàn)將在一定程度上豐富現(xiàn)有無(wú)人機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)景，有助于無(wú)人機(jī)發(fā)展成為具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的并能協(xié)助生產(chǎn)生活的一種難以替代的特殊飛行設(shè)備。

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