洪 宸，付仲良

（1.華中科技大學(xué)附屬中學(xué)，湖北 武漢 430074； 2.武漢大學(xué)遙感信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430079）

無(wú)人機(jī)是利用無(wú)線電設(shè)備與程序控制裝置操控的飛機(jī)，包括無(wú)人直升機(jī)、多旋翼無(wú)人機(jī)等，可以完成復(fù)雜的空中飛行任務(wù)和各種負(fù)載任務(wù)［1］。上世紀(jì)30年代以來(lái)，國(guó)外首次采用無(wú)線電操控飛機(jī)模型作為靶機(jī)，隨后無(wú)人機(jī)的發(fā)展十分迅速，中國(guó)對(duì)無(wú)人機(jī)的研制與開(kāi)發(fā)也加快了步伐［2］。然而，一些企業(yè)、個(gè)人的小微型無(wú)人機(jī)違規(guī)飛行時(shí)常發(fā)生，引發(fā)空中險(xiǎn)情，甚至危及軍民航飛安全和公共安全［3］。

1 對(duì)無(wú)人機(jī)違規(guī)飛行的應(yīng)對(duì)

隨著無(wú)人機(jī)的廣泛應(yīng)用，部分無(wú)人機(jī)違規(guī)飛行造成的險(xiǎn)情不斷增加。為此，美國(guó)不僅設(shè)置了無(wú)人機(jī)禁飛區(qū)，對(duì)違規(guī)飛行人員實(shí)行重罰和刑事指控，同時(shí)對(duì)小型無(wú)人機(jī)要求實(shí)名注冊(cè)。澳大利亞官方規(guī)定普通無(wú)人機(jī)的飛行高度必須在120 m之內(nèi)。荷蘭警方專(zhuān)門(mén)訓(xùn)練老鷹將無(wú)人機(jī)當(dāng)作獵物去捕捉。法國(guó)空軍成立金雕培訓(xùn)小組，利用具有兇猛捕獵能力的金雕控制違規(guī)飛行的無(wú)人機(jī)。

我國(guó)民用機(jī)場(chǎng)管理?xiàng)l例規(guī)定，機(jī)場(chǎng)跑道中心線兩側(cè)各10 km、跑道端外20 km的區(qū)域?yàn)?“凈空區(qū)”，凈空區(qū)內(nèi)禁止無(wú)人機(jī)、風(fēng)箏、孔明燈等飛行物，一旦抓獲，將處以2萬(wàn)元以上10萬(wàn)元以下的罰款。如果施放的飛行器影響到航班安全或者帶來(lái)安全事故，最高量刑可至死刑。無(wú)人機(jī)飛行，即使在凈空區(qū)以外區(qū)域，也必須具備相應(yīng)條件。依據(jù)《民用無(wú)人駕駛航空器系統(tǒng)駕駛員管理暫行規(guī)定》、《中華人民共和國(guó)飛行基本規(guī)則》、《民用無(wú)人駕駛航空器實(shí)名登記管理規(guī)定》，使用者不僅須持民用無(wú)人機(jī)駕駛執(zhí)照［4］，飛行前還必須向空管部門(mén)提出申請(qǐng)，經(jīng)批準(zhǔn)后方可實(shí)施［5,6］。

2 捕捉型無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)身的設(shè)計(jì)

機(jī)身結(jié)構(gòu)應(yīng)高度一體化，具備防水、防雷、抗風(fēng)、抗摔、抗磁的性能［7］。機(jī)身重量也是影響其續(xù)航能力的主要因素，其動(dòng)力系統(tǒng)在整機(jī)重量中占了很大比例。機(jī)身材料方面，在保證強(qiáng)度和穩(wěn)定性的前提下，優(yōu)先選擇密度小的材料。相同重量下，尺寸與速度、能耗成反比，因此在進(jìn)行機(jī)身設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮空氣動(dòng)力學(xué)，采用科學(xué)的最優(yōu)化設(shè)計(jì)，確保飛行穩(wěn)定性。此外，機(jī)身受到的空氣阻力作用和能耗之間的關(guān)系也不容忽視。

機(jī)身采用多旋翼設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)速極高，故有外殼保護(hù)裝置，保護(hù)人員安全。多旋翼機(jī)身多采用蓄電池供電，而充電過(guò)程需要時(shí)間，這也是影響無(wú)人機(jī)使用率的因素之一。隨著科技的發(fā)展，無(wú)線充電技術(shù)和快速充電技術(shù)將步入實(shí)用階段，將這兩項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用到無(wú)人機(jī)，其使用率會(huì)得到大幅提高。

如圖1所示，在支撐器（1）的下部前面和側(cè)面分別設(shè)置第一距離傳感器（7）和第二距離傳感器（2）；支撐器頂部均勻設(shè)置不少于4個(gè)螺旋槳電機(jī)（9），螺旋槳電機(jī)上方設(shè)置螺旋槳（8）；支撐器下方設(shè)置支撐腿（6），支撐腿下端設(shè)置防震墊片（5）；支撐器下端中央設(shè)置中空的氣囊彈射器（3）；氣囊彈射器下端設(shè)置蓋子（4），內(nèi)層設(shè)置與氣囊彈射器內(nèi)壁緊貼的氣體發(fā)生材料層（14），上端設(shè)置點(diǎn)火裝置（17），點(diǎn)火裝置通過(guò)導(dǎo)線（16）連接支撐器內(nèi)部設(shè)置的微處理器，氣囊彈射器的下端設(shè)置過(guò)濾網(wǎng)（15）；支撐器的內(nèi)部設(shè)置微處理器和電源，第一距離傳感器（7）、第二距離傳感器（2）、螺旋槳電機(jī)（9）、點(diǎn)火裝置（17）連接微處理器；在氣囊彈射器的下側(cè)設(shè)置與氣囊彈射器中空部分連通的氣囊（10），下端四周均勻設(shè)置不少于4條彈力線（11），在彈力線末端設(shè)置彈力球（12），在彈力球內(nèi)部設(shè)置磁鐵（13）。

圖1 捕捉型無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 無(wú)人機(jī)捕獲裝置開(kāi)始捕獲時(shí)的結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 捕捉裝置設(shè)計(jì)

1）如圖2所示，在支撐器1的下端中央設(shè)置中空氣囊彈射器3；氣囊彈射器下端設(shè)置蓋子4，內(nèi)層設(shè)置與氣囊彈射器內(nèi)壁緊貼的氣體發(fā)生材料層14，上端設(shè)置點(diǎn)火裝置17，點(diǎn)火裝置通過(guò)導(dǎo)線16連接支撐器內(nèi)部設(shè)置的微處理器；所述氣囊彈射器的下端設(shè)置過(guò)濾網(wǎng)15，下側(cè)設(shè)置與氣囊彈射器中空部分連通的氣囊10，在氣囊彈射器下端四周均勻設(shè)置不少于4條彈力線11，在彈力線末端設(shè)置彈力球12，在所述彈力球的內(nèi)部設(shè)置磁鐵13。當(dāng)本無(wú)人機(jī)捕獲裝置到達(dá)適合的位置時(shí)，點(diǎn)火裝置17點(diǎn)火，氣體發(fā)生材料層14在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量氣體，使得氣囊10迅速通氣膨脹，頂開(kāi)蓋子4，并將彈力線11和彈力球12向目標(biāo)無(wú)人機(jī)彈射，使彈力線11和彈力球12將目標(biāo)無(wú)人機(jī)纏繞，從而實(shí)現(xiàn)捕獲功能。所述彈力球的內(nèi)部設(shè)置磁鐵13使得彈力球之間互相吸引，使纏繞緊固。當(dāng)違規(guī)飛行無(wú)人機(jī)旋翼停止旋轉(zhuǎn)失去動(dòng)力或動(dòng)力不足，捕捉無(wú)人機(jī)即可將其吊行至指定地點(diǎn)。

若違規(guī)無(wú)人機(jī)自重大于捕捉無(wú)人機(jī)動(dòng)力，發(fā)生下墜情況時(shí)，捕捉裝置的繩索可自動(dòng)脫離捕捉無(wú)人機(jī)，使違規(guī)無(wú)人機(jī)自由落體，保證捕捉無(wú)人機(jī)的安全。

2）機(jī)身配備電子干擾設(shè)備，通過(guò)干擾違規(guī)無(wú)人機(jī)的航線設(shè)計(jì)和指令，短時(shí)間內(nèi)改變其飛行路線，使其飛行、降落至指定地點(diǎn)。

3）若因捕捉帶來(lái)故障，設(shè)計(jì)了保險(xiǎn)裝置可讓無(wú)人機(jī)飛回基地。捕捉過(guò)程中，某種因素觸發(fā)開(kāi)啟該裝置，捕捉無(wú)人機(jī)立刻切斷外界通訊，執(zhí)行強(qiáng)制返回指令，并且安全、緩慢地降落至基地。此外，還配備了降落傘裝置，當(dāng)機(jī)身失重下墜時(shí)，可立即開(kāi)啟降落傘，保障執(zhí)法、搜救和救援的開(kāi)展。

2.3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

無(wú)人機(jī)要在復(fù)雜條件下完成自主導(dǎo)航，必須具備環(huán)境感知能力和學(xué)習(xí)適應(yīng)能力。分配、應(yīng)急處理、協(xié)調(diào)、目標(biāo)識(shí)別、通訊是自主飛行系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，通過(guò)黑匣子系統(tǒng)裝置，飛行數(shù)據(jù)得以收集。調(diào)度中心將飛行數(shù)據(jù)處理和分析，建立大數(shù)據(jù)云。一旦發(fā)生緊急情況，無(wú)人機(jī)可把現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳回調(diào)度中心，通過(guò)與云數(shù)據(jù)比對(duì)分析，作出應(yīng)急反應(yīng)。隨著飛行時(shí)間的增長(zhǎng)和飛行環(huán)境的增多，捕捉型無(wú)人機(jī)持續(xù)、反復(fù)學(xué)習(xí)，進(jìn)而變得更加智能化。

2.4 控制基站的設(shè)計(jì)

通過(guò)專(zhuān)有基站進(jìn)行通信，建立專(zhuān)有通信網(wǎng)，采用數(shù)字加密信號(hào)，從而確保捕捉型無(wú)人機(jī)通信系統(tǒng)的穩(wěn)定。在專(zhuān)有通信網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，無(wú)人機(jī)還可緊急啟用第二種通信方式，即調(diào)用民用4G通信網(wǎng)絡(luò)來(lái)聯(lián)通無(wú)人機(jī)，保證飛行安全。

另外，城市用地十分緊張，對(duì)于已建成的居民區(qū)而言，可利用的公共空間越來(lái)越少。專(zhuān)有基站的設(shè)計(jì)不僅降低空間占用率，也做到功能整合，使其成為城市公共設(shè)施，兼顧城市景觀，外觀設(shè)計(jì)上符合大眾審美需求，達(dá)到美觀性、標(biāo)志性的要求。

3 結(jié) 語(yǔ)

無(wú)人機(jī)及其系統(tǒng)本身具有很大的拓展空間，潛在的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值巨大。隨著新材料、電池和導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展，多旋翼無(wú)人機(jī)用于捕捉違規(guī)無(wú)人機(jī)將成為可能。

[1] 本刊綜合．無(wú)人機(jī)飛入百姓家[J]．發(fā)明與創(chuàng)新,2016(1):4-9

[2] 李磊,熊濤,胡湘陽(yáng),等．淺論無(wú)人機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域及前景[J]．地理空間信息,2010(5）:7-9

[3] 本刊編輯部．無(wú)人機(jī)“黑飛”引發(fā)關(guān)注[J]．人民公安,2015(22):35

[4] 民用無(wú)人駕駛航空器系統(tǒng)駕駛員管理暫行規(guī)定[S]．

[5] 中華人民共和國(guó)飛行基本規(guī)則[S]．

[6] 民用無(wú)人駕駛航空器實(shí)名登記管理規(guī)定[S]．

[7] 杜洋,劉洪辰．自動(dòng)化無(wú)人機(jī)快遞配送系統(tǒng)研究[J]．科技傳播,2016(5):96-97