馬昊鵬 劉由之 李榮軍 閻華 楊衛(wèi)民

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

關(guān)鍵詞：無人機航母;長續(xù)航;子母機架構(gòu);協(xié)同工作;系留系統(tǒng)

中圖分類號：V279 文獻標識碼：A 文章編號：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

無人機作為一個新興行業(yè)，具有廣泛的應(yīng)用范圍和巨大的潛在價值，世界各國都在大力扶植無人機的相關(guān)研究。無人機可應(yīng)用范圍較廣，在軍事方面，無人機可用于偵察、搜索、監(jiān)視、通信中繼、電子對抗、火力制導、戰(zhàn)果評估和早期預(yù)警等領(lǐng)域;在民用領(lǐng)域，無人機可用于農(nóng)業(yè)植保、電力巡檢、環(huán)境監(jiān)測、地質(zhì)勘探、快遞運輸?shù)确矫鎇1]。2018年6月舉辦的2018世界無人機大會預(yù)測，未來5年，全球商業(yè)無人機行業(yè)將保持迅猛發(fā)展，到2020年市場總值將達到150億美元。根據(jù)FAA（Federal Aviation Administration）預(yù)測，2020年美國境內(nèi)將會擁有超過700萬臺的無人機。此外，我國的無人機領(lǐng)域也發(fā)展極為迅猛，根據(jù)中國民航局2019年1月25日消息稱，截至2018年底，無人機實名登記信息系統(tǒng)顯示，中國已經(jīng)登記注冊約28.5萬架無人機，各類無人機型號3720個。

在無人機蓬勃發(fā)展的背景下無人機存在的技術(shù)瓶頸同樣不容忽視。目前大多無人機續(xù)航時間短且承載能力有限[2]，極大的限制了無人機的應(yīng)用場景，同時也對無人機產(chǎn)業(yè)未來的發(fā)展有較為明顯的阻礙作用。在無人機目前已有的應(yīng)用中，無人機間協(xié)同完成的應(yīng)用較少[3]。目前無人機集群展示度最高的即基于無人機集群控制的燈光秀，近段時間在全國各地頻繁上演，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。單架無人機的應(yīng)用局限性較大，而無人機群具有靈活性高、體系配合能力強、相對成本低等優(yōu)點，所以各國不僅研究如何提高單架無人機的各方面性能，同時也在著力發(fā)展無人機的集群釋放、集群控制、集群應(yīng)用[4-8]。美國國防部在 《無人機系統(tǒng)路線圖 2005-2030》也指出，2025 年以后，無人機將具有集群戰(zhàn)場認知能力，實現(xiàn)完全自組織作戰(zhàn)[9]。我國國內(nèi)各科研院校也均對無人機集群的應(yīng)用和控制方面進行了相關(guān)研究[10-13]。

基于目前無人機的技術(shù)瓶頸和應(yīng)用局限，本研究提出使用一臺大型無人機作為無人機母艦，其上可實現(xiàn)小型無人機的搭載、起飛和降落。無人機母艦作為空中中轉(zhuǎn)站可將來自地面輸電電纜的電能均勻分配至各子無人機上并為其提供理論上無限的續(xù)航能力。無人機母艦上可搭載多種子無人機掛載設(shè)備，使子無人機在空中可迅速切換功能。無人機航母系統(tǒng)可為無人機長時間高空系留和多無人機協(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)用場景，例如反恐防暴、環(huán)境監(jiān)測、農(nóng)藥噴灑、廣告宣傳、舞臺舞美等。

2 機械設(shè)計

2.1 無人機航母系統(tǒng)基本方案

無人機航母系統(tǒng)共分為三部分構(gòu)成：地面基站、無人機航母和子無人機梯隊，通過三方協(xié)作完成相應(yīng)飛行任務(wù)。無人機航母系統(tǒng)采用線纜供電的方式，即地面變電站通過線纜引出一條輸電線直通無人機航母，子無人機再通過獨立線纜從無人機航母上受電，以此具備理論上無限續(xù)航的能力。無人機航母系統(tǒng)采用子母兩級結(jié)構(gòu)，無人機航母作為空中的中繼器起到分配電流、負載子無人機、搭載工作設(shè)備等任務(wù)。子無人機集群通過其搭載的不同的設(shè)備協(xié)同或分別進行工作，無需工作的子無人機可?？吭跓o人機航母的停機坪上。如圖1所示，當無人機航母系統(tǒng)起飛時，子無人機均固定在無人機航母的各停機坪上，無人機航母與子無人機的各旋翼電機同時工作，帶動系統(tǒng)整體向上爬升，固定在無人機航母上的子無人機為系統(tǒng)提供額外的升力和穩(wěn)定性。當無人機航母系統(tǒng)整體爬升至工作高度時，無人機航母空中定位懸停（可采用氦氣球輔助提供無人機航母的升力，節(jié)省電力）并釋放子無人機，各子無人機在以無人機航母為圓心的范圍內(nèi)執(zhí)行任務(wù)，并且在工作過程中子無人機可以隨時停靠在航母平臺上待命或更換負載設(shè)備以調(diào)整子無人機的任務(wù)功能。無人機航母系統(tǒng)工作狀態(tài)如圖2所示。當任務(wù)結(jié)束時子無人機分別降落在各自停機坪上與無人機航母一同降落至地面實現(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，無人機航母和各子無人機均安裝有備用電池，若有線供電出現(xiàn)故障各無人機突然失去動力時，所有無人機均可自動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人機航母和子無人機安全降落至地面。

無人機航母和子無人機上均搭載無線通訊模塊，可將各無人機的工作狀態(tài)實時的傳送至地面基站，同時可以接受地面基站的指揮控制，子無人機依據(jù)指令按預(yù)定軌跡飛行，并實時調(diào)整飛行姿態(tài)。

2.2 地面基站設(shè)計

地面基站由變壓器和中控主機構(gòu)成。由于無人機航母系統(tǒng)長時間工作在空中且工作時功率較大，若采用220V輸電則會導致較為嚴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人機航母系統(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，并在無人機航母上設(shè)置有降壓器將高壓電降壓至無人機適用的電壓，以此避免不必要的電力浪費，同時可有效降低對輸電線纜的要求，有效提高無人機航母的負載能力。地面基站的中控主機是系統(tǒng)的控制核心，用于對無人機航母和各子無人機的任務(wù)下達和數(shù)據(jù)接收。

2.3 航母設(shè)計

如圖1所示，無人機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，碳纖維結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用能使無人機航母具有較好的結(jié)構(gòu)性能的同時降低設(shè)備自重[9]。由于無人機航母的自身體積較大且負載較多，在高空環(huán)境下風阻較大，被風干擾的程度會愈發(fā)明顯，因此相比于傳統(tǒng)無人機設(shè)備選用了較大功率的電機，同時設(shè)計了更大的旋翼尺寸，為每個旋翼提供較強的升力以抵抗外界干擾。此外設(shè)計較長的旋翼支臂可以在相同的旋翼升力前提下提供更長的力臂，有助于整體系統(tǒng)的空中穩(wěn)定性。在無人機航母的材質(zhì)方面，航母主體，是目前搭建無人機航母的最優(yōu)選材料。在無人機航母結(jié)構(gòu)設(shè)計上，位于對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人機航母的四個旋翼支臂結(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。相比于每個旋翼支撐單獨固定于主板的傳統(tǒng)四旋翼無人機結(jié)構(gòu)，本設(shè)計對于主板幾乎不會產(chǎn)生彎矩，主要的彎矩是靠強韌的碳纖維管受力，因此不需增加碳纖維板的厚度和數(shù)量，同時能夠有效減輕無人機航母自身重量。表1介紹了無人機航母主要的技術(shù)參數(shù)。

無人機航母上安裝有多個供子無人機停靠和起飛的停機坪，停機坪中央安裝有電磁鐵，子無人機底部安裝有薄鐵板，可使子無人機與停機坪間進行較大冗余度的磁力固定。當子無人機需要固定在停機坪上時電磁鐵通電吸附子無人機;而當子無人機起飛時電磁鐵斷電，停機坪與子無人機可以迅速脫離。圖3為無人機航母系統(tǒng)整體構(gòu)造。

2.4 子無人機設(shè)計

如圖4所示，子無人機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，碳纖維管作為起落架。子無人機底部安裝有鐵質(zhì)較薄的吸附板，其安裝位置與子無人機起落架底部形成的支承平面相平。吸附板與航母停機坪上的電磁鐵可以緊密吸合，使子無人機可以在無人機航母上穩(wěn)定?？俊＜词乖趷毫迎h(huán)境下，電磁鐵提供的吸引力足以使子無人機保持固定。子無人機主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

無人機航母的控制系統(tǒng)部分分為兩部分：地面站和無人機控制器。地面站主要負責無人機的控制和航線的規(guī)劃;無人機控制器主要負責獲取飛控相關(guān)信息，發(fā)送回地面站，同時解析地面站的指令并把指令發(fā)送給飛控、云臺和其他附屬設(shè)備。地面站分為三個部分，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?，其他各地面站和無人機控制端都直接與服務(wù)端連接。服務(wù)端主要負責數(shù)據(jù)的解析和轉(zhuǎn)發(fā);地面站控制端主要用于無人機航母系統(tǒng)的運行調(diào)試和控制，例如查看各個飛控的運行參數(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)計端主要用于多無人機軌跡的規(guī)劃設(shè)計和航母系統(tǒng)作業(yè)的啟動運行停止等操作。

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)計端和各無人機控制器連接到同一局域網(wǎng)內(nèi)進行通訊。地面站計算機和各無人機控制器之間通訊采用一個特殊設(shè)計的仿Mavlink（微型無人機通訊協(xié)議）的通訊接口協(xié)議，用于地面站對各個無人機的控制。

4 應(yīng)用場景

利用無人機航母系統(tǒng)的長時間空中系留、子無人機功能靈活多樣、系統(tǒng)整體搭建回收速度較快的特點，目前無人機航母系統(tǒng)開發(fā)的應(yīng)用場景有應(yīng)急信號基站快速搭建、反恐防暴、舞臺舞美、農(nóng)藥噴灑、工廠監(jiān)測等。

4.1 應(yīng)急基站

當自然災(zāi)害發(fā)生時，保證災(zāi)區(qū)的災(zāi)情和救援信息的及時傳遞以及良好通訊的通訊狀況是搶險救災(zāi)的首要要求。而災(zāi)害發(fā)生后當?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。無人機空中航母系統(tǒng)可以實現(xiàn)快速的應(yīng)急基站搭建，基于無人機航母系統(tǒng)搭建的應(yīng)急基站可在高空長時間工作，保持信號暢通，子無人機可作為中繼站分布于峽谷、森林等信號較弱的特定區(qū)域?qū)嵤┒c信號增強。

4.2 反恐防暴

在室外大型活動現(xiàn)場，難以快速搭建臨時的監(jiān)控系統(tǒng)，利用無人機航母系統(tǒng)的長續(xù)航和子無人機的合理排布，通過各子無人機在高空的視頻監(jiān)控，可令活動管理者監(jiān)控活動現(xiàn)場每個角落，將危險防患于未然。

4.3 舞臺舞美

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

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)進行農(nóng)藥噴灑工作時，無人機航母在高空運行，農(nóng)藥灌可負載于無人機航母上，農(nóng)藥可通過管路分配至各個子無人機。子無人機運行于低于航母平臺的平面，每個子無人機負責一條田壟的農(nóng)藥噴灑，系統(tǒng)工作一個周期即可實現(xiàn)整片農(nóng)田的高效率農(nóng)藥噴灑。

4.5 工廠監(jiān)測

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

5 結(jié)束語

無人機行業(yè)的快速蓬勃發(fā)展與危機并存，目前階段無人機續(xù)航時間短，且充電時間明顯長于工作時間，導致無人機單位時間內(nèi)有效工作時長較短，且難以在正式場合實際應(yīng)用，更多的是應(yīng)用于娛樂層面。此外在無人機目前已有的應(yīng)用中，較少有多無人機協(xié)同完成的實施案例?；谀壳盁o人機的技術(shù)瓶頸，本研究提出了由子母無人機組成的航母系統(tǒng)概念及線纜供電的無人機航母系統(tǒng)，實現(xiàn)了無人機航母系統(tǒng)具有理論上的無限續(xù)航能力以及小型無人機集群在空中航母上的搭載、起飛和降落的功能。配合無人機母艦上搭載的多種子無人機掛載設(shè)備，使無人機航母系統(tǒng)具有多功能性、強應(yīng)用性的特點。無人機航母系統(tǒng)的出現(xiàn)將在一定程度上豐富現(xiàn)有無人機的應(yīng)用場景，有助于無人機發(fā)展成為具有實際應(yīng)用價值的并能協(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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