管宇鋒，李煦凱，陳培全

1.中國電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所

2.河南師范大學(xué)

本文介紹無人機(jī)自動機(jī)場的優(yōu)勢、典型應(yīng)用場景及組成，總結(jié)無人機(jī)自動機(jī)場關(guān)鍵技術(shù)，分析無人機(jī)自動機(jī)場在應(yīng)用中存在的問題，并對其未來發(fā)展進(jìn)行展望。

隨著無人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，小型無人機(jī)系統(tǒng)在偵察、監(jiān)視、打擊、邊境巡邏、電力線路巡檢、農(nóng)業(yè)植保，城市安防等軍事與民用領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但是，小型無人機(jī)系統(tǒng)也存在一些問題。

首先，小型無人機(jī)特別是電動多旋翼無人機(jī)，其續(xù)航時間短，須頻繁更換電池。

第二，小型無人機(jī)須要專業(yè)無人機(jī)操控員操控和維護(hù)，長時間、高頻次的作業(yè)所須人力成本居高不下。

無人機(jī)自動機(jī)場的優(yōu)勢

為解決上述問題，針對特定使用場景且可自動充電、換電的無人機(jī)自動機(jī)場應(yīng)運(yùn)而生，并擁有諸多優(yōu)點(diǎn)。

一是為小型無人機(jī)提供自動充當(dāng)換電方案，使無人機(jī)能迅速升空并執(zhí)行任務(wù)，極大提高了作業(yè)效率。

二是提供一種全自主作業(yè)方式。自動機(jī)場中的無人機(jī)不再須要專業(yè)操控員控制和維護(hù)，其作業(yè)時間不受人員生理極限等因素的限制，可以開展全天時飛行作業(yè)，極大降低了無人機(jī)運(yùn)營成本的人力成本。

三是在任務(wù)現(xiàn)場部署無人機(jī)自動機(jī)場，小型無人機(jī)能快速應(yīng)對突發(fā)事件，極大提升了無人機(jī)的快速響應(yīng)能力。

典型應(yīng)用場景

第一，無人機(jī)自動機(jī)場可部署在偏遠(yuǎn)、不適合人類長期生活的地區(qū)，為無人機(jī)執(zhí)行石油管道巡檢、電力線路巡檢、光伏電站巡檢等任務(wù)創(chuàng)造條件。

第二，在無人機(jī)自動機(jī)場支持下，無人機(jī)能對城市交通巡邏等任務(wù)做出快速響應(yīng)。

第三，無人機(jī)自動機(jī)場可提供7×24h作業(yè)服務(wù)，無人機(jī)進(jìn)而能承擔(dān)邊境巡邏、海上巡邏、緝私巡邏等任務(wù)。

圖1 “無人機(jī)亭”無人機(jī)自動機(jī)場。

國外無人機(jī)自動機(jī)場產(chǎn)品

新加坡H3動力公司“無人機(jī)亭”自動機(jī)場

新加坡H3動力公司（H3Dynamics）公司“無人機(jī)亭”（Dronebox）無人機(jī)自動機(jī)場采用無線充電方式對無人機(jī)進(jìn)行充電。整個系統(tǒng)使用內(nèi)置儲能電池，利用太陽能電池陣列收集能源，并將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，給無人機(jī)供電，并配置了備用氫燃料電池，當(dāng)遇到陰雨天，太陽能電池?zé)o法提供電能時，無人機(jī)自動機(jī)場也能正常工作。

以色列空中機(jī)器人公司無人機(jī)自動機(jī)場

以色列空中機(jī)器人（Airobotics）公司開發(fā)的無人機(jī)自動機(jī)場具有自動更換電池、自動更換任務(wù)載荷的功能。其中，無人機(jī)平臺的降落定位精度可達(dá)5cm，搭載1kg任務(wù)載荷能飛行30min，并配備有應(yīng)急降落傘，在緊急情況下，傘降機(jī)構(gòu)被觸動后可確保無人機(jī)安全降落。

圖2 空中機(jī)器人公司開發(fā)的無人機(jī)自動機(jī)場。

無人機(jī)自動機(jī)場的組成

無人機(jī)自動機(jī)場主要由無人機(jī)系統(tǒng)、起降系統(tǒng)以及后臺綜合管理系統(tǒng)三部分組成，其具體組成詳見圖3。

無人機(jī)系統(tǒng)

無人機(jī)系統(tǒng)由無人機(jī)平臺、任務(wù)載荷、機(jī)載通信系統(tǒng)、機(jī)載充電與換電裝置組成。其中，機(jī)載充電裝置用于充電型無人機(jī)，由起落架上安裝的接觸裝置或者無線充電接收裝置組成。換電裝置用于換電型無人機(jī)，它位于機(jī)身內(nèi)部，用來固定電池，換電裝置既要保證無人機(jī)飛行過程中電池安裝牢固，又要保證換電操作時機(jī)械臂可以順利將電池取出。

起降系統(tǒng)

在非任務(wù)期間，起降系統(tǒng)為備用電池充電，并使系統(tǒng)內(nèi)部保持恒定的溫度和濕度；在任務(wù)期間，起降系統(tǒng)監(jiān)控?zé)o人機(jī)起降與作業(yè)，并完成無人機(jī)充電或換電操作。綜合管理控制系統(tǒng)實(shí)時對整個系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行檢測與管理，并接受后臺綜合管理系統(tǒng)的監(jiān)管與調(diào)度。圖4是幾種典型起降系統(tǒng)。

下面介紹起降系統(tǒng)的組成及功能。

（1）艙門開關(guān)裝置

艙門開關(guān)裝置對起降系統(tǒng)進(jìn)行密封保護(hù)，其常用開關(guān)方式有上部開放式、側(cè)面開放式、三面開放式。

（2）無人機(jī)停機(jī)坪

停機(jī)坪一般設(shè)有引導(dǎo)標(biāo)識，無人機(jī)采用視覺導(dǎo)航技術(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)降落。

（3）停機(jī)坪升降裝置

該裝置對停機(jī)坪的升起以及收回進(jìn)行控制。

（4）無人機(jī)歸位裝置

無人機(jī)降落在停機(jī)坪的位置會存在誤差，而無人機(jī)充電和換電操作須要精確的相對位置。歸位裝置能將無人機(jī)移動到準(zhǔn)確的位置，使無人機(jī)完成充電和換電操作。

（5）充電與換電裝置

換電式自動機(jī)場一般采用高精度機(jī)械臂進(jìn)行換電操作，充電式自動機(jī)場由接觸式探針或者無線充電裝置組成。

（6）溫濕度控制系統(tǒng)

溫濕度控制系統(tǒng)使起降系統(tǒng)內(nèi)部環(huán)境保持恒定的溫度和濕度，確保無人機(jī)以及電池等設(shè)備正常工作。

（7）內(nèi)部視頻監(jiān)視系統(tǒng)

該系統(tǒng)可監(jiān)視起降系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)備的運(yùn)行狀況，為操作人員進(jìn)行遠(yuǎn)程故障診斷提供支持。

（8）平臺供電系統(tǒng)

平臺供電系統(tǒng)為整個無人機(jī)自動機(jī)場提供電力，一般采用市電接入方式供電。對于無市電接入的部署位置，使用太陽能、風(fēng)能提供電力能源。

圖3 無人機(jī)自動機(jī)場組成框架圖。

圖4 幾種典型起降系統(tǒng)。

圖5 無人機(jī)歸位裝置。

（9）外部避雷裝置

該裝置用于雷雨天氣避雷，保障無人機(jī)自動機(jī)場安全運(yùn)行。

（10）風(fēng)速風(fēng)向測量裝置

該裝置用于風(fēng)速、風(fēng)向等氣象信息測量，保證無人機(jī)安全起降與作業(yè)。

（11）外部視頻監(jiān)視系統(tǒng)

外部視頻監(jiān)視系統(tǒng)對起降系統(tǒng)及其周圍環(huán)境進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視，起安全保護(hù)作用。

（12）綜合管理控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)對整個自動機(jī)場進(jìn)行管理，涉及無人機(jī)起降、充電、通信、任務(wù)規(guī)劃等方面的管理。

（13）地面通信系統(tǒng)

地面通信系統(tǒng)為起降系統(tǒng)、無人機(jī)與后臺管理系統(tǒng)提供信息通信支持。

后臺綜合管理系統(tǒng)

后臺綜合管理系統(tǒng)對部署在遠(yuǎn)端的無人機(jī)自動機(jī)場進(jìn)行飛行管理、任務(wù)調(diào)度、運(yùn)行狀態(tài)檢測、遠(yuǎn)程故障診斷等一系列操作。

圖6 無人機(jī)自動機(jī)場后臺云監(jiān)管系統(tǒng)。

圖7 無人機(jī)機(jī)載無線充電裝置。

無人機(jī)自動機(jī)場的關(guān)鍵技術(shù)

精準(zhǔn)定位技術(shù)

由于無人機(jī)降落位置受起降系統(tǒng)尺寸的限制，無人機(jī)降落定位精度須控制在30cm以內(nèi)。小型無人機(jī)定位一般依賴于GPS，普通單點(diǎn)GPS水平定位圓概率誤差（CEP）為1.5m。這種精度顯然無法滿足無人機(jī)在自動機(jī)場降落的定位要求，無人機(jī)須借助其他技術(shù)提高降落定位精度。目前，應(yīng)用較多的無人機(jī)精準(zhǔn)降落定位技術(shù)主要有實(shí)時差分定位技術(shù)和視覺導(dǎo)航技術(shù)。

基于RTK（Real Time Kinematic）的實(shí)時動態(tài)測量技術(shù)引導(dǎo)無人機(jī)精準(zhǔn)降落，無人機(jī)的相對定位精度可達(dá)厘米級。當(dāng)無人機(jī)采用視覺導(dǎo)航技術(shù)進(jìn)行降落時，無人機(jī)機(jī)載圖像識別設(shè)備可識別和檢測起降系統(tǒng)的特定標(biāo)志物，并計(jì)算無人機(jī)的相對位姿，飛控計(jì)算機(jī)根據(jù)相對位姿信息控制無人機(jī)精準(zhǔn)降落。

自動充電與換電技術(shù)

目前，無人機(jī)自動機(jī)場采用自動充電與換電技術(shù)方案。

（1）充電式自動機(jī)場

充電式自動機(jī)場無須更換無人機(jī)的電池。在起降系統(tǒng)內(nèi)部降落并被準(zhǔn)確定位后，無人機(jī)利用機(jī)載接觸裝置給電池充電。另外，無人機(jī)機(jī)載無線充電接收裝置也可為電池充電。

由于電池充電受快充技術(shù)、電池散熱等因素的制約，電池充電時間一般較長，而采用無線充電技術(shù)的電池，其充電時間更長。因此，充電式自動機(jī)場亟須解決電池充電時間長的問題。

（2）換電式自動機(jī)場

無人機(jī)在換電式自動機(jī)場降落后，起降系統(tǒng)內(nèi)部的高精度機(jī)械臂從無人機(jī)上取下電池，并置入電池存儲艙中，然后從電池存儲艙中取出滿電的電池，安裝在無人機(jī)上，換電時間較短，整個換電過程僅3min左右。無人機(jī)完成換電操作后可快速起飛執(zhí)行任務(wù)。

換電方式對機(jī)械臂運(yùn)動路徑、重復(fù)運(yùn)動精度有較高要求。無人機(jī)電池存儲艙結(jié)構(gòu)應(yīng)采用合理的設(shè)計(jì)，機(jī)械臂應(yīng)具有精準(zhǔn)運(yùn)動軌跡，這樣才能保證機(jī)械臂以最輕量化方案和最佳運(yùn)動路徑、最短運(yùn)行時間更換電池。如果機(jī)械臂重復(fù)運(yùn)動的精度達(dá)不到要求，機(jī)械抓手則可能對無人機(jī)造成破壞。

圖8 一種換電裝置的機(jī)械臂。

圖9 某無人機(jī)槳葉未定向外包絡(luò)尺寸與槳葉被定向后的外包絡(luò)尺寸對比圖。

槳葉停轉(zhuǎn)位置鎖定技術(shù)

電動多旋翼無人機(jī)一般采用無刷電機(jī)提供動力。無人機(jī)每次停機(jī)后，其槳葉的位置具有隨機(jī)性。而起降系統(tǒng)的最小尺寸應(yīng)滿足無人機(jī)外包絡(luò)尺寸的要求。多旋翼無人機(jī)降落后，使用螺旋槳定向裝置可以精確控制槳葉停止旋轉(zhuǎn)的位置，進(jìn)而減小外包絡(luò)尺寸。圖9為某型無人機(jī)采用定向包絡(luò)手段后，其外包絡(luò)尺寸比正常外包絡(luò)尺寸減小38.7%。外包絡(luò)尺寸減小，可以減小起降系統(tǒng)的尺寸和重量，降低安裝場地的條件限制，降低自動機(jī)場的使用與維護(hù)成本。

通信技術(shù)

無人機(jī)自動機(jī)場采用4G、5G移動通信技術(shù)對無人機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制與管理，而現(xiàn)有移動通信網(wǎng)絡(luò)主要為地面用戶提供服務(wù)。如果無人機(jī)的飛行高度在300m以上，現(xiàn)有移動通信系統(tǒng)無法保證無人機(jī)中高空作業(yè)的通信需求。因此，寬帶移動通信技術(shù)可為無人機(jī)中高空作業(yè)提供通信覆蓋。

無人機(jī)自動機(jī)場存在的問題

無人機(jī)自動機(jī)場的性能不斷提升，應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛。但是，在實(shí)際應(yīng)用中，無人機(jī)自動機(jī)場仍存在一些問題。

（1）無人機(jī)平臺缺乏專業(yè)化設(shè)計(jì)

現(xiàn)有無人機(jī)自動機(jī)場中的無人機(jī)平臺大多由第三方無人機(jī)簡單改裝而成。此類無人機(jī)在設(shè)計(jì)之初并沒有考慮自動機(jī)場的實(shí)際使用需求。為了給無人機(jī)自動機(jī)場配置專用無人機(jī)平臺，無人機(jī)機(jī)體、電池艙、起落架等部件均須要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（2）環(huán)境適應(yīng)性較差

無人機(jī)自動機(jī)場須要長時間在惡劣環(huán)境下工作，經(jīng)受著雨水、風(fēng)沙、高低溫等天氣和環(huán)境的考驗(yàn)?，F(xiàn)有起降系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選用存在不足，不能滿足各種野外工作環(huán)境。

（3）系統(tǒng)能耗大

無人機(jī)自動機(jī)場在野外無外部電源供給，僅依靠太陽能、風(fēng)能等能源發(fā)電，無法保證充足的電能，自動機(jī)場運(yùn)轉(zhuǎn)受到影響。

（4）設(shè)備兼容性低

由于無人機(jī)自動機(jī)場缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，同一廠家起降系統(tǒng)只能兼容一種無人機(jī)機(jī)型。不同廠家的起降系統(tǒng)互不兼容，導(dǎo)致設(shè)備利用率低、研發(fā)成本高、用戶使用成本高。

未來發(fā)展趨勢

存在的問題也為無人機(jī)自動機(jī)場的未來發(fā)展指明了方向。無人機(jī)自動機(jī)場呈現(xiàn)的發(fā)展趨勢包括如下幾個方面。

（1）標(biāo)準(zhǔn)化裝置開發(fā)

起降系統(tǒng)、電池、充電與換電裝置等設(shè)備開發(fā)采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，既有利于設(shè)備維護(hù)和維修，又能大幅降低設(shè)計(jì)和研發(fā)成本，加快無人機(jī)自動機(jī)場產(chǎn)業(yè)化和規(guī)?；\(yùn)營步伐。

（2）起降系統(tǒng)兼容性提升

無人機(jī)自動機(jī)場采用標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，只要各起降系統(tǒng)相互兼容，無人機(jī)在同一區(qū)域作業(yè)時，可以任意降落在第三方起降系統(tǒng)進(jìn)行充電與換電。

（3）多元化平臺拓展

目前，無人機(jī)自動機(jī)場主要供小型電動多旋翼無人機(jī)使用，平臺配置較為單一。未來，垂直起降復(fù)合式無人機(jī)、油動無人機(jī)都是自動機(jī)場的潛在用戶。

（4）抗干擾通信技術(shù)開發(fā)

無人機(jī)與起降系統(tǒng)之間、起降系統(tǒng)與后臺綜合管理系統(tǒng)之間須要通信鏈路，通信系統(tǒng)安全成為一個重要研究課題。