《无人机航母系统的构建和应用》
本文是无人机类有关论文例文跟无人机和航母和系统有关毕业论文格式范文.
摘 要：无人机是一种由无线电遥控设备或自身程序控制系统操纵的无人驾驶飞行器.目前无人机普遍存在任务能力单一,续航能力不足等缺点.本研究提出并构建了一种无人机航母集群协同工作模型和一种采用线缆供电方式的无人机航母系统.无人机航母系统采用子母机架构,无人机航母平台作为子无人机的空中停靠点和电力传送中转站,将来自地面电缆的电能通过电缆传送给各子无人机,进而实现无人机航母系统的空中长时间稳定工作,各子无人机挂载设备并在以无人机航母为圆心的范围内执行任务.利用其可长时间工作和高负载特性,无人机航母系统在应急信号基站快速搭建、反恐防暴、舞台舞美、农药喷洒、工厂监测等方面有较好的表现,可在一定程度上拓展民用无人机的应用场景.
关键词：无人机航母;长续航;子母机架构;协同工作;系留系统
中图分类号：V279 文献标识码：A 文章编号：2095-2945（2020）01-0037-05
Abstract： The U is a type of unmanned aerial vehicle that is operated by a radio remote control device or its own program control system. At present, Us generally he shortcomings such as the singularity of mission capability and short endurance. This study proposed and constructed a cooperative working model of U cluster and an U aircraft carrier system that can adopt cable power supply. The U aircraft carrier system adopts the mother-child structure. As the air terminal of the sub-U and the power tranission relay station, the U aircraft carrier platform can tranit the electric energy from the ground cable to each sub-U through the cable, thereby realizing the long-term work of the U aircraft carrier system. Each sub-U mounts the equipment and performs tasks within the scope of the U aircraft carrier. Utilizing its long-term work and high load characteristics, the U 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 U aircraft carrier system can expand the application scenario of civil Us to a certain extent.
Keywords： U aircraft carrier; long endurance; mother-child structure; collaborative work; mooring system
1 概述
無人机作为一个新兴行业,具有广泛的应用范围和巨大的潜在价值,世界各国都在大力扶植无人机的相关研究.无人机可应用范围较广,在军事方面,无人机可用于侦察、搜索、监视、通信中继、电子对抗、火力制导、战果评估和早期预警等领域;在民用领域,无人机可用于农业植保、电力巡检、环境监测、地质勘探、快递运输等方面[1].2018年6月举办的2018世界无人机大会预测,未来5年,全球商业无人机行业将保持迅猛发展,到2020年市场总值将达到150亿美元.根据FAA（Federal Aviation Administration）预测,2020年美国境内将会拥有超过700万台的无人机.此外,我国的无人机领域也发展极为迅猛,根据中国民航局2019年1月25日消息称,截至2018年底,无人机实名登记信息系统显示,中国已经登记注册约28.5万架无人机,各类无人机型号3720个.
在无人机蓬勃发展的背景下无人机存在的技术瓶颈同样不容忽视.目前大多无人机续航时间短且承载能力有限[2],极大的限制了无人机的应用场景,同时也对无人机产业未来的发展有较为明显的阻碍作用.在无人机目前已有的应用中,无人机间协同完成的应用较少[3].目前无人机集群展示度最高的即基于无人机集群控制的灯光秀,近段时间在全国各地频繁上演,其灵活多变的炫彩灯光和三维空间立体的光影展示效果广受大众好评.单架无人机的应用局限性较大,而无人机群具有灵活性高、体系配合能力强、相对成本低等优点,所以各国不仅研究如何提高单架无人机的各方面性能,同时也在着力发展无人机的集群释放、集群控制、集群应用[4-8].美国国防部在 《无人机系统路线图 2005-2030》也指出,2025 年以后,无人机将具有集群战场认知能力,实现完全自组织作战[9].我国国内各科研院校也均对无人机集群的应用和控制方面进行了相关研究[10-13].
基于目前无人机的技术瓶颈和应用局限,本研究提出使用一台大型无人机作为无人机母舰,其上可实现小型无人机的搭载、起飞和降落.无人机母舰作为空中中转站可将来自地面输电电缆的电能均匀分配至各子无人机上并为其提供理论上无限的续航能力.无人机母舰上可搭载多种子无人机挂载设备,使子无人机在空中可迅速切换功能.无人机航母系统可为无人机长时间高空系留和多无人机协同工作提供了一种低成本高效能的解决方案,具有丰富的应用场景,例如反恐防暴、环境监测、农药喷洒、广告宣传、舞台舞美等.
2 机械设计
2.1 无人机航母系统基本方案
无人机航母系统共分为三部分构成：地面基站、无人机航母和子无人机梯队,通过三方协作完成相应飞行任务.无人机航母系统采用线缆供电的方式,即地面变电站通过线缆引出一条输电线直通无人机航母,子无人机再通过独立线缆从无人机航母上受电,以此具备理论上无限续航的能力.无人机航母系统采用子母两级结构,无人机航母作为空中的中继器起到分配电流、负载子无人机、搭载工作设备等任务.子无人机集群通过其搭载的不同的设备协同或分别进行工作,无需工作的子无人机可停靠在无人机航母的停机坪上.如图1所示,当无人机航母系统起飞时,子无人机均固定在无人机航母的各停机坪上,无人机航母与子无人机的各旋翼电机同时工作,带动系统整体向上爬升,固定在无人机航母上的子无人机为系统提供额外的升力和稳定性.当无人机航母系统整体爬升至工作高度时,无人机航母空中定位悬停（可采用氦气球辅助提供无人机航母的升力,节省电力）并释放子无人机,各子无人机在以无人机航母为圆心的范围内执行任务,并且在工作过程中子无人機可以随时停靠在航母平台上待命或更换负载设备以调整子无人机的任务功能.无人机航母系统工作状态如图2所示.当任务结束时子无人机分别降落在各自停机坪上与无人机航母一同降落至地面实现本系统的快速回收.
在安全方面,为防止有线供电的突发故障,无人机航母和各子无人机均安装有备用电池,若有线供电出现故障各无人机突然失去动力时,所有无人机均可自动将供电电路切换至电池供电模式,备用电池的电量足够使无人机航母和子无人机安全降落至地面.
无人机航母和子无人机上均搭载无线通讯模块,可将各无人机的工作状态实时的传送至地面基站,同时可以接受地面基站的指挥控制,子无人机依据指令按预定轨迹飞行,并实时调整飞行姿态.
2.2 地面基站设计
地面基站由变压器和中控主机构成.由于无人机航母系统长时间工作在空中且工作时功率较大,若采用220V输电则会导致较为严重的输电线路上的电力损耗并且需要直径较大的电缆,重量较大的输电线缆将大幅降低无人机航母系统的有效载荷.因此,本系统采取电缆高压低电流的有线直连供电方式,在市电接入线缆前用升压器将电压升至400V,并在无人机航母上设置有降压器将高压电降压至无人机适用的电压,以此避免不必要的电力浪费,同时可有效降低对输电线缆的要求,有效提高无人机航母的负载能力.地面基站的中控主机是系统的控制核心,用于对无人机航母和各子无人机的任务下达和数据接收.
2.3 航母设计
如图1所示,无人机航母采用以碳纤维缠绕管和碳纤维板为主体部件的四旋翼结构设计,碳纤维结构件的应用能使无人机航母具有较好的结构性能的同时降低设备自重[9].由于无人机航母的自身体积较大且负载较多,在高空环境下风阻较大,被风干扰的程度会愈发明显,因此相比于传统无人机设备选用了较大功率的电机,同时设计了更大的旋翼尺寸,为每个旋翼提供较强的升力以抵抗外界干扰.此外设计较长的旋翼支臂可以在相同的旋翼升力前提下提供更长的力臂,有助于整体系统的空中稳定性.在无人机航母的材质方面,航母主体,是目前搭建无人机航母的最优选材料.在无人机航母结构设计上,位于对角的两旋翼固定于同一根碳纤维管的两端,相互水平正交的两根碳纤维管组成了无人机航母的四个旋翼支臂结构,并采用两碳纤维管分别固定于一整块碳纤维板的上下端的方式.相比于每个旋翼支撑单独固定于主板的传统四旋翼无人机结构,本设计对于主板几乎不会产生弯矩,主要的弯矩是靠强韧的碳纤维管受力,因此不需增加碳纤维板的厚度和数量,同时能够有效减轻无人机航母自身重量.表1介绍了无人机航母主要的技术参数.
无人机航母上安装有多个供子无人机停靠和起飞的停机坪,停机坪安装有电磁铁,子无人机底部安装有薄铁板,可使子无人机与停机坪间进行较大冗余度的磁力固定.当子无人机需要固定在停机坪上时电磁铁通电吸附子无人机;而当子无人机起飞时电磁铁断电,停机坪与子无人机可以迅速脱离.图3为无人机航母系统整体构造.
2.4 子无人机设计
如图4所示,子无人机采用上下两层碳纤维板加固,同样采用四旋翼结构设计,碳纤维管作为起落架.子无人机底部安装有铁质较薄的吸附板,其安装位置与子无人机起落架底部形成的支承平面相平.吸附板与航母停机坪上的电磁铁可以紧密吸合,使子无人机可以在无人机航母上稳定停靠.即使在恶劣环境下,电磁铁提供的吸引力足以使子无人机保持固定.子无人机主要技术参数如表2所示.
3 控制系统设计
无人机航母的控制系统部分分为两部分：地面站和无人机控制器.地面站主要负责无人机的控制和航线的规划;无人机控制器主要负责获取飞控相关信息,发送回地面站,同时解析地面站的指令并把指令发送给飞控、云台和其他附属设备.地面站分为三个部分,分别是地面站服务端、地面站控制端和地面站设计端,整体架构如图5所示.
地面站服务端作为数据传输的中心,其他各地面站和无人机控制端都直接与服务端连接.服务端主要负责数据的解析和转发;地面站控制端主要用于无人机航母系统的运行调试和控制,例如查看各个飞控的运行参数,查看各设备的发送和接收的数据包等;地面站设计端主要用于多无人机轨迹的规划设计和航母系统作业的启动运行停止等操作.
控制系统的通讯采用基于TCP的Socket连接,其中地面站服务端、地面站控制端、地面站设计端和各无人机控制器连接到同一局域网内进行通讯.地面站计算机和各无人机控制器之间通讯采用一个特殊设计的仿Mlink（微型无人机通讯协议）的通讯接口协议,用于地面站对各个无人机的控制.
4 应用场景
利用无人机航母系统的长时间空中系留、子无人机功能灵活多样、系统整体搭建回收速度较快的特点,目前无人机航母系统开发的应用场景有应急信号基站快速搭建、反恐防暴、舞台舞美、农药喷洒、工厂监测等.
4.1 应急基站
当自然灾害发生时,保证灾区的灾情和救援信息的及时传递以及良好通讯的通讯状况是抢险救灾的首要要求.而灾害发生后当地的通讯设施极易受到损坏,灾区变为信息孤岛,大大提高了救援难度.无人机空中航母系统可以实现快速的应急基站搭建,基于无人机航母系统搭建的应急基站可在高空长时间工作,保持信号畅通,子无人机可作为中继站分布于峡谷、森林等信号较弱的特定区域实施定点信号增强.
4.2 反恐防暴
在室外大型活动现场,难以快速搭建临时的监控系统,利用无人机航母系统的长续航和子无人机的合理排布,通过各子无人机在高空的视频监控,可令活动管理者监控活动现场每个角落,将危险防患于未然.
4.3 舞台舞美
传统舞台灯光音响设备是固定在舞台某处的,其光源和声源无法移动,这就导致舞台灯光音响效果的局限性.因此,在舞台上,将灯光和音响设备挂载到无人机的云台上,使用无人机搭载灯光和音响并多自由度移动,给观众营造出一种互动性体验更好的舞台效果.利用该系统的舞台舞美的快速搭建和回收,极大的降低了人工和场地搭建成本.
4.4 农药喷洒
传统农药喷洒需要人工或设备沿田垄依次喷洒,效率较低.采用本系统进行农药喷洒工作时,无人机航母在高空运行,农药灌可负载于无人机航母上,农药可通过管路分配至各个子无人机.子无人机运行于低于航母平台的平面,每个子无人机负责一条田垄的农药喷洒,系统工作一个周期即可实现整片农田的高效率农药喷洒.
4.5 工厂监测
在工业生产中经常用到有毒的化学试剂,工厂管路的泄露和工厂周围的大气环境的实时监测就极为重要.利用本系统在高空的合理排布,在子无人机上搭载的环境监测装置可实时监控工厂各个方位的环境状况并及时反馈至地面监测人员,使工厂的环境监测工作变得更加简单易行.
5 结束语
无人机行业的快速蓬勃发展与危机并存,目前阶段无人机续航时间短,且充电时间明显长于工作时间,导致无人机单位时间内有效工作时长较短,且难以在正式场合实际应用,更多的是应用于娱乐层面.此外在无人机目前已有的应用中,较少有多无人机协同完成的实施案例.基于目前无人机的技术瓶颈,本研究提出了由子母无人机组成的航母系统概念及线缆供电的无人机航母系统,实现了无人机航母系统具有理论上的无限续航能力以及小型无人机集群在空中航母上的搭载、起飞和降落的功能.配合无人机母舰上搭载的多种子无人机挂载设备,使无人机航母系统具有多功能性、强应用性的特点.无人机航母系统的出现将在一定程度上丰富现有无人机的应用场景,有助于无人机发展成为具有实际应用价值的并能协助生产生活的一种难以替代的特殊飞行设备.
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