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    基于互聯(lián)網(wǎng)看國內(nèi)無人直升機(jī)發(fā)展

    2014-02-14 08:49:24張棟董軍堂雷文禮
    關(guān)鍵詞:案例

    張棟 董軍堂 雷文禮

    (延安大學(xué)物理電子信息學(xué)院,陜西延安,716000)

    2010 年11 月14 日,國務(wù)院、中央軍委發(fā)布《關(guān)于深化我國低空空域管理改革的意見》,對深化我國低空空域管理改革作出了部署,為我國通用航空快速增長提供了無限可能。出于對低空開放的不同預(yù)期,低空通用航空改變了一潭死水的現(xiàn)狀,出現(xiàn)了各個層面的活躍現(xiàn)象。

    無人直升機(jī)鑒于旋翼機(jī)本身存在穩(wěn)定性差、強(qiáng)耦合、時滯、非線性等問題,使得飛行控制不易實現(xiàn),但其可以垂直起降、起飛降落場地小、無需火工品、空中懸停,可完成無人定翼機(jī)無法執(zhí)行的一些作業(yè)任務(wù),處于快速發(fā)展中。[1]與有人駕駛的飛行器相比,無人直升機(jī)可以節(jié)約駕駛員培訓(xùn)費用和降低使用成本,具有一定的相對優(yōu)勢。

    本文基于互聯(lián)網(wǎng)上公開報道的無人直升機(jī)民用事例,去偽存真,力爭展現(xiàn)國內(nèi)無人直升機(jī)真實的發(fā)展面貌與應(yīng)用前景。

    一、報道案例

    1.萊蕪電力巡線[2]

    中國電力新聞網(wǎng)2010 年4 月報道,500 kV 川泰Ⅰ、Ⅱ線萊蕪雪野湖段,一架無人駕駛直升機(jī)按照預(yù)設(shè)的線路對輸電線路、鐵塔等進(jìn)行拍照和視頻拍攝,并將檢測到的數(shù)據(jù)和圖像實時傳輸?shù)降孛鏈y控車的監(jiān)控后臺上。這是山東電力研究院自主研發(fā)的電力線路無人飛行巡檢系統(tǒng)首次在帶電線路上成功試飛。此次試飛全程15min,巡檢 1.6km 線路。

    圖1 萊蕪電力巡線(周小錚攝)

    2.伊犁農(nóng)田施肥施藥[3]

    伊犁新聞網(wǎng)2011年7 月報道,兩架旋翼飛行機(jī)器人在農(nóng)四師七十團(tuán)場的番茄地里成功實施了噴肥作業(yè),這是旋翼飛行機(jī)器人研發(fā)成功后在國內(nèi)首次進(jìn)行農(nóng)業(yè)田間實踐作業(yè)應(yīng)用。目前,無人機(jī)應(yīng)用于農(nóng)田病蟲害防控還在實驗研究階段,但技術(shù)基本成熟,可以進(jìn)行推廣。

    圖2 伊犁農(nóng)田施肥施藥(賴宇寧攝)

    3.U8 無人直升機(jī)通過技術(shù)鑒定[4]

    中國航空報網(wǎng)2011 年12 月 報 道,中航工業(yè)直升機(jī)所歷經(jīng)7 年自主研發(fā)的U8無人直升機(jī)順利通過技術(shù)鑒定審查,這標(biāo)志著U8 無人直升機(jī)可以實現(xiàn)產(chǎn)品化,具備了批量生產(chǎn)和市場投放條件,可滿足市場應(yīng)用需要,也標(biāo)志著直升機(jī)所無人直升機(jī)發(fā)展進(jìn)入一個嶄新階段。此前6 月,U8 無人直升機(jī)赴青海高原試飛取得圓滿成功,這是國產(chǎn)無人直升機(jī)首次飛行在海拔3000m 以上高原地區(qū)。

    圖3 U8 通過技術(shù)鑒定

    4.福建電力巡檢[5]

    智能電網(wǎng)2011 年12 月報道,由福建福州電業(yè)局研發(fā)定制的電力巡檢無人直升機(jī),從閩侯五虎山山麓的平地起飛,短暫懸停30s 后,按預(yù)設(shè)航線飛赴高家Ⅰ、Ⅱ回輸電線路執(zhí)行飛行巡檢任務(wù)。巡視全程歷時20min。這一無人直升機(jī)巡檢系統(tǒng)研究歷時3 年,可實現(xiàn)超低空、超視距全程自主飛行。

    圖4 福建電力巡檢(陳蒸攝)

    5.福建輸電線路巡檢[6]

    英大網(wǎng)2012 年2 月報道,由福建省電力有限公司牽頭實施的國家電網(wǎng)公司總部科技項目“無人飛行器巡檢技術(shù)研究”在福州完成新系統(tǒng)的研發(fā)試飛,按照預(yù)設(shè)航線飛赴東高I、II 回輸電線路執(zhí)行飛行巡檢任務(wù),這標(biāo)志著該項目取得了階段性成果。

    圖5 福建輸電線路巡檢

    6.瑞龍無人直升機(jī)交付使用[7]

    揚州晚報網(wǎng)2012 年11 月報道,具有自主知識產(chǎn)權(quán)的首架“瑞龍”系列無人直升機(jī)在空中完成了前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎、爬升、盤旋等一系列精彩動作,為揚州無人直升機(jī)產(chǎn)業(yè)啟動儀式畫上圓滿句號。由揚州德可達(dá)科技有限公司生產(chǎn)的“TC-2130”雙引擎無人直升機(jī)在現(xiàn)場順利交付中石油公司, 用于野外石油地質(zhì)勘探和測量等工作。

    圖6 TC-2130 瑞龍無人直升機(jī)

    7.青島電力巡檢[8]

    中電新聞網(wǎng)2013 年1 月報道,在青島即墨市馬山鎮(zhèn)下泊村,一架無人直升機(jī) 沿 著220kV 嶗 馬I 線飛行并定點懸停,為線路和桿塔進(jìn)行全方位智能“體檢”。這是國家電網(wǎng)公司山東電力科學(xué)研究院自主研發(fā)的“輸電線路無人直升機(jī)智能巡檢系統(tǒng)”用于科技保電的一個鏡頭。

    8.四川電力巡檢[9]

    中國電力新聞網(wǎng)2013 年2 月報道,由國家電網(wǎng)四川省電力公司檢修公司、總參60 所合作開展的“Z-5 型無人直升機(jī)巡檢及應(yīng)急保障適用性研究”項目,在成都順利通過由四川省電力公司、西北工業(yè)大學(xué)、南航直升機(jī)研究所、北京航空航天大學(xué)等單位的專家組成的評審組技術(shù)評審。此前,該架無人直升機(jī)先后參與 “四川省2012 年‘512’防災(zāi)救災(zāi)綜合實戰(zhàn)演練”、四川省電力公司主辦的“四川電網(wǎng)‘512’大面積停電應(yīng)急演練”,并在什邡500kV 變電站、500kV 譚樂一線、500kV 月普線區(qū)段和500kV 蜀州變電站進(jìn)行了飛行試驗及實用化飛行巡視工作。

    圖8 四川電力巡檢

    9.雅安地震現(xiàn)場救援[10]

    沈陽晚報網(wǎng)2013 年4 月報道,沈陽自動化所派出的旋翼無人機(jī)系統(tǒng)在蘆山縣開展現(xiàn)場飛行應(yīng)用,通過可見光載荷回傳視頻觀測道路受阻情況,并將情況報告給救援隊,為疏導(dǎo)由蘆山通往寶興道路上的受阻車輛發(fā)揮了作用。在龍門鄉(xiāng)政府、龍門鄉(xiāng)紅星村初試身手后,該無人機(jī)獨自承擔(dān)了對蘆山縣兩個鄉(xiāng)的搜索任務(wù),幫助救援人員節(jié)約了大量的人力和時間。

    圖9 雅安地震現(xiàn)場救援(孫海攝)

    10.航攝系統(tǒng)通過國家級評審[11]

    圖7 青島電力巡檢

    中國航空報2013 年5 月報道, V750-SW 型高精度無人直升機(jī)航攝系統(tǒng)日前通過了國家級評審。該系統(tǒng)由濰坊天翔航空工業(yè)有限公司、中航工業(yè)自控所和中國電子科技集團(tuán)公司第十研究所共同研發(fā),是當(dāng)前我國載重量最大的無人直升機(jī)系統(tǒng)平臺。此前,V750 在山東省濰坊市北部沿海區(qū)域首飛,并交付山東國土部門使用。

    圖10 V750 濰坊首飛(王耀光攝)

    11.大興安嶺森林監(jiān)測[12]

    內(nèi)蒙古新聞網(wǎng)2013年6 月報道,國家首次在林業(yè)系統(tǒng)應(yīng)用的Z-5型中型無人直升機(jī)在內(nèi)蒙古大興安嶺林區(qū)根河航空護(hù)林站首航成功。首航中,無人直升機(jī)演示了自動飛行監(jiān)測、衛(wèi)星通信視頻圖像信息傳輸、3G 設(shè)備視頻圖像信息傳輸、火情識別定位、北斗定位顯示及短報文通信等飛行科目。

    二、 機(jī)型介紹

    在上述案例中,無人機(jī)分別為天鷹Z-3、Z-5、博翔3 號、TC-2130 瑞龍?zhí)?、V750、U8 無人直升機(jī)、漢和無人直升機(jī)等。

    其中,案例1、4 采用Z-3 無人直升機(jī),是總參謀部第六十研究所研制的一種小型飛行平臺,最大起飛重量120kg,最大任務(wù)載荷25kg,主旋翼直徑3.4m,機(jī)長3.6m,高度1.1m,發(fā)動機(jī)為25kW,最大飛行高度3200m,最大懸停高度800m,最大續(xù)航時間1h,最大飛行速度為120km/h。[1,2,5]

    案例2 采用博翔3 號無人直升機(jī),是中國科學(xué)院沈陽自動化研究所機(jī)器人學(xué)國家重點實驗室研制,最大起飛重量120kg,最大任務(wù)載荷20kg,主旋翼直徑3.29m,機(jī)長3.8m,高度1.26m,續(xù)航時間1h,最大飛行速度為120km/h,典型巡航速度60 km/h,實用升限3000m,抗風(fēng)能力5 級,作業(yè)半徑20km(以地面站為中心),航跡精度誤差小于3m,巡航速度誤差小于1m/s,可定點懸停,精度誤差小于3m。[3]

    圖11 大興安嶺森林監(jiān)測(鄧宏鵬攝)

    案例3 采用的U8 無人直升機(jī)為中航工業(yè)直升機(jī)所研制,無人直升機(jī)最大起飛重量230kg,任務(wù)載荷40kg,續(xù)航時間4h,控制半徑100km,最大平飛速度150km/h,巡航速度120km/h,使用升限3000m。[4]

    案例5、8、11 采用總參謀部第六十研究所研制的Z-5無人直升機(jī),最大起飛重量為450kg,任務(wù)載荷為50-80kg,含旋翼外伸長為7.23m,高為2.37m,寬為1.5m,最大巡航速度160km/h,續(xù)航時間為4-6h;使用升限為2500m。[6,9,12]

    案例6 采用的TC-2130 瑞龍無人直升機(jī)是揚州德可達(dá)研制,最大起飛重量90kg,最大任務(wù)載荷30kg,主旋翼直徑3.3m,機(jī)長2.9m,高度0.9m,雙8kW 渦軸發(fā)動機(jī),最大飛行高度2000m,最大續(xù)航時間2.5h,最大飛行速度為20m/s。[7]

    案例7、9 采用無錫漢和航空技術(shù)有限公司生產(chǎn)的無人直升機(jī)。起飛重量40kg,有效載荷15kg,最大巡航速度20m/s,最大續(xù)航時間2h,最大飛行高度3000m,抗風(fēng)能力5 級。[1,8,10]

    案例10 采用V750 無人直升機(jī),由濰坊天翔航空公司制造,起飛重量為757kg,任務(wù)載荷大于80kg,最大平飛速度為44m/s,最大航程為500km,最高可飛行至3000m 高度,續(xù)航時間大于4h。[11]

    三、應(yīng)用分析

    目前無人直升機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域主要為無人電力巡線(定點航拍)、農(nóng)田飛行施藥、電力放線施工、石油勘查、地震現(xiàn)場救援、森林監(jiān)測(隨機(jī)航拍)和航空測繪等。

    案例1、4、5、7、8 應(yīng)用為定點航拍的無人電力巡線。

    案例1 中的飛行器可以為110kV-750kV 的輸電線路巡檢,每次飛行時間可達(dá)1h,巡線線路為20km/h。該機(jī)飛四個架次相當(dāng)于出動20 名巡線員一整天的工作量,而且不受地理環(huán)境的限制,具有一鍵式自主起降功能,可以實時拍攝動靜態(tài)圖像及紅外熱圖。

    案例4 中,無人機(jī)僅用20min 巡檢了處于高山峻嶺中的7 基鐵塔,完成了靠人工步行二三天才能完成的任務(wù),同時拍攝了視頻、照片和紅外圖像。

    案例5 中的無人機(jī)也具備上述功能,與上述研發(fā)的小型巡檢系統(tǒng)相比,克服了航程短、載荷小、精度差、抗風(fēng)能力弱、自動化程度低等缺陷。為提高系統(tǒng)實用化程度,福建電力公司整合公司系統(tǒng)內(nèi)各單位已有的研發(fā)成果,協(xié)同安徽、山東、遼寧等地實施,聯(lián)合研發(fā)大型無人機(jī)飛行巡檢平臺,形成能夠應(yīng)用于線路巡視和防災(zāi)減災(zāi)的無人機(jī)巡檢技術(shù)規(guī)范,使無人機(jī)具備良好的自動化程度、安全可靠性以及大范圍電網(wǎng)巡視能力,能夠?qū)崿F(xiàn)自主起降、程控飛行、超視距測控、高精度檢測、預(yù)警避障、可見光/紅外/紫外巡視等多功能應(yīng)用,并有效應(yīng)用于電網(wǎng)設(shè)備健康狀況診斷。

    案例7 中,無人機(jī)主要檢查線路防舞動相間絕緣子串間隔棒對導(dǎo)線的損傷情況,與案例1、4 類似,強(qiáng)調(diào)實用化應(yīng)用,已經(jīng)累計巡檢完成800km 線路,發(fā)現(xiàn)幾十種異常和缺陷。

    案例8的無人機(jī)具備機(jī)身大、航程長、載荷大、精度高、抗風(fēng)能力強(qiáng)、自動化程度高、安全性高等顯著優(yōu)勢,成功進(jìn)行了高海拔、低溫地區(qū)及平原地區(qū)的500kV 輸電線路巡檢,但對于飛控和任務(wù)需要進(jìn)行適應(yīng)性改進(jìn)[13]。

    案例2 應(yīng)用為農(nóng)田飛行施藥,是農(nóng)四師七十團(tuán)和沈陽自動化研究所聯(lián)合向科技部申報的“旋翼飛行機(jī)器人變量施藥”項目,主要內(nèi)容是將自主型無人直升機(jī)技術(shù)與超低空農(nóng)情遙感監(jiān)測、信息融合與預(yù)測、超低空變量施藥等技術(shù)相結(jié)合,研制具有全部自主知識產(chǎn)權(quán)的大載荷無人直升機(jī)農(nóng)田精準(zhǔn)變量施藥裝備系統(tǒng);七十團(tuán)場建立了8000 畝高效無人化智能施藥裝備示范基地,開展大面積農(nóng)田農(nóng)藝及作業(yè)試驗研究,初步建立利用無人直升機(jī)提高農(nóng)藥利用率、減少環(huán)境污染、降低能耗的創(chuàng)新農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式,促進(jìn)我國農(nóng)業(yè)裝備的跨越式發(fā)展。在此之前,汪沛等已經(jīng)利用Z-3 無人直升機(jī)開展了水稻制種輔助授粉的田間風(fēng)場測量實用研究[14],邱白晶等利用無錫漢和無人直升機(jī)開展了飛行高度與速度對噴霧沉積分布的影響等實用研究[15]。此外,該無人直升機(jī)于2010年完成了大連海面溢油監(jiān)測及處置,2011 年湖北赤壁高壓輸電線路的自動架設(shè),2012 年在本溪北臺220kV 興北線、大連瓦房店500kV 渤瓦線、營口大石橋220kV 渤橋線進(jìn)行了高壓輸電線路的自動巡檢及故障排查。[16]

    案例3 的U8 無人直升機(jī)由中航工業(yè)直升機(jī)所自主研制,該所完成了U8 全部設(shè)計、試制、試驗和試飛工作,突破了系統(tǒng)總體設(shè)計、飛行控制和飛行試驗等多項技術(shù)關(guān)鍵,使U8 具有人工、程序和自主飛行控制功能,可實施自動起降、大機(jī)動、大速度、預(yù)設(shè)航線、超視距等飛行,具備發(fā)動機(jī)安控、測控失效、傳感器融合等故障應(yīng)急處置能力。裝載不同任務(wù)設(shè)備,U8 可用于晝夜偵察、目標(biāo)指示、生化采樣、電力巡查、邊防巡檢、氣象監(jiān)測、災(zāi)情評估等領(lǐng)域。2010 年4 月,該機(jī)曾在江西省電力公司和景德鎮(zhèn)供電公司合作下進(jìn)行了無人直升機(jī)輸電線路巡檢。[1]

    案例6 未見實際使用報道,其交付與中國石油集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院,計劃用于野外石油地質(zhì)勘探和測量等工作。據(jù)悉,中石油看重的是揚州德可達(dá)科技有限公司在航空攝影測量和遙感技術(shù)方面的能力。

    案例9 無人直升機(jī)進(jìn)入余震頻發(fā)的災(zāi)區(qū)后,在龍門鄉(xiāng)古城村、紅星村和清仁鄉(xiāng)、隆興鄉(xiāng)等地,克服了地形、氣候、氣流等大型飛機(jī)較難應(yīng)付的困難,多次起飛執(zhí)行任務(wù),獲取災(zāi)區(qū)路況、災(zāi)后被毀建筑物分布情況,并通過懸停方式對震后危樓進(jìn)行生命跡象搜索,實時傳回高分辨率影像和圖片,為救援隊進(jìn)行有針對性的調(diào)度和部署提供決策信息,提升了搜救行動效率[17]。

    案例11 應(yīng)用在林區(qū)林火監(jiān)測與偵察、森林資源監(jiān)測、森林植被調(diào)查、森林病蟲害預(yù)測分析等方面。直升機(jī)所使用的森林防火無人機(jī)智能遙感監(jiān)控系統(tǒng),利用無人機(jī)平臺搭載紅外線探測設(shè)備,通過無人機(jī)視距通信鏈路和衛(wèi)星通信鏈路或3G 網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)探測數(shù)據(jù)實時回傳,進(jìn)行火源智能探測和火源位置實時報告,從而實現(xiàn)森林火災(zāi)的快速探測定位與綜合指揮調(diào)度。該機(jī)監(jiān)測了根河機(jī)場周邊大興安嶺林區(qū)的地形地貌及森林長勢情況,成功對模擬火場進(jìn)行了火源目標(biāo)實時識別和定位,實現(xiàn)了對火線長度的準(zhǔn)確測量和火災(zāi)現(xiàn)場照片及火情監(jiān)測報告的快速生成,完成了各項既定演示飛行任務(wù)。

    四、發(fā)展現(xiàn)狀與應(yīng)用前景

    在低空域開放預(yù)期的帶動下,以及美國無人直升機(jī)發(fā)展的示范效應(yīng)下,低成本、易操作的無人直升機(jī)已經(jīng)成為國內(nèi)通用航空領(lǐng)域的一個新熱點,有多家投資主體參與開展了研發(fā)工作。但從總體上說,國內(nèi)相關(guān)研發(fā)還處于起步階段,沒有實質(zhì)性的突破發(fā)展。

    在無人直升機(jī)飛行性能方面,目前的具體現(xiàn)狀是:

    1.起飛總重量有所提高,實用起飛重量從100kg 左右提高到200-700kg,可搭載的任務(wù)負(fù)載從20kg 提高到40-80kg。

    2.從續(xù)航時間上說,飛行時間有所提高,目前實用飛行時間從1h 提高到4h。

    3.從飛行速度上說,仍處于懸停和低速飛行階段,巡航速度30-40m/s。

    4.從升限上說,多種型號進(jìn)行了飛行測試,均在3000m 左右,有型號甚至達(dá)到4300m 以上。

    在無人直升機(jī)研發(fā)方面,如V750 采用現(xiàn)有的有人直升機(jī)—美國B2-B 小型直升機(jī)改裝,加快了開發(fā)的速度,規(guī)避了一定的風(fēng)險,但同時也帶來了一些結(jié)構(gòu)冗余和性能損失。具體表現(xiàn)在:起飛重量較高,任務(wù)負(fù)載相對偏小,且核心器件的生產(chǎn)技術(shù)并未完全掌握。

    在發(fā)動機(jī)方面,采用了小型活塞發(fā)動機(jī)或電動方式。湖南山河科技的飛虎號采用ROTAX582 發(fā)動機(jī),揚州德可達(dá)的瑞龍?zhí)柌捎秒p8000W 的渦輪發(fā)動機(jī),此外,其它無人直升機(jī)發(fā)動機(jī)相關(guān)報道很少,這也表明了國內(nèi)航空工業(yè)發(fā)動機(jī)發(fā)展緩慢的現(xiàn)狀。

    在飛行控制系統(tǒng)及安全可靠性設(shè)計方面,由于無人駕駛,因此,直升機(jī)內(nèi)環(huán)自動增穩(wěn)與控制是無人直升機(jī)的必要條件,也是其與航模區(qū)分的重要標(biāo)志。另外,外環(huán)按航點飛行的程控駕駛功能也是無人機(jī)應(yīng)該具備的基本功能。再高一層次的應(yīng)用是飛行管理控制,經(jīng)過多年飛行的機(jī)型相對具有更好的實用性和可靠性。其中重要的是,北斗應(yīng)用的出現(xiàn)表明國產(chǎn)無人機(jī)可以擺脫對GPS 的依賴。

    在飛行控制器和數(shù)據(jù)通信鏈路與應(yīng)用設(shè)備的開發(fā)上,國內(nèi)多家單位合作,如濰坊天翔航空工業(yè)有限公司、中航工業(yè)自控所和中國電子科技集團(tuán)公司第十研究所的合作,航天恒星科技有限公司(503 所)和總參六十研究所的合作,沈陽中科院自動化研究所與無錫漢和公司的合作等,促進(jìn)了優(yōu)勢互補(bǔ)。

    無人直升機(jī)實際應(yīng)用前景廣闊,目前主要有以下幾方面。

    1.航空攝影測量和航拍是無人直升機(jī)的主要應(yīng)用領(lǐng)域,均可以較好地滿足實際應(yīng)用需求。

    2.電力巡線及定點飛行,在解決了對飛行控制的控制精度、抗風(fēng)性和可靠性要求后,無人直升機(jī)的應(yīng)用正在向兩個方向發(fā)展:一是大型化、長航時、遠(yuǎn)距離的智能化應(yīng)用;二是小型化和易操作的實用化應(yīng)用。

    3.農(nóng)田飛行施藥有較好的環(huán)保、時效性,可以避免人身傷害等,出于成本考慮,筆者建議輕小型無人直升機(jī)優(yōu)先推廣應(yīng)用。

    4.電力放線施工在遇到跨江、沿線有不易搬遷的施工障礙情況下,出于環(huán)保和降低拆遷成本等考慮,無人直升機(jī)有相當(dāng)大的實用價值。

    總之,無人直升機(jī)在電力行業(yè)和農(nóng)業(yè)率先得到了快速發(fā)展和應(yīng)用。

    [1] 張棟.基于互聯(lián)網(wǎng)看國內(nèi)無人直升機(jī)發(fā)展[J].西安航空高等技術(shù)專科學(xué)校學(xué)報,2011,29(5)∶10-14.

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