無人機(jī)安全飛行性能測控系統(tǒng)分析研究

徐文臻

（山東科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，山東青島266000）

無人機(jī)安全飛行性能測控系統(tǒng)分析研究

徐文臻

（山東科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，山東青島266000）

近年來，世界各國都在研究飛行器，且都在該領(lǐng)域已取得了一定的成果。目前，無人機(jī)的安全飛行性能仍是制約其發(fā)展和應(yīng)用的主要因素。介紹了國內(nèi)無人機(jī)的研究現(xiàn)狀、測控系統(tǒng)的組成、要求和系統(tǒng)誤差，并提出了運(yùn)用先進(jìn)計(jì)算機(jī)測控技術(shù)提高對無人機(jī)安全性能的檢測和管理，保證系統(tǒng)控制的可靠度和檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

無人機(jī)；計(jì)算機(jī)；測控系統(tǒng)；飛行員

無人機(jī)，即無人駕駛飛機(jī)（UAV），是利用無線遙感技術(shù)和自編程序控制裝置操縱飛行且不載飛行員的空中飛行器，無人機(jī)常采用空氣動(dòng)力為其提供升力，能夠自行飛行或遠(yuǎn)程遙控。隨著無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，無人機(jī)出現(xiàn)多種類型，比如撲翼無人機(jī)、固定翼無人機(jī)、飛艇及旋翼無人機(jī)。在無人機(jī)上對各種專業(yè)儀器設(shè)備進(jìn)行組裝整合，使無人機(jī)應(yīng)用十分廣泛，比如科學(xué)觀測、自然災(zāi)害預(yù)防與處理、林業(yè)資源監(jiān)測、公安邊防、農(nóng)業(yè)資源監(jiān)測、電力等領(lǐng)域，但是無人機(jī)運(yùn)行成本和安全飛行性能卻制約著無人機(jī)的發(fā)展。無人機(jī)技術(shù)是新興的一個(gè)技術(shù)領(lǐng)域，國內(nèi)外對此的研究均處于起步階段。由于無人機(jī)具有體積小、重量輕、生產(chǎn)成本較低和多種起降方式等特點(diǎn)，可以在較為復(fù)雜的地形和環(huán)境中執(zhí)行煩瑣、重復(fù)性高的飛行工作，不會(huì)因超低空飛行而造成人員傷亡，因此，無人機(jī)的研發(fā)與應(yīng)用日益受到世界各國的關(guān)注。

1 國內(nèi)研究進(jìn)展

國內(nèi)無人機(jī)研究雖然起步較晚，但發(fā)展很快，先后有中船重工研究所、中科院遙感與數(shù)字地球研究所、中國地質(zhì)科學(xué)院等單位開展了基于固定翼或直升機(jī)式的無人機(jī)技術(shù)研究工作，且部分無人機(jī)技術(shù)已達(dá)到國際水平。無人機(jī)與傳統(tǒng)的有人駕駛飛機(jī)相比，無人機(jī)的優(yōu)勢主要有：①能夠保障人員安全。因?yàn)闊o人機(jī)在飛行過程中不用搭載飛行員，不會(huì)因復(fù)雜地形、惡劣環(huán)境、飛控人員疲勞、機(jī)械故障等因素造成人員傷亡，降低了作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。②工作效率大大提高。一組地面飛控人員能夠同時(shí)操控多架無人機(jī)協(xié)同工作，無人機(jī)一次可飛行10 h，而有人機(jī)每架需要2名飛行員和多名地面保障人員協(xié)同工作，才能保證飛機(jī)的正常飛行，且一次最多飛行4 h；無人機(jī)生產(chǎn)成本和飛行成本較低，無人機(jī)使用普通汽油就能工作，而且燃油經(jīng)濟(jì)性很高。比如，彩虹無人機(jī)使用97#汽油平均油耗約為15 L/100 km，而有人駕駛的飛機(jī)必須使用航空煤油飛行，成本高昂。③可精準(zhǔn)地控制無人機(jī)飛行。有人機(jī)長時(shí)間超低空飛行作業(yè)的勞動(dòng)強(qiáng)度十分大，飛行員很難保持高精度的飛行航跡、航向和高度，同時(shí)，因?yàn)椴煌w行員飛行技能的差異和經(jīng)驗(yàn)不同，在飛控時(shí)其飛控質(zhì)量也存在較大差異，而無人機(jī)能夠在地面飛控人員的控制下按照事先規(guī)劃好的航線自主飛行，不會(huì)因?yàn)榻?jīng)驗(yàn)不足或飛行員疲勞造成飛行質(zhì)量下降。④無人機(jī)在夜間也可正常工作，有人駕駛的飛機(jī)靠飛行員目視駕駛，而無人機(jī)則使用無線電設(shè)備完成自主飛行。

但無人機(jī)仍存在些許不足，比如飛控及無人機(jī)技術(shù)方興未艾，目前，部分西方發(fā)達(dá)國家的無人機(jī)技術(shù)較為先進(jìn)，特別是用于軍事的飛控及無人機(jī)技術(shù)，雖然我國無人機(jī)技術(shù)發(fā)展較早，但與先進(jìn)國家相比仍存在20年的差距，如今國內(nèi)無人機(jī)的部分關(guān)鍵技術(shù)和零部件仍需進(jìn)口，導(dǎo)致無人機(jī)的飛行和維護(hù)成本過高，阻礙了無人機(jī)的發(fā)展。無人機(jī)的地形和氣候環(huán)境適應(yīng)有待提高，目前，較先進(jìn)的無人機(jī)系統(tǒng)能夠在地形條件較好的低空飛行200 m左右，但在較大的高山區(qū)無人機(jī)尚不具備超視距預(yù)判斷和預(yù)操作能力，尤其在超出雷達(dá)測量范圍時(shí)無人機(jī)的飛行就變得很危險(xiǎn)，這嚴(yán)重制約著無人機(jī)發(fā)展與應(yīng)用。無人機(jī)運(yùn)營成本較高，主要是因?yàn)闊o人機(jī)的操作、維護(hù)人員相對較多，且配件昂貴，不利于運(yùn)行成本的控制，比如彩虹-3無人機(jī)雖然不需要高薪聘請飛行員，但地面工作人員較多，導(dǎo)致運(yùn)營成本較高。安全飛行和飛控技術(shù)有待提高，無人機(jī)起降有多種方式，比如大中型無人機(jī)一般采用輪式自主起降，而一些中小型無人機(jī)則采用彈射起飛和撞網(wǎng)或傘降回收，但回收成功率很低。如果回收失敗，則不僅會(huì)造成無人機(jī)損壞，也難保障機(jī)載設(shè)備的完整性。隨著我國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展，目前，現(xiàn)有資源已經(jīng)難以滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求，因此，迫切需要尋找新的能源。我國地域遼闊、地質(zhì)復(fù)雜多數(shù)礦產(chǎn)資源分布在人跡罕至的山區(qū)、峽谷、荒漠等區(qū)域，但由于山區(qū)地形復(fù)雜，交通不便，導(dǎo)致地面勘探工作很難進(jìn)行，且無人機(jī)與專業(yè)技術(shù)設(shè)備集成組裝有待提高。

2 無人機(jī)安全性計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)分析

測控系統(tǒng)是采用傳感器與數(shù)據(jù)采集相結(jié)合的方式進(jìn)行無人機(jī)的測控工作的。本測試以計(jì)算機(jī)為核心，利用計(jì)算機(jī)平臺(tái)構(gòu)筑控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對信號的檢測、分析和處理得到有用信息，它能完成對各個(gè)設(shè)備的輸入輸出、數(shù)據(jù)采集、數(shù)字信號、模擬量信號的采集傳輸、開關(guān)量的輸入輸出、與其他外圍設(shè)備的通信以及檢測流程的指揮調(diào)度等所有信號的快速分析處理和實(shí)時(shí)準(zhǔn)確控制，從而求出與研究對象有關(guān)信息的量值，并給出其狀態(tài)判別結(jié)果。

傳感器是一種檢測裝置，傳感器的功能是一感二傳，即能感受被測量信息，并將檢測到的信息按其所需的形式輸出轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的可用輸出信號。傳感器由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和其他輔助部件組成。在計(jì)算機(jī)自動(dòng)測控系統(tǒng)中，對傳感器靈敏度要求非常高，必須能準(zhǔn)確、快速、可靠地接收并傳遞信息，且需要遠(yuǎn)距離高效傳輸。因此，要根據(jù)具體的測量目的、測量對象以及工作環(huán)境合理選擇傳感器，這對于飛控系統(tǒng)來說尤為重要。傳感器的性能指標(biāo)主要包括靈敏度閾值、靈敏度系數(shù)、頻率響應(yīng)特性、遲滯差線性度、重復(fù)性和穩(wěn)定性，但并不是所有的傳感器都包括敏感元件和轉(zhuǎn)換元件。信號調(diào)節(jié)電路是能把轉(zhuǎn)換元件輸出的電信號轉(zhuǎn)換為便于顯示、記錄、處理和控制有用電信號的電路。輔助電路通常包括電源，即交或直流供電系統(tǒng)。信號調(diào)理是將待測信號放大、濾波等操作將其轉(zhuǎn)換成能夠識別的標(biāo)準(zhǔn)信號。傳感器輸出的信號通常含于干擾噪聲中的微弱信號，信號調(diào)理電路有2個(gè)作用，即信號放大、信號處理，包括濾波、調(diào)制和解調(diào)、衰減運(yùn)算、數(shù)字化處理等，也可根據(jù)需要進(jìn)行信號隔離與變換等。

多串口通訊卡是一種可分配多個(gè)串/并行端口供終端連接的設(shè)備，每個(gè)終端可以通過它與主機(jī)進(jìn)行通訊。使用多串口通訊卡是最便捷解決擴(kuò)展計(jì)算機(jī)外部設(shè)備數(shù)量的方案。光電開關(guān)是用于判別無人機(jī)是否到位的設(shè)備，光電開關(guān)由紅外發(fā)射頭、接收頭及繼電開關(guān)（電子開關(guān)）組成，當(dāng)打開或遮擋光電開關(guān)時(shí)，輸出信號會(huì)相應(yīng)出現(xiàn)高低電位的變化，計(jì)算機(jī)可以用此來判別是否到位。當(dāng)無人機(jī)到位時(shí)計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)就開始檢測。隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，無人機(jī)作為一種高性能、高靈活的空中移動(dòng)平臺(tái)，逐漸被人們所重視。無人機(jī)本身是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)，任何一部分出現(xiàn)問題都會(huì)影響無人機(jī)的安全飛行，因此，提高無人機(jī)續(xù)航時(shí)間、飛控和任務(wù)智能化、復(fù)雜地形適應(yīng)性和任務(wù)載荷量等都尤為重要。尤其是提高先進(jìn)無人機(jī)的國產(chǎn)化，降低使用維護(hù)成本是無人機(jī)能否被廣泛應(yīng)用的一個(gè)重要因素。

［1］王帥東.機(jī)動(dòng)車安全性計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)分析［J］.科技展望，2016（26）：116.

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［3］宋騰騰.飛行器綜合控制系統(tǒng)的自動(dòng)測試技術(shù)研究［D］.北京：北京交通大學(xué)，2016.

［4］臧克，孫永華，李京.微型無人機(jī)遙感系統(tǒng)在汶川地震中的應(yīng)用［J］.自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，2010（19）.

［5］張園，陶萍，梁世祥.無人機(jī)遙感在森林資源調(diào)查中的應(yīng)用［J］.西南林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011（03）.

〔編輯：張思楠〕

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A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.19.047

2095－6835（2017）19－0047－02