便攜式反多旋翼無人機系統(tǒng)設(shè)計

李晨濤 李志豪 馬?？? 李云芳

【摘 要】民用多旋翼式無人機，小到只有手掌大小，易被不法分子利用，是公共安全的新隱患。本文設(shè)計的便攜式反多旋翼無人機系統(tǒng)基于APM飛控系統(tǒng)的巡航與FPV的實時圖傳功能，偵察范圍區(qū)域，鎖定被捕捉目標(biāo)物。電子點火器點火氣體燃料產(chǎn)生高壓發(fā)射抓捕網(wǎng)捕獲目標(biāo)，系統(tǒng)降落傘帶有自感應(yīng)裝置隨之釋放，將反無人機系統(tǒng)與被捕捉目標(biāo)物安全回收。

【關(guān)鍵詞】反無人機；電子通訊；系統(tǒng)控制；察打一體；設(shè)計

中圖分類號： V279；V243.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）33-0012-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.33.005

【Abstract】Civil multiple rotor unmanned aerial vehicle （UAV） is small to a hand size， which is easy to be exploited by lawless elements to become a new hidden danger of public safety. The portable anti-multi-rotor UAV system designed in this paper is based on the cruise of APM flight control system and the real-time image transmission function of FPV， which can reconnaissance area and lock the captured object. The electronic igniter ignites gas fuel to produce high-pressure and launch catching net to capture the target. The parachute of the system with self-induction device is then released to recover the anti-UAV and the captured object safely.

【Key words】Anti-UAV； Electronic communication； System control； Reconnaissance/strike； Design

1 研制背景及意義

隨著無人機技術(shù)的迅速發(fā)展，這一曾專屬于軍事用途的航空器，現(xiàn)已大舉進駐民用市場，如今無人機已從人們想象中的“高大上”飛到了尋常百姓身邊。無人機行業(yè)雖然在民用領(lǐng)域已成燎原之勢，但繁榮背后尚存隱憂。無人機屬于新興行業(yè)，百姓一面感嘆無人機的高端科技，一面苦惱于其造成的惡果。與無人機相關(guān)的“違法、違規(guī)”的各類事件層出不窮，典型的如對機場的入侵造成航班停飛，影響飛行安全，更有甚者，通過無人機偷拍偷運違禁物品入侵監(jiān)獄等敏感要害部門。非法應(yīng)用，威脅生命安全，無人機難免誤入歧途或為有心人所利用，成為他們手中飛在天上的定時炸彈。

因此，反無人機設(shè)計顯得尤為重要。本文設(shè)計一款針對消費級多旋翼無人機的反制系統(tǒng)，對目標(biāo)可以做到的偵察，捕捉，回收三位一體的打擊效果，真正做到高效、安全的反制。高機動性能與全天候適用的特點彌補了民用市場現(xiàn)有的反無人機技術(shù)的缺點與不足。真正做到對違法違紀(jì)干擾公共安全的民用旋翼式無人機的反制。此反無人機系統(tǒng)項目將通訊技術(shù)、控制技術(shù)、電子技術(shù)的集成應(yīng)用，利用無人機反制無人機，大大降低反制成本，顯著提高反制效率。反無人機是當(dāng)前社會發(fā)展的熱點前沿，能否在消除“附帶毀傷”的同時做到準(zhǔn)確打擊違規(guī)違法的民用無人機是反無人機市場的重中之重，在維護公共場所設(shè)施，保護人民生命財產(chǎn)安全與隱私方面具有重要意義。

2 發(fā)展情況及現(xiàn)狀

市面上曾出現(xiàn)過激光武器來對付無人機的侵?jǐn)_。但是傳統(tǒng)激光武器成本高、耗能大，也難以便攜，其原理是用激光束照射無人機尾部，使無人機失去控制，可用于應(yīng)付35km內(nèi)的低空飛行器或無人機。該系統(tǒng)缺點是一次性投入較大，無人機被照射后可能發(fā)生燃燒現(xiàn)象，安全系數(shù)大大降低。

使用聲波干擾無人機相對脆弱的機載陀螺儀也是出現(xiàn)的反制民用無人機的方案之一。陀螺儀是無人機的核心部件，它可以不斷檢測飛機的的方向、傾角，進而讓飛機在空中自我調(diào)整，如果陀螺儀的工作不正常，無人機就會失控。聲波在空中傳播時，會產(chǎn)生共振現(xiàn)象，能量急劇增強，而民用無人機的陀螺儀通常使用非常廉價的元器件制成，容易搜集相關(guān)共振頻率。針對這些元器件的共振頻率進行定向的聲波干擾，讓陀螺儀產(chǎn)生共振后，陀螺儀就無法正確工作，進而導(dǎo)致無人機失控。但用聲波需要設(shè)備能量足夠大，也需要設(shè)置共振頻率調(diào)試設(shè)備，無法應(yīng)對數(shù)百米高空飛行的無人機，因此應(yīng)用與民航領(lǐng)域無人機反制難度較大，僅適用于超低空飛行的無人機，適用范圍比較局限。

針對民用無人機諸多鮮明特點，市面上亟待出現(xiàn)一款反制成本相對低，反制成功率高，反制安全性能可靠，具有高度機動性能，能夠全天候執(zhí)行反制任務(wù)的反民用無人機系統(tǒng)

3 反無人機系統(tǒng)總體設(shè)計方案

便攜式反多旋翼無人機系統(tǒng)分為動力系統(tǒng)、基于ArkBird1.0智能巡航系統(tǒng)、電子點火發(fā)射系統(tǒng)，回收降落系統(tǒng)四部分。硬件設(shè)施結(jié)構(gòu)如圖1所示。基于APM飛控系統(tǒng)的巡航與FPV實時圖傳功能，偵察范圍區(qū)域，鎖定被捕捉目標(biāo)物，電子點火器點火氣體燃料產(chǎn)生高壓發(fā)射抓捕網(wǎng)捕獲目標(biāo)（圖2），系統(tǒng)降落傘帶有自感應(yīng)裝置隨之釋放，將反無人機系統(tǒng)與被捕捉目標(biāo)物安全回收（圖3）。項目以彈射式固定翼無人機為核心，通過四大系統(tǒng)的實時關(guān)聯(lián)配合，完成對飛行目標(biāo)物的偵察、捕捉、回收一體化的功能[1]，圍繞項目四大核心系統(tǒng)，增加此設(shè)計的延拓功能。使得整套系統(tǒng)功能進一步全面化，實用化。

4 主要功能和性能指標(biāo)

控制計算機使用開源的地面站軟件Mission planner，該軟件可以完成飛控的初始設(shè)置完成對電機調(diào)速器、舵機的方向、行程的設(shè)置。該軟件可以對飛控進行航點編輯導(dǎo)入（如圖1）：執(zhí)行任務(wù)前，軟件通過外網(wǎng)加載的離線衛(wèi)星地圖，也可以加載災(zāi)害發(fā)生后的航測圖，通過點擊地圖圖像獲得經(jīng)緯度參考點，逐一設(shè)置航點后可以設(shè)置無人機圍繞航點的自動環(huán)繞偵查，之后完成對初始航點和結(jié)束航點的設(shè)置，設(shè)置完成后直接通過算法生成二進制文件通過串口燒寫入飛控 [2]。

（1）彈簧刀式固定翼：動力2217無刷電機、起飛重量2kg、機身全長1.4m，翼展1m，推重比1.5、理論最大飛行高500m，最大巡航速度90km/h。

（2）ArkBird1.0飛控：硬件核心為飛控核心MCU，并整合性6軸運動處理組件MPU6000。高度測量功能采用高精度數(shù)字空氣壓力傳感器MS-5611，GPS定位模塊選用MTK 3329，存儲部分采用板載16MB的AT45DB161D存儲器[2]。信息采集功能選用OSD模塊將機器人姿態(tài)、模式、速度、位置等重要數(shù)據(jù)疊加到圖像上實時回傳，系統(tǒng)原理如圖4所示。

（3）圖像傳輸系統(tǒng)[3]：采用RC805發(fā)射機、TS832圖傳接收機搭配500萬像素FPV圖傳攝像頭，理論最大實時圖傳距離2KM、發(fā)射頻率： 5.6-5.9Ghz電壓輸入： 7-24V發(fā)射功率：2000mw工作電流：190mA/12V工作溫度：-10-+85℃視頻帶寬：8M音頻編碼：6.5M圖傳發(fā)射端為：RP-SAM jack（外螺內(nèi)針）天線端為：RP-SMA plug。

（4）電子點火發(fā)射裝置：LBH16R型電子點火器，重量3.3g，體積28*13MM，點火器內(nèi)部為電腦芯片控制，通過WFLY9遙控器接收機中取電，遠(yuǎn)程遙控控制點火器的點火動作發(fā)生與關(guān)閉。B6-4模型火箭助推器，工作時間0.83S，通過氣體燃料為無人機抓捕網(wǎng)提供動力。

5 設(shè)計優(yōu)勢創(chuàng)新點

（1）智能化：反無人機搭載ArkBird1.0飛行控制系統(tǒng)，通過加載實時衛(wèi)星導(dǎo)航地圖，可以逐一設(shè)置航點、返航點，巡航基本脫離地面人員手動操作，真正實現(xiàn)反無人機智能化自主巡航、自動返航。

（2）高效化：以固定翼無人機反制多旋翼無人機，彈簧刀式的氣動布局能賦予反無人機高機動性能，使得旋翼式無人機難以探查到反無人機的位置，高機動性能以及采用高推力火箭推進器的尼龍抓捕網(wǎng)大大提高反制旋翼式無人機的成功率。

（3）安全化：能否在消除“附帶毀傷”的同時做到準(zhǔn)確打擊違規(guī)違法的民用無人機是反無人機市場的重中之重，反無人機給抓捕裝置配備了帶有GPS定位功能的降落傘，成功反制抓捕違規(guī)違法無人機后也可是被抓捕無人機安全降落，大大降低附帶毀傷與二次損傷。

6 應(yīng)用前景

隨著民用無人機技術(shù)的快速發(fā)展，特別是民用無人機成本、操作難度的大大降低，使得利用激光，電磁波等反無人機的效率和效費比問題越來越突出。相比于激光、電磁干擾等手段，以無人機反制無人機的反無人機具有快速、靈活、效費比高等優(yōu)點，在民用市場具有更廣闊的發(fā)展前景。反無人機裝備的研制試驗成功，為防御民用無人機的威脅提供了高效、低成本的措施。

近年來，無人機技術(shù)快速、廣泛擴散，出現(xiàn)了大量各式容易操控的遙控直升機、多旋翼飛行器，與無人機相關(guān)的意外事件頻繁出現(xiàn)，對安全保衛(wèi)、治安管理等形成了挑戰(zhàn)。未來，反無人機技術(shù)必將在安保領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，反無人機的民用市場必定朝著高效率，低成本，智能化的方向發(fā)展[4]，此外，無人機反無人機系統(tǒng)屬于新興裝備，有助于促進微系統(tǒng)、電子通訊等行業(yè)的蓬勃發(fā)展。

【參考文獻(xiàn)】

[1]（美）托馬斯·J.穆勒.固定翼微型飛行器設(shè)計引論[M].航空工業(yè)出版社.2015.

[2]林慶峰.多旋翼無人飛行器嵌入式飛控開發(fā)指南.清華大學(xué)出版社.2017.

[3][美]科里·比爾德（Cory Beard）.無線通信網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng).機械工業(yè)出版社.2017.

[4]（美）蘭德爾·W·比爾德.小型無人機理論與應(yīng)用[M].國防工業(yè)出版社.2017.