無人機系統(tǒng)概念和關(guān)鍵技術(shù)

昂海松

（南京航空航天大學(xué)航空宇航學(xué)院，南京 210016）

1 前言

無人駕駛航空器雖然1917年就已出現(xiàn)，但是原來只是作為軍用航空器的一種補充用途（如靶機、誘餌機等）。直到21世紀無人機才發(fā)展成為航空器中一個重要的分支。無人機從軍用擴展到民用還是近幾年的事，而無人機發(fā)展勢頭之猛、普及程度之快，超出了其他航空器發(fā)展的速度，這是因為無人機研制周期短、相對成本低、使用便捷和無人員傷亡等突出優(yōu)點的緣故[1]。目前無人機系統(tǒng)的功能和使用范圍正在不斷擴大，無人機系統(tǒng)的發(fā)展正在改變著作戰(zhàn)模式，引來軍事上一場深刻的革命。無人機在民用上越來越廣泛的運用，從而推動著無人機系統(tǒng)技術(shù)的迅速發(fā)展，同時也帶來了一系列技術(shù)上的挑戰(zhàn)。

2 無人機系統(tǒng)概念

“無人機”是“無人駕駛航空器”的簡稱，英文簡稱 UAV（即Unmanned Aerial Vehicle的縮寫）。無人機是一種機上無人駕駛、自動程序控制飛行和無線電遙控引導(dǎo)飛行、具有執(zhí)行一定的任務(wù)能力、可重復(fù)使用的飛行器[2]。

“無人機”從狹義概念上主要指的是空中飛行平臺，但從無人機裝備技術(shù)特點上，更重要的是“無人機系統(tǒng)”概念。所謂“系統(tǒng)”，是由若干個相互聯(lián)系、相互作用、相互依存的組成部分（要素）結(jié)合而成的、具有特定功能的有機整體，具體從組成上來說，是指“相關(guān)部件（子系統(tǒng)）、軟件與功能的有機集合”；從技術(shù)上來說，是指“具有相互依存功能的機械結(jié)構(gòu)、電器、電子的一種集合”。飛機本身可以作為一個獨立系統(tǒng)，而無人駕駛空中飛行器平臺通常不是一個獨立系統(tǒng)，這正是無人機系統(tǒng)不同于有人駕駛飛機之處。

2005年美國在“無人機系統(tǒng)線路圖”報告中，不再單純提“無人飛行器（UAV）”，而將“無人機系統(tǒng)（UAS：Unmanned Aircraft System）”作為基本概念[3]。即UAS不僅是無人飛行器本身，還包括無人機通信、任務(wù)載荷設(shè)備和地面設(shè)備（地面測控站、發(fā)射與回收設(shè)備、地面保障設(shè)備）。從更廣意義上，“無人機系統(tǒng)”還包括地面測控?zé)o人機的操作人員。無人機系統(tǒng)的組成如圖1所示。

圖1 無人機系統(tǒng)組成框圖

3 無人機系統(tǒng)特點

無人機由于不需機載操縱人員，而帶來一系列優(yōu)點：

（1）無機載人員損失。無人機在作戰(zhàn)時或飛行器失事時不會危及飛行員和機組人員。

（2）減少設(shè)備和質(zhì)量。由于機上沒有駕駛?cè)藛T，因此可省去駕駛艙和人工操縱機構(gòu)，也省去有關(guān)的人機環(huán)境控及安全救生設(shè)備，因而大大減輕了飛機的質(zhì)量。

（3）降低成本，研制周期短。無人機內(nèi)部系統(tǒng)設(shè)備比較簡潔，減少了大量設(shè)備的研制，因此研制費用低，也減少了機上駕駛?cè)藛T的長時期訓(xùn)練，只需訓(xùn)練在地面操作的有關(guān)人員，大大縮短了研制周期。

（4）更適于執(zhí)行危險性高、續(xù)航時間長的任務(wù)。對于執(zhí)行深入敵境的突防軍用飛機，很容易受到敵方的導(dǎo)彈炮火的攻擊，無人機更適于執(zhí)行這類高危險性任務(wù)。由于無人機的重量輕、體積小而大大減少了摩擦阻力和升致阻力，能源的消耗也大為減少，因此增加了留空飛行時間。

（5）更高的機動性，不受人員高速過載和環(huán)境的限制。由于機上沒有駕駛員，戰(zhàn)斗機高機動過載引起的駕駛員身體所能承受的生理限制或者引起暈眩誤操作的可能性，都將不復(fù)存在；也不存在缺氧、低溫、低氣壓對機載人員造成的影響。

（6）隱蔽性好，相對體積小。由于無人機減少了機載人員、大量設(shè)備，其體積會明顯減小，也便于設(shè)計各種非常規(guī)布局、表面積小的飛行器，因此更適于隱身設(shè)計，從而也增強了突防能力。

（7）使用維護方便。無人機機載系統(tǒng)組成相對比較簡單，因此使用維護的程序也大大減少，無人機上機載設(shè)備和部件一旦出現(xiàn)故障，還可以進行模塊式更換，迅速修好再使用。

（8）起飛、著陸容易。中小型無人機無需機場，可采用彈射起飛或手拋起飛；大型無人機也可大大縮短起飛與著陸滑跑距離；無人機還可以采用傘降與氣囊等著陸手段。

美國國防部無人機系統(tǒng)路線圖中提到無人機三個方面比有人飛機更具優(yōu)勢：更加適合執(zhí)行枯燥無味的任務(wù)；更有利于執(zhí)行有放射性侵害的任務(wù)（如核武器爆炸后采集放射樣本）；更便于執(zhí)行危險的任務(wù)，如避免有人偵察機、有人對敵攻擊機所造成的機組人員損失，以及其他飛機機載人員可能當(dāng)做人質(zhì)等，如果空中任務(wù)失敗，采用無人機的政治和人員風(fēng)險更低。無人機執(zhí)行任務(wù)有更低的負面風(fēng)險和更高的任務(wù)成功率[4]。“無人機系統(tǒng)線路圖”報告認為無人機系統(tǒng)正通過執(zhí)行許多復(fù)雜而危險的任務(wù)而不造成巨大經(jīng)濟損失和人員傷亡，改變著全球反恐和其它戰(zhàn)爭的軍事作戰(zhàn)方式。

圖2 無人機系統(tǒng)

4 無人機系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

無人機系統(tǒng)技術(shù)在很大程度上已不同于有人駕駛航空器常規(guī)技術(shù)。目前無人機系統(tǒng)技術(shù)研究的論文雖然很多，但是哪些是無人機系統(tǒng)特有的關(guān)鍵技術(shù)，需要我們做研究、分析和歸納。我們初步分析，無人機系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)主要體現(xiàn)在如下幾方面。

4.1 無人機空中平臺設(shè)計的特殊問題

由于無人機不受人員高速過載、環(huán)境適應(yīng)性和內(nèi)部設(shè)備少的限制，因此，更適于創(chuàng)新設(shè)計各種非常規(guī)布局構(gòu)型的無人機飛行平臺，更適于設(shè)計外形隱身性好的無人機[5]。無人機體積小、重量輕，更強調(diào)高度集成設(shè)計，因此無人機不能像大型飛機那樣各個部件和分系統(tǒng)可以獨立設(shè)計，必須統(tǒng)一設(shè)計、綜合考慮，先進的無人機需要進行協(xié)調(diào)綜合“優(yōu)化”設(shè)計。

要減少無人機結(jié)構(gòu)質(zhì)量，更多的需采用復(fù)合材料。目前，無人機多半采用比模量、比強度高的碳纖維樹脂復(fù)合材料和玻璃纖維材料。為了減少著陸碰撞損傷，也有將著陸部分結(jié)構(gòu)用芳綸纖維復(fù)合材料構(gòu)造。

圖3 全球鷹無人機結(jié)構(gòu)圖

4.2 無人機對能源與動力的特殊需求

推重比大、質(zhì)量輕小和長航時是無人機對能源與動力的主要需求。直接將有人駕駛飛行器的動力裝置用于無人機，多半并不適合。

活塞式發(fā)動機和噴氣式發(fā)動機的小型化設(shè)計成為大中型無人機之必須。無刷電動機成為微小型無人機的首選，當(dāng)然，目前鋰電池的能重比限制難以支撐無人機長航時飛行，因此，新的電能（燃料電池、鋁空氣電池、太陽能電池等）正在發(fā)展中。

4.3 無人機的自主飛行控制與導(dǎo)航技術(shù)

無人機上沒有人員駕駛，自主飛行控制與導(dǎo)航技術(shù)必然成為無人機的核心技術(shù)，地面人員遙控技術(shù)只是無人機系統(tǒng)的輔助控制技術(shù)。無人機飛行控制要實現(xiàn)像飛行員一樣駕駛的水平目前仍然有困難，因為飛行員對飛機在空中環(huán)境的識別能力、駕馭能力和遭遇特殊情況的處理能力依賴人的智慧和長期訓(xùn)練的經(jīng)驗。

無人機飛行控制的智能化成為自主飛行控制與導(dǎo)航技術(shù)的必然途徑，如無人機故障的識別與控制、無人機的抗干擾能力（如陣風(fēng)、電磁干擾）、自主飛行路線的規(guī)劃與修正[6]。

4.4 無人機系統(tǒng)通信與數(shù)據(jù)鏈技術(shù)

地面測控人員要實時保持與無人機空中平臺的聯(lián)系，遙控、遙測、跟蹤無人機的狀態(tài)、飛行軌跡、任務(wù)載荷情況；無人機要將任務(wù)實施的結(jié)果（如目標(biāo)圖像）傳送回地面站。這些都需要建立無人機空中平臺與地面站之間的無線通信鏈路——數(shù)據(jù)鏈，包括地面遠程遙控遙測雙向鏈路和任務(wù)載荷的雙向鏈路等[7]。

圖4 視覺輔助導(dǎo)航技術(shù)

無人機數(shù)據(jù)鏈要解決遠距離傳輸能力、寬帶傳輸能力，要具有低功耗、低誤碼率和高接收靈敏度能力，要提高抗干擾能力。對于軍用無人機，地面站還需要具有低截獲概率、抗欺騙性、防反輻射攻擊能力，以及提供數(shù)據(jù)加密功能等。無人機蜂群組網(wǎng)通信技術(shù)也正發(fā)展中。

4.5 無人機系統(tǒng)的任務(wù)載荷設(shè)備技術(shù)

無人機系統(tǒng)的意義不在于無人機平臺，而是要用于執(zhí)行特殊任務(wù)?？梢哉f，軍用型、工業(yè)型或?qū)I(yè)型無人機系統(tǒng)正是根據(jù)專門的任務(wù)目標(biāo)來設(shè)計的。

無人機的偵察任務(wù)，需要對白天、夜間、霧霾環(huán)境、雨天、樹葉遮擋等環(huán)境下獲取高清圖像，于是光學(xué)變焦高分辨率攝像、紅外熱成像、合成孔徑雷達成像、激光雷達成像、多光譜成像、高光譜成像、立體成像等技術(shù)正在運用到無人機上。要控制、防抖、跟蹤目標(biāo)，各種輕巧靈活的偵察控制云臺吊艙應(yīng)運而生。

航測、物流、消防、公安、電力巡檢、交通管理、橋梁檢測、環(huán)境污染檢測等等不但需要無人機機載特種設(shè)備，還需要地面測控、顯示和分析處理系統(tǒng)。

偵察-打擊一體化無人機系統(tǒng)的創(chuàng)新成功，大大擴展了無人機的軍事作用。如何設(shè)計適用于無人機的自主偵察與火控裝置，以及適用于無人機的武器裝備，將是軍用航空發(fā)展的重要方向[8]。協(xié)同作戰(zhàn)、蜂群戰(zhàn)術(shù)給無人機系統(tǒng)展現(xiàn)了更加誘人的軍用前景。

4.6 無人機發(fā)射與回收技術(shù)

目前有人駕駛飛機的起飛和著陸主要取決于駕駛員的正確判斷和操縱。而無人機上沒有飛行員，毫無疑問，其起飛和著陸的難度大得多，無論是無人機遙控起降還是自主控制起降。 大型無人機滑跑著陸仍然是個難點，微波和視覺引導(dǎo)滑跑著陸正在發(fā)展中。中小無人機常采用彈射起飛技術(shù)，如液壓彈射技術(shù)、火箭助推起飛技術(shù)、車載助推發(fā)射技術(shù)。傘降技術(shù)、著網(wǎng)回收技術(shù)、撞繩回收技術(shù)、氣囊回收技術(shù)也是中小無人機所采用的。

無人機垂直起降技術(shù)無需機場跑道，因而是無人旋翼類航空器發(fā)展的重要原因。為了使固定翼無人機也具有垂直/短距起降能力，矢量推力技術(shù)、傾轉(zhuǎn)旋翼無人機和固定翼-旋翼組合式無人機起降技術(shù)、艦載無人機自主起飛與著艦技術(shù)正在發(fā)展中。

圖5 幾種成像裝置

圖6 一種液壓彈射裝置

圖7 無人機感知與避障系統(tǒng)解決方案

4.7 無人機的環(huán)境感知、視覺導(dǎo)航與避障技術(shù)

能否實現(xiàn)無人機智能化的自主飛行，如何保障空中無人機與有人駕駛航空器的交通管理和安全性，成為無人機能否科學(xué)健康地發(fā)展的重要問題。從技術(shù)上來看，研究與發(fā)展無人機對飛行環(huán)境的感知能力和自主避障功能，就成為解決上述問題的關(guān)鍵技術(shù)之一。尤其是無人機在低空、城市、山林、室內(nèi)、群飛等復(fù)雜環(huán)境中飛行，是否能自主避障至關(guān)重要。

視覺感知是無人機對環(huán)境感知最重要的技術(shù)，單目視覺感知技術(shù)、雙目視覺深度感知和立體視覺技術(shù)、光流感知技術(shù)正從簡單的視覺向智能化仿生視覺發(fā)展。單純視覺技術(shù)尚難實現(xiàn)全自主導(dǎo)航，因此視覺導(dǎo)航技術(shù)正與衛(wèi)星導(dǎo)航、激光掃描測距、紅外測距、超聲波測距、微波與毫米波雷達測距等技術(shù)相結(jié)合，更加精確地感知環(huán)境，實現(xiàn)自主避障和導(dǎo)航功能。

無人機系統(tǒng)尚處于發(fā)展階段，新型的無人機還在不斷被設(shè)計創(chuàng)造。無人機系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)也在不斷發(fā)展中，智能化、環(huán)境感知能力、自適應(yīng)能力、隱身技術(shù)、協(xié)同作戰(zhàn)能力、微小型化、長航時動力與能源的發(fā)展，將使無人機系統(tǒng)具有更加神奇的功能和更加廣闊的應(yīng)用前景。

參 考 文 獻

［1］Office of the secretary of defense，Unmanned aircraft systems roadmap.2005-2030，UAS，2005.

［2］Austin R.著，陳自力，董海瑞，江濤譯.無人機系統(tǒng)-設(shè)計.開發(fā)與應(yīng)用［M］.國防工業(yè)出版社，2013.

［3］Angelov P.Sense and avoid in UAS∶Research and applications［M］.Hoboken∶John Wiley&Sons，2012.

［4］任志文.無人機動力裝置選型分析［A］.中國航空學(xué)會.2014.5

［5］昂海松，周建江，曹云峰，等.微型飛行器系統(tǒng)技術(shù)［M］.科學(xué)出版社，2014.

［6］Li B，Mu C，Wu B.A survey of vision basedautonomous aerial refueling for Unmanned Aerial Vehicles［C］.in Proceedings of IEEE Third International Conference on Intelligent Control and Inf ormation Processing（ICICIP），2012∶1-6.

［7］世界無人機系統(tǒng)大全編寫組.世界無人機系統(tǒng)大全［M］.航空工業(yè)出版社，2015.

［8］昂海松，余雄慶.飛行器先進設(shè)計技術(shù)（第二版）［M］.國防工業(yè)出版社，2014.