多旋翼無(wú)人機(jī)發(fā)展與在通信領(lǐng)域中應(yīng)用

□ 文 王 琪 焦金戈

隨著我國(guó)進(jìn)入全面發(fā)展時(shí)期，科技實(shí)力日益增強(qiáng)，多旋翼無(wú)人機(jī)技術(shù)發(fā)展尤為迅速，廣泛應(yīng)用于軍事領(lǐng)域和民用領(lǐng)域，相關(guān)研究趨向成熟。無(wú)人機(jī)由于其機(jī)型小巧、控制靈活、快速反應(yīng)、搭載選擇多，易于在各個(gè)行業(yè)實(shí)現(xiàn)快速應(yīng)用，例如搭載了航拍模塊的飛行器能實(shí)現(xiàn)航拍功能；搭載了探傷模塊的飛行器能實(shí)現(xiàn)線路檢測(cè)功能。不僅如此，無(wú)人機(jī)在農(nóng)業(yè)灌溉，海洋監(jiān)測(cè)，礦物探測(cè)領(lǐng)域中也有廣泛的應(yīng)用。本文立足于多旋翼無(wú)人機(jī)這個(gè)平臺(tái)，分析多旋翼無(wú)人機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀，探討其在通信領(lǐng)域中的應(yīng)用。

1 多旋翼無(wú)人機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

多旋翼無(wú)人機(jī)誕生于20世紀(jì)60年代，當(dāng)時(shí)還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，主要針對(duì)的是飛行器的控制理論研究，當(dāng)時(shí)的飛行器受制于飛行器的硬件系統(tǒng)不完善，很多研究?jī)H僅停留在算法的層面上，沒(méi)有得到實(shí)踐檢驗(yàn)。比較著名的是賓夕法尼亞大學(xué)提出的Backsteeping算法，其對(duì)應(yīng)的多旋翼無(wú)人機(jī)為HMX4系統(tǒng)，當(dāng)時(shí)在算法上實(shí)現(xiàn)了飛行器的高靈敏度姿態(tài)解算算法，首次在飛行器上搭載圖像系統(tǒng)?？傮w而言，早期對(duì)神經(jīng)控制算法，自適應(yīng)控制算法等等控制算法的研究比較深入。

我國(guó)在多旋翼無(wú)人機(jī)領(lǐng)域的發(fā)展起步較晚，但發(fā)展迅速。在20世紀(jì)末電子芯片產(chǎn)業(yè)進(jìn)入飛速發(fā)展時(shí)期，各種電子器件實(shí)現(xiàn)功能增強(qiáng)的同時(shí)減小了功耗與封裝尺寸，這也極大促進(jìn)了我國(guó)飛行器產(chǎn)業(yè)發(fā)展。我國(guó)不僅對(duì)控制理論和控制算法的研究不斷延伸，還應(yīng)用各種新方法和理論。例如國(guó)防科技大學(xué)在進(jìn)行研究時(shí)，基于Backsteeping算法，使用Matlab等工具對(duì)算法的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行模擬和仿真，利用平方根濾波法調(diào)解出最合適當(dāng)前飛行器的飛行參數(shù)，大大節(jié)省了研究時(shí)間并非常容易利用到實(shí)際飛行工作中。此外，我國(guó)的民用多旋翼無(wú)人機(jī)發(fā)展尤為迅猛，以Dji公司為代表的民辦企業(yè)將多旋翼無(wú)人機(jī)的商業(yè)化應(yīng)用提高到前所未有的程度，并且逐漸發(fā)展為世界民用無(wú)人機(jī)的領(lǐng)軍企業(yè)，旗下的Phantom產(chǎn)品一經(jīng)問(wèn)世便風(fēng)靡全球，極大推動(dòng)了我國(guó)的多旋翼無(wú)人機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

圖1 多旋翼控制流程示意圖

2 多旋翼無(wú)人機(jī)的基本工作原理

多旋翼飛行器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制飛行，并且搭載的各種設(shè)備協(xié)同工作，要求無(wú)人機(jī)的控制、通訊、傳感和信息處理有序同步進(jìn)行，多旋翼無(wú)人機(jī)的工作多任務(wù)協(xié)同完成。如圖1所示，其工作原理可以按照功能分成三部分：飛行器部分、機(jī)載設(shè)備部分和地面站部分。

2.1 飛行器部分

多旋翼無(wú)人機(jī)的基本功能即飛行，這也是無(wú)人機(jī)的核心功能，直接關(guān)系著無(wú)人機(jī)的工作狀況和效果。一個(gè)良好的飛行平臺(tái)能有力支持各項(xiàng)工作開(kāi)展，其中最重要的就是對(duì)飛行姿態(tài)控制。

一般來(lái)說(shuō)，多旋翼無(wú)人機(jī)是一種六自由度的垂直升降機(jī)，假如只有四個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，即只有四個(gè)輸入量，該系統(tǒng)屬于欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，輸入量需要經(jīng)過(guò)精確解算才能達(dá)到控制姿態(tài)的效果。

圖2 機(jī)體坐標(biāo)系示意圖

將無(wú)人機(jī)的運(yùn)動(dòng)描述為兩種運(yùn)動(dòng)：質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)與繞質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)，如圖2，則六個(gè)自由度可以看成是三個(gè)角運(yùn)動(dòng)和三個(gè)質(zhì)心運(yùn)動(dòng)，分別用機(jī)體坐標(biāo)來(lái)進(jìn)行建模，兩個(gè)坐標(biāo)系皆滿足右手定則。這兩個(gè)坐標(biāo)系具體定義如下：

定義集體坐標(biāo)系的遠(yuǎn)點(diǎn)O位于無(wú)人機(jī)的重心位置。坐標(biāo)軸aX 的正方向定義為與無(wú)人機(jī)重心與一個(gè)螺旋槳連線的正方向；aY的正方向與 垂直；aZ正方向?yàn)橘|(zhì)點(diǎn)指向天空方向；aX 、aY、三者的坐標(biāo)系滿足右手法則。

本文中的無(wú)人機(jī)可以看作一個(gè)剛體，利用四元數(shù)方法進(jìn)行描述比較方便建模，機(jī)體坐標(biāo)系和地面坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下：

根據(jù)剛體定點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)歐拉定理可以得出：剛體繞某一固定點(diǎn)的位移可以通過(guò)繞過(guò)此點(diǎn)的某旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度得到。假設(shè)繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的角度為α，xb，yb，zb分別為旋轉(zhuǎn)軸在X軸，Y軸，Z軸方向的分量。

2.2 機(jī)載設(shè)備部分

機(jī)載設(shè)備承擔(dān)了飛行器的任務(wù)工作，利用其設(shè)備完成各項(xiàng)任務(wù)，主要分為傳感器模塊和通訊模塊。飛行過(guò)程中，機(jī)載設(shè)備來(lái)探測(cè)各種外部信息來(lái)配合執(zhí)行裝置完成復(fù)雜的任務(wù)。飛行過(guò)程中需要實(shí)時(shí)采集各種外部數(shù)據(jù)，主控制中心來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。例如攝像頭模塊對(duì)圖像進(jìn)行錄制或者拍照，超聲波模塊來(lái)進(jìn)行測(cè)距和無(wú)人避障。通訊模塊即可實(shí)現(xiàn)和地面站通訊，將數(shù)據(jù)傳送至地面站進(jìn)行處理。

2.3 地面站部分

地面站部分承擔(dān)了無(wú)人機(jī)飛行數(shù)據(jù)的收發(fā)與數(shù)據(jù)處理工作，地面站系統(tǒng)還集中了圖像顯示功能，搭載的圖傳與數(shù)傳設(shè)備方便操作員有效進(jìn)行各項(xiàng)控制與通信。

3 多旋翼無(wú)人機(jī)在通信領(lǐng)域中應(yīng)用

近年來(lái)，通信領(lǐng)域迅速發(fā)展，中國(guó)三大運(yùn)營(yíng)商相繼進(jìn)入了4G網(wǎng)絡(luò)時(shí)代，并在2019年開(kāi)始試運(yùn)營(yíng)5G網(wǎng)絡(luò)，華為中興等主要設(shè)備廠家已經(jīng)開(kāi)始投入到了6G網(wǎng)絡(luò)的研發(fā)中，中國(guó)在通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展處于世界領(lǐng)先地位。技術(shù)在不斷創(chuàng)新發(fā)展，相應(yīng)的設(shè)備規(guī)模也在不斷增長(zhǎng)中，人工成本也在不斷攀升。人們?cè)谙硎苤?G信號(hào)帶來(lái)的快捷和方便的同時(shí)，有一些問(wèn)題值得我們思考。

人們活動(dòng)的范圍日漸增大，說(shuō)明了基站的建設(shè)也不斷增多，難不免有一些基站建在屋頂、山頂、甚至海島上，這些基站也需要日常的維護(hù)與檢修，給維護(hù)人員造成了很大維護(hù)困難。當(dāng)遇到極端情況時(shí)，往往通訊設(shè)備的作用非常重要，因此多旋翼無(wú)人機(jī)在這些領(lǐng)域?qū)⒂泻艽蟮臐摿χ档瞄_(kāi)發(fā)。

3.1 利用多旋翼無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)應(yīng)急網(wǎng)絡(luò)通信

我國(guó)是一個(gè)多山地的國(guó)家，山地、丘陵和高原的面積占全國(guó)土地總面積的69%，這些地區(qū)自然災(zāi)害頻發(fā)，經(jīng)常會(huì)造成當(dāng)?shù)氐耐ㄐ旁O(shè)備損壞，因而造成部分地區(qū)通訊中斷。災(zāi)區(qū)一般處于交通不便的情況下，通訊設(shè)備搶修也極為困難，短時(shí)間內(nèi)不能恢復(fù)正常通訊，這對(duì)于災(zāi)區(qū)搶險(xiǎn)救災(zāi)來(lái)說(shuō)是非常不利的。無(wú)人機(jī)平臺(tái)以其獨(dú)特優(yōu)越性，能在短時(shí)間內(nèi)搭建應(yīng)急網(wǎng)絡(luò)通訊。

多旋翼無(wú)人機(jī)采用電能驅(qū)動(dòng)，飛行靈活、性能穩(wěn)定。如果搭載了基站系統(tǒng)，可作為一個(gè)移動(dòng)基站，大大增強(qiáng)應(yīng)急搶險(xiǎn)的通訊恢復(fù)工作。

如圖3所示，我們?nèi)粘Ｍㄓ嵗玫碾姴梢哉J(rèn)為直線傳輸，當(dāng)遇到障礙物時(shí)其傳輸效果將受到很大影響。如果天空中有一個(gè)基站，將能把通訊范圍擴(kuò)大，實(shí)現(xiàn)該區(qū)域內(nèi)的無(wú)線通訊。依據(jù)測(cè)試結(jié)果來(lái)看，無(wú)人機(jī)系統(tǒng)搭載輕型化4G基站、垂直升空至100米，長(zhǎng)時(shí)間為災(zāi)區(qū)提供Volte及數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等通信保障，覆蓋距離可達(dá)4公里，覆蓋面積可達(dá)50平方公里，支持最大用戶數(shù)可達(dá)1800個(gè)。

采用“系留式”無(wú)人機(jī)將有效解決無(wú)人機(jī)的滯空能力，并將有效減小由于電池重量造成的無(wú)人機(jī)重量。利用高效能的輕質(zhì)電纜無(wú)人機(jī)的工作時(shí)間將由原來(lái)的幾分鐘提升至數(shù)小時(shí)，并能簡(jiǎn)化機(jī)身結(jié)構(gòu)。

3.2 利用多旋翼無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)通訊設(shè)施巡檢

圖3 應(yīng)急網(wǎng)絡(luò)通信示意圖

圖4 系留式多旋翼飛行器

我國(guó)的通訊設(shè)施一般由末端設(shè)備、傳輸設(shè)備和交換設(shè)備組成，其中末端設(shè)備和交換設(shè)備使用人員密集度較高，便于日常應(yīng)用與維護(hù)，而傳輸設(shè)備因其規(guī)模大分布廣且地域不可達(dá)等特性是我們維護(hù)工作中的難點(diǎn)所在，對(duì)于傳輸設(shè)備的維護(hù)特別是基站的維護(hù)，關(guān)系到通信網(wǎng)的正常使用，如果找到行之有效的手段將大大節(jié)約物資與人力成本。多旋翼無(wú)人機(jī)是一種靈活方便的飛行平臺(tái)，利用此平臺(tái)搭載相關(guān)器件可使設(shè)備巡檢的步驟大大簡(jiǎn)化，同時(shí)提高巡檢效率。無(wú)人機(jī)巡檢的具體任務(wù)為：無(wú)人機(jī)按照操作手的指令低速飛行，直至到達(dá)基站塔的頂端位置，執(zhí)行懸停操作。利用搭載的高清拍攝模塊進(jìn)行遠(yuǎn)程外表觀察，觀測(cè)是否有缺陷部位，一旦發(fā)現(xiàn)即刻拍照上傳至地面站，地面站系統(tǒng)進(jìn)行分析。現(xiàn)階段，高清拍攝模塊主要為高清攝像頭、紅外探傷模塊和超聲測(cè)距設(shè)備，對(duì)于一般故障足以進(jìn)行辨別與拍攝，特別是針對(duì)山地或者湖泊等地形難以到達(dá)的基站能有效節(jié)約人工成本。據(jù)江蘇某電信公司實(shí)測(cè)，利用無(wú)人機(jī)巡檢能將巡檢成本降低百分之三十。利用無(wú)人機(jī)巡檢技術(shù)能有效完成對(duì)基站線路斷線、絕緣子脫落及異物識(shí)別等工作；利用無(wú)人機(jī)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，加上地面站專家分析決策，可有效完成基站相關(guān)設(shè)備的巡檢工作。

4 總結(jié)與展望

本文總結(jié)了無(wú)人機(jī)當(dāng)前的發(fā)展?fàn)顩r，介紹了相關(guān)控制方案和在通信領(lǐng)域的應(yīng)用。無(wú)人機(jī)因其控制靈活，功能強(qiáng)大，具有無(wú)可比擬的優(yōu)越性，雖然現(xiàn)階段還有各種困難等待克服，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)看來(lái)無(wú)人機(jī)必將在通信領(lǐng)域大有作為。

科技的發(fā)展日新月異極大地改變著我們的生活與工作，我們只有把握這個(gè)潮流才能不被時(shí)代拋棄?，F(xiàn)階段我國(guó)對(duì)于無(wú)人機(jī)及其應(yīng)用的研究還在如火如荼進(jìn)行當(dāng)中，過(guò)去視距之內(nèi)的工作狀態(tài)正在逐步被淘汰，視距之外的先進(jìn)技術(shù)正在緊鑼密鼓的研究與試驗(yàn)。無(wú)人機(jī)技術(shù)的發(fā)展也極其迅速，在通信領(lǐng)域中的各種應(yīng)用也層出不窮，必將有力推動(dòng)我國(guó)的通信技術(shù)發(fā)展?！?/p>