系留多旋翼無人機(jī)及其應(yīng)用

龍文彪

摘? ?要：系留多旋翼無人機(jī)是將普通多旋翼無人機(jī)與地面電源綜合起來的一種新型無人機(jī)系統(tǒng)，有限解決了航時短的問題，越來越多地應(yīng)用于通信、偵察及監(jiān)控領(lǐng)域。本文總結(jié)了系留多旋翼無人機(jī)的系統(tǒng)組成、性能優(yōu)點及在通信和軍事偵察方面的應(yīng)用，系留多旋翼無人機(jī)在未來將發(fā)揮更大應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：系留多旋翼? 無人機(jī)? 通信中繼? 偵查監(jiān)控

中圖分類號：E926.3;E96? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）01（b）-0057-02

1? 引言

多旋翼無人機(jī)具有定點懸停、垂直起降、操控簡單、成本低等優(yōu)點，成為一款性能優(yōu)異的空中平臺，同時多旋翼無人機(jī)起降不受地形地貌及地面交通的影響，使用范圍廣，在民用及軍用領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。然而，多旋翼無人機(jī)受電池技術(shù)水平的限制，續(xù)航時間較短，大大限制了其應(yīng)用范圍。系留多旋翼無人機(jī)采用地面供電，實現(xiàn)無人機(jī)連續(xù)不間斷飛行，很好的解決了航時短這一問題。

系留多旋翼無人機(jī)是一種新型的無人機(jī)系統(tǒng)，將系留綜合線纜與多旋翼無人機(jī)結(jié)合起來，無人機(jī)飛行過程中，采用地面電源直接供電，供電設(shè)備通過導(dǎo)線為無人機(jī)傳輸電能從而轉(zhuǎn)變了機(jī)載鋰電池供電模式，使得無人機(jī)不受電能限制，可長時間在空中懸停[1]。根據(jù)應(yīng)用場景和工作環(huán)境的不同，地面綜合線纜系統(tǒng)可固定在不同的位置，系留無人機(jī)分為地面固定式、艦載移動式和車載移動式三種。

系留多旋翼無人機(jī)解決了普通多旋翼續(xù)航時間短的問題，并且可廣泛地應(yīng)用于應(yīng)急救災(zāi)、無線電監(jiān)控、軍事通信等領(lǐng)域，成為無人機(jī)未來發(fā)展的一大趨勢，現(xiàn)階段國內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)及無人機(jī)廠商紛紛投入到系留多旋翼無人機(jī)的研發(fā)之中。

2? 系留多旋翼無人機(jī)系統(tǒng)組成

系留無人機(jī)系統(tǒng)與普通多旋翼系統(tǒng)的區(qū)別在于飛行器平臺系統(tǒng)和供電系統(tǒng)，飛行器平臺系統(tǒng)作為空中設(shè)備的搭載平臺，搭載任務(wù)載荷到目標(biāo)區(qū)域上空用于通信中繼或執(zhí)行偵察等任務(wù)。與普通多旋翼不同，系留多旋翼無人機(jī)長時間在空中懸停需要考慮恒風(fēng)或突風(fēng)的影響，在風(fēng)場中懸停時，實際上相當(dāng)于平臺在向來風(fēng)方向做平面飛行，因此系留多旋翼無人機(jī)設(shè)計時需要綜合考慮氣動外形和動力設(shè)計。

系留無人機(jī)與普通多旋翼無人機(jī)最大的區(qū)別在于供電系統(tǒng)的不同，系留多旋翼懸停高度一般為100m或200m，因此從地面到達(dá)平臺供電需要經(jīng)過一定的傳輸距離，為減少電能的消耗，一般采用高壓供電方式，減小輸送電流。系留多旋翼無人機(jī)供電系統(tǒng)包括地面電源、地面升壓模塊、系留線纜及機(jī)載降壓模塊及機(jī)載應(yīng)急電池等，地面電源可為地面電池組、發(fā)電機(jī)或市電，地面電源經(jīng)地面升壓模塊轉(zhuǎn)換至300～400V高壓，經(jīng)系留線纜進(jìn)行高壓電能傳輸至機(jī)載降壓模塊，機(jī)載降壓模塊再將高壓電降至一定低壓為飛機(jī)和機(jī)載電子設(shè)備供電。

系留線纜為復(fù)合光纖電纜，不僅用于傳輸動力電源還用于傳輸平臺電子設(shè)備的光電信號。系留線纜一般由一根動力線、兩根光纖、及增強單元組成，增強單元為系留線纜的承力元件，一般由軟質(zhì)纖維絞制而成，可用于減緩?fù)饬_擊對內(nèi)部線纜的影響。線纜要求具有輕的結(jié)構(gòu)重量，以減輕平臺升力，增加升空高度，提高使用效能。

系留多旋翼通常配備有機(jī)載應(yīng)急電池，用于防止地面供電系統(tǒng)出現(xiàn)問題時無人機(jī)可平穩(wěn)降落。機(jī)載應(yīng)急電池與地面供電系統(tǒng)并聯(lián)設(shè)計，供電時可根據(jù)需求進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換：（1）當(dāng)機(jī)載應(yīng)急電池與地面供電系統(tǒng)都正常時，優(yōu)先使用地面供電系統(tǒng)供電;（2）當(dāng)?shù)孛婀╇娤到y(tǒng)出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)可迅速轉(zhuǎn)換至機(jī)載應(yīng)急電池供電;（3）當(dāng)?shù)孛婀╇娤到y(tǒng)恢復(fù)正常時，無人機(jī)系統(tǒng)又可快速切換回地面供電系統(tǒng)供電。而當(dāng)?shù)孛婀╇娤到y(tǒng)超過2min不能恢復(fù)時，無人機(jī)可依靠機(jī)載應(yīng)急電池安全降落，為保證系留無人機(jī)系統(tǒng)安全，機(jī)載應(yīng)急電池通常設(shè)計有足夠的余量。

3? 系留多旋翼無人機(jī)特點

（1）與普通多旋翼無人機(jī)相比，系留多旋翼無人機(jī)具有長時間的滯空能力，采用系留線纜供電方式，可持續(xù)進(jìn)行供電，減少了機(jī)載電池重量，保證了無人機(jī)全天24h的飛行能力。

（2）相比其他飛行器，系留多旋翼安全性高，無人機(jī)可固定懸停在某一監(jiān)控區(qū)域，懸停高度不會超過200m，不會對其他飛行器造成飛行安全隱患，再者起降環(huán)境要求低，不需要專門的機(jī)場跑道，超低空應(yīng)用無須空域申報或空域協(xié)調(diào);同時無人機(jī)長時間的系留，不需要操作手進(jìn)行頻繁的操作，減少了操作失誤帶來的安全隱患。

（3）相比固定翼無人機(jī)，系留多旋翼具有穩(wěn)定的懸停能力，這是多旋翼無人機(jī)飛行具有的獨特優(yōu)勢，系留多旋翼無人機(jī)通過慣性測量元件對三維角速度、三維加速度及三維速度的狀態(tài)進(jìn)行測量使多旋翼無人機(jī)進(jìn)行穩(wěn)定的懸停。

（4）系留多旋翼無人機(jī)具有良好的電磁兼容能力，多旋翼無人機(jī)飛行過程中電機(jī)、電調(diào)、機(jī)載降壓模塊、大電流線纜等都會產(chǎn)生電磁輻射，通過布線技術(shù)、濾波技術(shù)、接地技術(shù)、屏蔽技術(shù)等降低電磁輻射對通信系統(tǒng)的干擾。

（5）系留多旋翼無人機(jī)具有超強的掛載能力，可掛載晝夜光電偵察設(shè)備、無線電偵察設(shè)備及通信中繼設(shè)備等，可滿足不同的使用環(huán)境需求。

（6）與直升機(jī)相比，系留多旋翼無人機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、升降操縱方便、體積小、重量輕、噪音小、可靠性高等優(yōu)點。與直升機(jī)不同，系留多旋翼無人機(jī)飛行原理簡單，不需要復(fù)雜的零部件和機(jī)械結(jié)構(gòu)，對零部件的磨損較小，安全性和可靠性得到提升。

4? 系留多旋翼無人機(jī)的應(yīng)用

（1）系留多旋翼無人機(jī)在通信中的應(yīng)用。

通常情況下無線電波可看做直線傳播，而受地形地貌的影響，直線傳播的無線電波會受到障礙物的阻擋，因此無線通信設(shè)備的天線高度成為影響無線通信覆蓋范圍的重要因素，對于在山區(qū)及高樓林立的地形環(huán)境下通信設(shè)備天線的高度成為制約通信質(zhì)量的首要因素。系留多旋翼無人機(jī)作為通信中繼平臺將通信設(shè)備升高至一定高度，將非視距傳播信道改變?yōu)橐暰鄠鞑バ诺?，從而提高通信距離和改善覆蓋范圍[2]。

地震等自然災(zāi)害發(fā)生時，往往會造成通信設(shè)備的癱瘓，給救援工作帶來極大的不便，傳統(tǒng)解決通信問題往往是搭建臨時的通信基站，而受天線高度的影響服務(wù)范圍有限，難以快速全面快速地展開救援工作。系留多旋翼無人機(jī)作為搭載平臺搭載微型基站、集群微型基站及自組網(wǎng)平臺等多種通信設(shè)備飛抵受災(zāi)區(qū)上空，作為通信中繼提供應(yīng)急通信服務(wù)[3]。相比于傳統(tǒng)臨時通信基站，通過系留多旋翼無人機(jī)搭建的應(yīng)急通信基站具有覆蓋范圍廣、成本低、安全可靠等優(yōu)點，可快速實現(xiàn)與災(zāi)區(qū)取得聯(lián)系。

（2）系留多旋翼無人機(jī)在軍事偵察監(jiān)控中的應(yīng)用。

現(xiàn)階段局部沖突、邊境摩擦問題依然存在，安保與反恐問題越來越受到國家的重視，更多的國家將系留多旋翼無人機(jī)應(yīng)用于軍事偵察和要地監(jiān)控。將攜帶不同載荷的系留多旋翼無人機(jī)部署在邊境地區(qū)或重點防范區(qū)域，可以對目標(biāo)進(jìn)行全天候、不間斷的監(jiān)控，防范惡性事件的發(fā)生，系留多旋翼無人機(jī)同樣可以作為武器的安裝平臺，當(dāng)監(jiān)控目標(biāo)中發(fā)現(xiàn)敵對分子時對目標(biāo)實施精確打擊。

5? 結(jié)語

系留多旋翼無人機(jī)作為一種新型的無人機(jī)系統(tǒng)，突破了普通多旋翼無人機(jī)續(xù)航時間短的問題，越來越多地應(yīng)用于軍事和民用領(lǐng)域。本文介紹了系留多旋翼無人機(jī)的系統(tǒng)組成，對系留多旋翼無人機(jī)的性能優(yōu)點進(jìn)行了總結(jié)，最后介紹了其在通信和軍事偵察中的應(yīng)用，系留多旋翼無人機(jī)由于其獨特的性能優(yōu)點，未來在各個領(lǐng)域?qū)l(fā)揮更大的應(yīng)用價值。

參考文獻(xiàn)

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