無(wú)人機(jī)自動(dòng)機(jī)場(chǎng)發(fā)展現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)

管宇鋒，李煦凱，陳培全

1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所

2.河南師范大學(xué)

本文介紹無(wú)人機(jī)自動(dòng)機(jī)場(chǎng)的優(yōu)勢(shì)、典型應(yīng)用場(chǎng)景及組成，總結(jié)無(wú)人機(jī)自動(dòng)機(jī)場(chǎng)關(guān)鍵技術(shù)，分析無(wú)人機(jī)自動(dòng)機(jī)場(chǎng)在應(yīng)用中存在的問(wèn)題，并對(duì)其未來(lái)發(fā)展進(jìn)行展望。

隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，小型無(wú)人機(jī)系統(tǒng)在偵察、監(jiān)視、打擊、邊境巡邏、電力線路巡檢、農(nóng)業(yè)植保，城市安防等軍事與民用領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但是，小型無(wú)人機(jī)系統(tǒng)也存在一些問(wèn)題。

首先，小型無(wú)人機(jī)特別是電動(dòng)多旋翼無(wú)人機(jī)，其續(xù)航時(shí)間短，須頻繁更換電池。

第二，小型無(wú)人機(jī)須要專(zhuān)業(yè)無(wú)人機(jī)操控員操控和維護(hù)，長(zhǎng)時(shí)間、高頻次的作業(yè)所須人力成本居高不下。

無(wú)人機(jī)自動(dòng)機(jī)場(chǎng)的優(yōu)勢(shì)

為解決上述問(wèn)題，針對(duì)特定使用場(chǎng)景且可自動(dòng)充電、換電的無(wú)人機(jī)自動(dòng)機(jī)場(chǎng)應(yīng)運(yùn)而生，并擁有諸多優(yōu)點(diǎn)。

一是為小型無(wú)人機(jī)提供自動(dòng)充當(dāng)換電方案，使無(wú)人機(jī)能迅速升空并執(zhí)行任務(wù)，極大提高了作業(yè)效率。

二是提供一種全自主作業(yè)方式。自動(dòng)機(jī)場(chǎng)中的無(wú)人機(jī)不再須要專(zhuān)業(yè)操控員控制和維護(hù)，其作業(yè)時(shí)間不受人員生理極限等因素的限制，可以開(kāi)展全天時(shí)飛行作業(yè)，極大降低了無(wú)人機(jī)運(yùn)營(yíng)成本的人力成本。

三是在任務(wù)現(xiàn)場(chǎng)部署無(wú)人機(jī)自動(dòng)機(jī)場(chǎng)，小型無(wú)人機(jī)能快速應(yīng)對(duì)突發(fā)事件，極大提升了無(wú)人機(jī)的快速響應(yīng)能力。

典型應(yīng)用場(chǎng)景

第一，無(wú)人機(jī)自動(dòng)機(jī)場(chǎng)可部署在偏遠(yuǎn)、不適合人類(lèi)長(zhǎng)期生活的地區(qū)，為無(wú)人機(jī)執(zhí)行石油管道巡檢、電力線路巡檢、光伏電站巡檢等任務(wù)創(chuàng)造條件。

第二，在無(wú)人機(jī)自動(dòng)機(jī)場(chǎng)支持下，無(wú)人機(jī)能對(duì)城市交通巡邏等任務(wù)做出快速響應(yīng)。

第三，無(wú)人機(jī)自動(dòng)機(jī)場(chǎng)可提供7×24h作業(yè)服務(wù)，無(wú)人機(jī)進(jìn)而能承擔(dān)邊境巡邏、海上巡邏、緝私巡邏等任務(wù)。

圖1 “無(wú)人機(jī)亭”無(wú)人機(jī)自動(dòng)機(jī)場(chǎng)。

國(guó)外無(wú)人機(jī)自動(dòng)機(jī)場(chǎng)產(chǎn)品

新加坡H3動(dòng)力公司“無(wú)人機(jī)亭”自動(dòng)機(jī)場(chǎng)

新加坡H3動(dòng)力公司（H3Dynamics）公司“無(wú)人機(jī)亭”（Dronebox）無(wú)人機(jī)自動(dòng)機(jī)場(chǎng)采用無(wú)線充電方式對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行充電。整個(gè)系統(tǒng)使用內(nèi)置儲(chǔ)能電池，利用太陽(yáng)能電池陣列收集能源，并將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，給無(wú)人機(jī)供電，并配置了備用氫燃料電池，當(dāng)遇到陰雨天，太陽(yáng)能電池?zé)o法提供電能時(shí)，無(wú)人機(jī)自動(dòng)機(jī)場(chǎng)也能正常工作。

以色列空中機(jī)器人公司無(wú)人機(jī)自動(dòng)機(jī)場(chǎng)

以色列空中機(jī)器人（Airobotics）公司開(kāi)發(fā)的無(wú)人機(jī)自動(dòng)機(jī)場(chǎng)具有自動(dòng)更換電池、自動(dòng)更換任務(wù)載荷的功能。其中，無(wú)人機(jī)平臺(tái)的降落定位精度可達(dá)5cm，搭載1kg任務(wù)載荷能飛行30min，并配備有應(yīng)急降落傘，在緊急情況下，傘降機(jī)構(gòu)被觸動(dòng)后可確保無(wú)人機(jī)安全降落。

圖2 空中機(jī)器人公司開(kāi)發(fā)的無(wú)人機(jī)自動(dòng)機(jī)場(chǎng)。

無(wú)人機(jī)自動(dòng)機(jī)場(chǎng)的組成

無(wú)人機(jī)自動(dòng)機(jī)場(chǎng)主要由無(wú)人機(jī)系統(tǒng)、起降系統(tǒng)以及后臺(tái)綜合管理系統(tǒng)三部分組成，其具體組成詳見(jiàn)圖3。

無(wú)人機(jī)系統(tǒng)

無(wú)人機(jī)系統(tǒng)由無(wú)人機(jī)平臺(tái)、任務(wù)載荷、機(jī)載通信系統(tǒng)、機(jī)載充電與換電裝置組成。其中，機(jī)載充電裝置用于充電型無(wú)人機(jī)，由起落架上安裝的接觸裝置或者無(wú)線充電接收裝置組成。換電裝置用于換電型無(wú)人機(jī)，它位于機(jī)身內(nèi)部，用來(lái)固定電池，換電裝置既要保證無(wú)人機(jī)飛行過(guò)程中電池安裝牢固，又要保證換電操作時(shí)機(jī)械臂可以順利將電池取出。

起降系統(tǒng)

在非任務(wù)期間，起降系統(tǒng)為備用電池充電，并使系統(tǒng)內(nèi)部保持恒定的溫度和濕度；在任務(wù)期間，起降系統(tǒng)監(jiān)控?zé)o人機(jī)起降與作業(yè)，并完成無(wú)人機(jī)充電或換電操作。綜合管理控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)與管理，并接受后臺(tái)綜合管理系統(tǒng)的監(jiān)管與調(diào)度。圖4是幾種典型起降系統(tǒng)。

下面介紹起降系統(tǒng)的組成及功能。

（1）艙門(mén)開(kāi)關(guān)裝置

艙門(mén)開(kāi)關(guān)裝置對(duì)起降系統(tǒng)進(jìn)行密封保護(hù)，其常用開(kāi)關(guān)方式有上部開(kāi)放式、側(cè)面開(kāi)放式、三面開(kāi)放式。

（2）無(wú)人機(jī)停機(jī)坪

停機(jī)坪一般設(shè)有引導(dǎo)標(biāo)識(shí)，無(wú)人機(jī)采用視覺(jué)導(dǎo)航技術(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)降落。

（3）停機(jī)坪升降裝置

該裝置對(duì)停機(jī)坪的升起以及收回進(jìn)行控制。

（4）無(wú)人機(jī)歸位裝置

無(wú)人機(jī)降落在停機(jī)坪的位置會(huì)存在誤差，而無(wú)人機(jī)充電和換電操作須要精確的相對(duì)位置。歸位裝置能將無(wú)人機(jī)移動(dòng)到準(zhǔn)確的位置，使無(wú)人機(jī)完成充電和換電操作。

（5）充電與換電裝置

換電式自動(dòng)機(jī)場(chǎng)一般采用高精度機(jī)械臂進(jìn)行換電操作，充電式自動(dòng)機(jī)場(chǎng)由接觸式探針或者無(wú)線充電裝置組成。

（6）溫濕度控制系統(tǒng)

溫濕度控制系統(tǒng)使起降系統(tǒng)內(nèi)部環(huán)境保持恒定的溫度和濕度，確保無(wú)人機(jī)以及電池等設(shè)備正常工作。

（7）內(nèi)部視頻監(jiān)視系統(tǒng)

該系統(tǒng)可監(jiān)視起降系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)備的運(yùn)行狀況，為操作人員進(jìn)行遠(yuǎn)程故障診斷提供支持。

（8）平臺(tái)供電系統(tǒng)

平臺(tái)供電系統(tǒng)為整個(gè)無(wú)人機(jī)自動(dòng)機(jī)場(chǎng)提供電力，一般采用市電接入方式供電。對(duì)于無(wú)市電接入的部署位置，使用太陽(yáng)能、風(fēng)能提供電力能源。

圖3 無(wú)人機(jī)自動(dòng)機(jī)場(chǎng)組成框架圖。

圖4 幾種典型起降系統(tǒng)。

圖5 無(wú)人機(jī)歸位裝置。

（9）外部避雷裝置

該裝置用于雷雨天氣避雷，保障無(wú)人機(jī)自動(dòng)機(jī)場(chǎng)安全運(yùn)行。

（10）風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量裝置

該裝置用于風(fēng)速、風(fēng)向等氣象信息測(cè)量，保證無(wú)人機(jī)安全起降與作業(yè)。

（11）外部視頻監(jiān)視系統(tǒng)

外部視頻監(jiān)視系統(tǒng)對(duì)起降系統(tǒng)及其周?chē)h(huán)境進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視，起安全保護(hù)作用。

（12）綜合管理控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)對(duì)整個(gè)自動(dòng)機(jī)場(chǎng)進(jìn)行管理，涉及無(wú)人機(jī)起降、充電、通信、任務(wù)規(guī)劃等方面的管理。

（13）地面通信系統(tǒng)

地面通信系統(tǒng)為起降系統(tǒng)、無(wú)人機(jī)與后臺(tái)管理系統(tǒng)提供信息通信支持。

后臺(tái)綜合管理系統(tǒng)

后臺(tái)綜合管理系統(tǒng)對(duì)部署在遠(yuǎn)端的無(wú)人機(jī)自動(dòng)機(jī)場(chǎng)進(jìn)行飛行管理、任務(wù)調(diào)度、運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)、遠(yuǎn)程故障診斷等一系列操作。

圖6 無(wú)人機(jī)自動(dòng)機(jī)場(chǎng)后臺(tái)云監(jiān)管系統(tǒng)。

圖7 無(wú)人機(jī)機(jī)載無(wú)線充電裝置。

無(wú)人機(jī)自動(dòng)機(jī)場(chǎng)的關(guān)鍵技術(shù)

精準(zhǔn)定位技術(shù)

由于無(wú)人機(jī)降落位置受起降系統(tǒng)尺寸的限制，無(wú)人機(jī)降落定位精度須控制在30cm以內(nèi)。小型無(wú)人機(jī)定位一般依賴(lài)于GPS，普通單點(diǎn)GPS水平定位圓概率誤差（CEP）為1.5m。這種精度顯然無(wú)法滿足無(wú)人機(jī)在自動(dòng)機(jī)場(chǎng)降落的定位要求，無(wú)人機(jī)須借助其他技術(shù)提高降落定位精度。目前，應(yīng)用較多的無(wú)人機(jī)精準(zhǔn)降落定位技術(shù)主要有實(shí)時(shí)差分定位技術(shù)和視覺(jué)導(dǎo)航技術(shù)。

基于RTK（Real Time Kinematic）的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)引導(dǎo)無(wú)人機(jī)精準(zhǔn)降落，無(wú)人機(jī)的相對(duì)定位精度可達(dá)厘米級(jí)。當(dāng)無(wú)人機(jī)采用視覺(jué)導(dǎo)航技術(shù)進(jìn)行降落時(shí)，無(wú)人機(jī)機(jī)載圖像識(shí)別設(shè)備可識(shí)別和檢測(cè)起降系統(tǒng)的特定標(biāo)志物，并計(jì)算無(wú)人機(jī)的相對(duì)位姿，飛控計(jì)算機(jī)根據(jù)相對(duì)位姿信息控制無(wú)人機(jī)精準(zhǔn)降落。

自動(dòng)充電與換電技術(shù)

目前，無(wú)人機(jī)自動(dòng)機(jī)場(chǎng)采用自動(dòng)充電與換電技術(shù)方案。

（1）充電式自動(dòng)機(jī)場(chǎng)

充電式自動(dòng)機(jī)場(chǎng)無(wú)須更換無(wú)人機(jī)的電池。在起降系統(tǒng)內(nèi)部降落并被準(zhǔn)確定位后，無(wú)人機(jī)利用機(jī)載接觸裝置給電池充電。另外，無(wú)人機(jī)機(jī)載無(wú)線充電接收裝置也可為電池充電。

由于電池充電受快充技術(shù)、電池散熱等因素的制約，電池充電時(shí)間一般較長(zhǎng)，而采用無(wú)線充電技術(shù)的電池，其充電時(shí)間更長(zhǎng)。因此，充電式自動(dòng)機(jī)場(chǎng)亟須解決電池充電時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題。

（2）換電式自動(dòng)機(jī)場(chǎng)

無(wú)人機(jī)在換電式自動(dòng)機(jī)場(chǎng)降落后，起降系統(tǒng)內(nèi)部的高精度機(jī)械臂從無(wú)人機(jī)上取下電池，并置入電池存儲(chǔ)艙中，然后從電池存儲(chǔ)艙中取出滿電的電池，安裝在無(wú)人機(jī)上，換電時(shí)間較短，整個(gè)換電過(guò)程僅3min左右。無(wú)人機(jī)完成換電操作后可快速起飛執(zhí)行任務(wù)。

換電方式對(duì)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)路徑、重復(fù)運(yùn)動(dòng)精度有較高要求。無(wú)人機(jī)電池存儲(chǔ)艙結(jié)構(gòu)應(yīng)采用合理的設(shè)計(jì)，機(jī)械臂應(yīng)具有精準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)軌跡，這樣才能保證機(jī)械臂以最輕量化方案和最佳運(yùn)動(dòng)路徑、最短運(yùn)行時(shí)間更換電池。如果機(jī)械臂重復(fù)運(yùn)動(dòng)的精度達(dá)不到要求，機(jī)械抓手則可能對(duì)無(wú)人機(jī)造成破壞。

圖8 一種換電裝置的機(jī)械臂。

圖9 某無(wú)人機(jī)槳葉未定向外包絡(luò)尺寸與槳葉被定向后的外包絡(luò)尺寸對(duì)比圖。

槳葉停轉(zhuǎn)位置鎖定技術(shù)

電動(dòng)多旋翼無(wú)人機(jī)一般采用無(wú)刷電機(jī)提供動(dòng)力。無(wú)人機(jī)每次停機(jī)后，其槳葉的位置具有隨機(jī)性。而起降系統(tǒng)的最小尺寸應(yīng)滿足無(wú)人機(jī)外包絡(luò)尺寸的要求。多旋翼無(wú)人機(jī)降落后，使用螺旋槳定向裝置可以精確控制槳葉停止旋轉(zhuǎn)的位置，進(jìn)而減小外包絡(luò)尺寸。圖9為某型無(wú)人機(jī)采用定向包絡(luò)手段后，其外包絡(luò)尺寸比正常外包絡(luò)尺寸減小38.7%。外包絡(luò)尺寸減小，可以減小起降系統(tǒng)的尺寸和重量，降低安裝場(chǎng)地的條件限制，降低自動(dòng)機(jī)場(chǎng)的使用與維護(hù)成本。

通信技術(shù)

無(wú)人機(jī)自動(dòng)機(jī)場(chǎng)采用4G、5G移動(dòng)通信技術(shù)對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制與管理，而現(xiàn)有移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)主要為地面用戶提供服務(wù)。如果無(wú)人機(jī)的飛行高度在300m以上，現(xiàn)有移動(dòng)通信系統(tǒng)無(wú)法保證無(wú)人機(jī)中高空作業(yè)的通信需求。因此，寬帶移動(dòng)通信技術(shù)可為無(wú)人機(jī)中高空作業(yè)提供通信覆蓋。

無(wú)人機(jī)自動(dòng)機(jī)場(chǎng)存在的問(wèn)題

無(wú)人機(jī)自動(dòng)機(jī)場(chǎng)的性能不斷提升，應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛。但是，在實(shí)際應(yīng)用中，無(wú)人機(jī)自動(dòng)機(jī)場(chǎng)仍存在一些問(wèn)題。

（1）無(wú)人機(jī)平臺(tái)缺乏專(zhuān)業(yè)化設(shè)計(jì)

現(xiàn)有無(wú)人機(jī)自動(dòng)機(jī)場(chǎng)中的無(wú)人機(jī)平臺(tái)大多由第三方無(wú)人機(jī)簡(jiǎn)單改裝而成。此類(lèi)無(wú)人機(jī)在設(shè)計(jì)之初并沒(méi)有考慮自動(dòng)機(jī)場(chǎng)的實(shí)際使用需求。為了給無(wú)人機(jī)自動(dòng)機(jī)場(chǎng)配置專(zhuān)用無(wú)人機(jī)平臺(tái)，無(wú)人機(jī)機(jī)體、電池艙、起落架等部件均須要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（2）環(huán)境適應(yīng)性較差

無(wú)人機(jī)自動(dòng)機(jī)場(chǎng)須要長(zhǎng)時(shí)間在惡劣環(huán)境下工作，經(jīng)受著雨水、風(fēng)沙、高低溫等天氣和環(huán)境的考驗(yàn)?，F(xiàn)有起降系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選用存在不足，不能滿足各種野外工作環(huán)境。

（3）系統(tǒng)能耗大

無(wú)人機(jī)自動(dòng)機(jī)場(chǎng)在野外無(wú)外部電源供給，僅依靠太陽(yáng)能、風(fēng)能等能源發(fā)電，無(wú)法保證充足的電能，自動(dòng)機(jī)場(chǎng)運(yùn)轉(zhuǎn)受到影響。

（4）設(shè)備兼容性低

由于無(wú)人機(jī)自動(dòng)機(jī)場(chǎng)缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，同一廠家起降系統(tǒng)只能兼容一種無(wú)人機(jī)機(jī)型。不同廠家的起降系統(tǒng)互不兼容，導(dǎo)致設(shè)備利用率低、研發(fā)成本高、用戶使用成本高。

未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

存在的問(wèn)題也為無(wú)人機(jī)自動(dòng)機(jī)場(chǎng)的未來(lái)發(fā)展指明了方向。無(wú)人機(jī)自動(dòng)機(jī)場(chǎng)呈現(xiàn)的發(fā)展趨勢(shì)包括如下幾個(gè)方面。

（1）標(biāo)準(zhǔn)化裝置開(kāi)發(fā)

起降系統(tǒng)、電池、充電與換電裝置等設(shè)備開(kāi)發(fā)采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，既有利于設(shè)備維護(hù)和維修，又能大幅降低設(shè)計(jì)和研發(fā)成本，加快無(wú)人機(jī)自動(dòng)機(jī)場(chǎng)產(chǎn)業(yè)化和規(guī)模化運(yùn)營(yíng)步伐。

（2）起降系統(tǒng)兼容性提升

無(wú)人機(jī)自動(dòng)機(jī)場(chǎng)采用標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，只要各起降系統(tǒng)相互兼容，無(wú)人機(jī)在同一區(qū)域作業(yè)時(shí)，可以任意降落在第三方起降系統(tǒng)進(jìn)行充電與換電。

（3）多元化平臺(tái)拓展

目前，無(wú)人機(jī)自動(dòng)機(jī)場(chǎng)主要供小型電動(dòng)多旋翼無(wú)人機(jī)使用，平臺(tái)配置較為單一。未來(lái)，垂直起降復(fù)合式無(wú)人機(jī)、油動(dòng)無(wú)人機(jī)都是自動(dòng)機(jī)場(chǎng)的潛在用戶。

（4）抗干擾通信技術(shù)開(kāi)發(fā)

無(wú)人機(jī)與起降系統(tǒng)之間、起降系統(tǒng)與后臺(tái)綜合管理系統(tǒng)之間須要通信鏈路，通信系統(tǒng)安全成為一個(gè)重要研究課題。