一種小型警用無人機的裝配與訓練方法

李文廣， 甄智明， 賀津,

(1. 陸軍工程大學石家莊校區(qū)， 河北， 石家莊 050051； 2. 石家莊市公安局， 河北， 石家莊 050051)

0 引言

自2015年公安部明確提出“將警用無人機納入警用航空管理范疇，建立管理、運行和安全工作規(guī)章制度”以來，警用無人機在各級警務(wù)單位、各類警務(wù)工作中發(fā)揮著舉足輕重的作用[1-2]。

但隨著大量警用無人機裝備配發(fā)各級警務(wù)單位，警務(wù)人員缺乏熟練操控技能的問題也愈加突出。一方面，警用無人機操控培訓依賴于無人機廠商，培訓周期短，不能很好地兼顧所有操控人員的需求；另一方面，公安院校缺乏完整的無人機培訓體系，各級警務(wù)單位也沒有健全的配套訓練條件[3]。所以，如何立足于各級警務(wù)單位的訓練條件，建立科學完善的警用無人機操控訓練體系及方法是值得探索與研究的。

為解決上述問題，本文提出了一種小型警用無人機裝配與訓練方法，采用“裝配訓練、虛擬訓練、實飛訓練”相結(jié)合的訓練方法，從不同角度、不同層面培養(yǎng)操控人員的操控技能和技巧，這種方法有效滿足了日常警用無人機飛行訓練。

1 無人機裝配訓練

無人機裝配訓練側(cè)重于培養(yǎng)操控人員對于警用無人機各組件的認識，掌握各組件的功能及線路的連接，主要包括機架組裝、線路焊接及飛控裝機3個部分[4]。

1.1 機架組裝

無人機機架作為骨架部分，起到了支撐整個無人機飛行器和為各部件提供安裝位置的重要作用，是無人機必不可少的部件之一。

以一款塑料材質(zhì)的旋翼無人機機架為例，此款機架共有4個機臂，分紅、黑、白3種顏色可選。應(yīng)選擇同種顏色的一對機臂作為機頭側(cè)機臂，選擇另一種顏色作為機尾側(cè)機臂，便于操控人員通過識別機臂顏色來區(qū)分機頭和機尾方向。旋翼無人機機架由4個機臂、1個上中心板和1個下中心板所組成，各部分如圖1～圖3所示。

圖1 機臂

圖2 上中心板

圖3 下中心板

在機臂的一側(cè)和上中心板的4個邊角位置均設(shè)有金屬螺絞孔，可通過螺絲將4個機臂固定到上中心板上，把螺絲垂直對正螺絲孔，螺絲擰到適合的緊度即可。圖4為4個機臂與上中心板安裝完成后的樣子，紅色機臂為機頭方向，黑色機臂為機尾方向。

圖4 機臂安裝完成

機臂與上中心板安裝完成后，還需將下中心板、腳架和已經(jīng)安裝好的機臂安裝固定在一起。圖5為最終機架安裝完成的模樣。

圖5 機架安裝完成

1.2 線路焊接

線路焊接主要包括電調(diào)焊接和電源供電線焊接2個部分。

(1) 電調(diào)焊接

電調(diào)焊接分為兩種：一種是直接焊接到下中心板的焊點上；另一種是將電調(diào)的正極線焊接到一起，將負極線也焊接到一起。第二種方法適用于不帶焊點的機架，也可通過一塊分電板用來焊接電調(diào)供電線。

以中心板自帶焊點及走線的機架為例，應(yīng)是直接將電調(diào)焊接在下中心板上。電調(diào)的供電線分為紅黑和白黑2種，其中紅色或者白色線表示電調(diào)的正極，要焊接到符號為“+”的焊點；黑色線表示負極，要焊接到符號為“一”的焊點。機架下中心板內(nèi)分布有正負2種焊點：標有“+”號的焊點用于與電源的正極或電調(diào)的正極線相焊接；標有“一”號的焊點用于與電源的負極或電調(diào)的負極線相焊接。將對應(yīng)顏色的電調(diào)供電線焊接在下中心板對應(yīng)符號的焊點上即可。

(2) 電源供電線焊接

焊接時先在插頭焊點和電源線上鍍錫，將紅色正極電源線與XT60電源插頭上帶有“+”號的焊點焊接在一起，將黑色負極電源線與XT60電源插頭的“一”號焊點焊接在一起，然后使用熱縮管將裸露的焊點包裹起來。

在下板焊點和電源線另一端上鍍錫，將焊好電源插頭的電源線焊接到下中心板對應(yīng)的供電焊點上。紅色正極線焊接在帶有“+”號的焊點上，黑色負極線焊接到帶有“一”號的焊點上。焊接好的電源線如圖6所示。

圖6 與下中心板焊接好的電源線

1.3 飛控裝機

飛控作為無人機的核心部件，其安裝分為飛控板安裝和連線安裝兩部分。

(1) 飛控板安裝

飛控板安裝于無人機機架的中心位置，安裝飛控板之前要先將飛控減震支架用3M雙面膠固定在機架的上中心板的正中心。安裝完飛控減震支架后再將飛控板用3M雙面膠固定在減震支架上。需要注意的是飛控板上標注的機頭方向應(yīng)與機架機頭方向相對應(yīng)且飛控板中心要與機架上中心板重合。

(2) 連線安裝

安裝完APM飛控之后，需要按照相應(yīng)的接線規(guī)則連接飛控與電調(diào)以及飛控與遙控器的接收機。具體要根據(jù)飛控、電調(diào)、接收機的使用說明。

2 無人機虛擬訓練

無人機虛擬訓練主要借助模擬器來完成，模擬器的飛行數(shù)據(jù)完全來自真機，可以獲得和操控真機一樣的操控體驗[5]。Phoenix RC模擬器包含上百種固定翼和無人直升機模型，5.5版本還可以在線更新下載DJI精靈四軸無人機模型，可以自由選擇飛行場景、飛行時的天氣狀況等，功能強大。下文以Phoenix RC模擬器為實例進行警用無人機虛擬訓練[6]。

2.1 單通道虛擬訓練

(1) 僅升降舵懸停訓練

在模擬器上方菜單中選擇訓練模式下的懸停訓練，在設(shè)置菜單僅選擇升降舵，這時遙控器上只有升降舵有效，先在方向菜單選擇后面(代表操控者站在無人機后方，即對尾)通過控制升降舵實現(xiàn)無人機懸停，完成對尾僅升降舵后再完成對頭(即操控者站在無人機機頭前方)和對側(cè)(即操控者站在無人機的側(cè)面)的懸停訓練。

(2) 僅副翼懸停訓練

在懸停訓練設(shè)置菜單中選擇副翼，這時遙控器上只有副翼舵有效，在方向菜單中先設(shè)置為后面即對尾，通過控制副翼，實現(xiàn)飛機懇停。完成對尾僅副翼舵后再完成前面(對頭)和側(cè)面(對側(cè))的懸停訓練。

2.2 雙通道虛擬訓練

雙通道即升降通道和副翼通道同時開放，跟單通道相比，需要同時兼顧無人機機頭前后左右4個方向的穩(wěn)定，難度較大。在雙通道訓練中，升降舵和副翼舵的操控方法都是相同的，唯一不同的是需要同時操控這2個舵桿。

在上方菜單中選擇懸停訓練，在設(shè)置菜單中選擇升降舵+副翼，即雙通道懸停訓練，這時遙控器的升降舵和副翼舵同時有效，通過控制升降舵和副翼舵，實現(xiàn)飛機穩(wěn)定懸停。完成對尾(后面)的雙通道懸停訓練后再完成對頭(前面)和對側(cè)(左邊和右邊)訓練。

2.3 全通道虛擬訓練

在完成單通道和雙通道虛擬訓練后，升級訓練即為全通道虛擬訓練。此時開放了操控無人機的所有通道，包括升降舵、副翼舵、方向舵、油門舵以及其他開關(guān)通道。在模擬器中一般只涉及操控無人機運動的4個舵桿，經(jīng)過前期訓練，飛手已經(jīng)掌握了2個舵桿同時協(xié)調(diào)操控的方法，基本養(yǎng)成了壓舵的操控方式。

全通道對尾懸?？梢杂柧毑倏卣呋镜牟倏胤椒?，主要訓練飛手升降、副翼、方向和油門4個舵位間的協(xié)調(diào)以及打舵能力，鍛煉飛手對于操控無人機的快速反應(yīng)能力，完成全通道對尾懸停，意味著無人機操控正式入門。當然，對于全通道虛擬訓練還可以進行8位懸停等其他復雜操作，進一步提升操控能力。

3 無人機實飛訓練

完成無人機裝配訓練和虛擬訓練后，可利用自行裝配的無人機進行實飛訓練。利用實飛訓練，掌握警用無人機訓練流程的組織與實施[7]。

3.1 地面檢查調(diào)試

(1) 對頻檢查

遙控器接收機和發(fā)射機初次使用或者更換接收機時，發(fā)射機需要與新的接收機進行對頻才能正常使用[8]。

將發(fā)射機和接收機保持在50 cm距離以內(nèi)，并打開發(fā)射機電源。雙擊觸摸傳感鍵LNK并選擇SYSTEM，然后按下RTN鍵，在關(guān)聯(lián)菜單(LINKAGE MENU)中打開系統(tǒng)(SYSTEM)界面。在FASSTest14CH之后選擇使用的接收機數(shù)，因為這里只使用一個接收機，所以選擇SINGLE。

動觸摸傳感鍵選擇LINK并按下RTN鍵，發(fā)射機會發(fā)出滴滴聲表示已經(jīng)進入對頻模式。進入對頻模式后，應(yīng)立刻打開接收機電源，約2 s后，接收機進入等待對頻狀態(tài)(等待大概1 s左右)。接收機的LED指示燈從閃爍到綠燈長亮，則表示對頻完成，如圖7所示。

圖7 對頻完成

(2) 通電檢查

① 檢查機架外觀是否完好，有無螺釘松動、脫落情況。

② 通電時不要晃動穿越機，直到電調(diào)自檢結(jié)束，電機發(fā)出連續(xù)3次短“滴”聲和一次長“滴”聲表示檢測電池為3SIP。

③ 掰桿解鎖飛控。

④ 輕推油門，觀察4個電機轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速是否一致。

⑤ 持低油門使穿越機不離開地面、螺旋槳低速旋轉(zhuǎn)，觀察現(xiàn)象是否一致。

3.2 飛行操控訓練

以8字飛行為例，完成對旋翼無人機操控的綜合訓練。

圖8 8字飛行航線示意圖

將穿越機對尾懸停于A點，由A點飛往B點，到達B點時穿越機姿態(tài)為左對側(cè)；由B點飛往C點，到達C點時穿越機姿態(tài)為對頭；由C點飛往D點，到達D點時穿越機姿態(tài)為右對側(cè)；由D點飛回A點，到達A點時穿越機姿態(tài)為對尾。由A點飛往E點，到達E點時穿越機姿態(tài)為右對側(cè)；由E點飛往F點，到達F點時穿越機姿態(tài)為對頭；由F點飛往G點，到達G點時穿越機姿態(tài)為左對側(cè)；由F點飛回A點，到達A點時穿越機姿態(tài)為對尾。

以上8字飛行需要升降舵、油門舵、方向舵和副翼舵4個舵之間的協(xié)調(diào)控制，對飛手的操控技術(shù)有很高的要求。其技巧在于注意控制穿越機前進的速度，除了前面提到的勻速外還得保持低速，只有緩慢前進的速度才能給操控者充分的反應(yīng)時間去調(diào)整穿越機的旋轉(zhuǎn)速度以及角度或者去打副翼糾正穿越機的側(cè)滑偏移。

8字飛行是無人機駕駛員考證內(nèi)容之一，通過完成對操控人員的8字飛行操控訓練，可全面考察飛手的操控能力，錘煉操控人員的飛行技能。

4 訓練考核

在完成各個階段訓練任務(wù)后，應(yīng)按照一定考核標準對操控人員的操控能力進行考核驗收，并通過考核表現(xiàn)制定下一階段訓練計劃[9]。

從降落精度、降落穩(wěn)定等角度，建立如下評分考核指標。

(1) 飛行性能

飛機有明顯毀損或上電后出現(xiàn)事故：0分；

飛機外觀完整，但解鎖后飛機無反應(yīng)：視程度打分范圍1～3分；

飛機外觀完整，解鎖后飛機有反應(yīng)，但無法正常起飛：視程度打分范圍4～7分；

飛機外觀完整，解鎖后飛機有反應(yīng)，且能夠正常起飛：視程度打分范圍8～10分。

(2) 飛行穩(wěn)定度

飛機晃動幅度較大且無法控制：0分；

飛機晃動幅度較大但能夠控制：視程度打分范圍1～15分；

飛機晃動幅度較小且能夠控制：視程度打分范圍16～30分。

(3) 飛行熟練度

飛機持續(xù)落在綠圈外(參見圖9)且無法調(diào)回：0分；

圖9 考核精度劃分

飛機基本在綠圈內(nèi)，但高度變化幅度較大：視程度打分范圍1～4分；

飛機基本在綠圈內(nèi)，且高度變化幅度較?。阂暢潭却蚍址秶?～8分；

飛機基本在黃圈內(nèi)，但高度變化幅度較大：視程度打分范圍6～10分；

飛機基本在黃圈內(nèi)，且高度變化幅度較?。阂暢潭却蚍址秶?1～14分；

飛機基本在紅圈內(nèi)，但高度變化幅度較大：視程度打分范圍12～16分；

飛機基本在紅圈內(nèi)，且高度變化幅度較小：視程度打分范圍17～20分。

(4) 降落穩(wěn)定度

降落過程機身或螺旋槳有損壞：0分；

降落過程晃動厲害，但無明顯損傷：視程度打分范圍1～10分；

降落過程無明顯晃動，降落較為平穩(wěn)：視程度打分范圍11～20分。

(5) 降落精確度

飛機落在綠圈以外：0分；

飛機基本落在綠圈內(nèi)：視程度打分范圍1～3分；

飛機基本落在黃圈內(nèi)：視程度打分范圍4～6分；

飛機基本落在紅圈內(nèi)：視程度打分范圍7～9分；

飛機完全落在紅圈內(nèi)：10分。

(6) 加分項

未完成“對側(cè)”和“對頭”飛行：0分；

僅完成空中“對側(cè)”穩(wěn)定飛行：視程度打分范圍1～4分；

僅“對頭”穩(wěn)定飛行：視程度打分范圍1～6分；

完成空中“對側(cè)”和“對頭”飛行：視程度打分范圍4～10分；

注：“對側(cè)”和“對頭”飛行時間各15 s，穩(wěn)定性以綠圈為準。

5 總結(jié)

本文提出了一種小型警用無人機裝配與訓練方法，各警務(wù)單位可立足于現(xiàn)有訓練條件，開展警用無人機操控訓練，進一步提高警務(wù)人員操控水平。

(1) 裝配訓練主要是培養(yǎng)操控人員對于無人機各組件的認識，更深入了解無人機性能及技術(shù)特點。

(2) 虛擬訓練先通過單通道訓練、雙通道訓練，而后升級至全通道訓練，逐步提升操控人員對于無人機的操控，形成良好的操控習慣，為下一步實飛訓練打下堅實基礎(chǔ)。

(3) 實飛訓練重在掌握組織實飛的全流程，可參考無人機駕駛員考證內(nèi)容，全方面培養(yǎng)操控人員素養(yǎng)。

(4) 通過建立的訓練考核指標體系，完成對訓練成果的考核驗收，為下一步制定訓練計劃提供依據(jù)。