无人机航母系统的构建与应用

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　　摘  要：无人机是一种由无线电遥控设备或自身程序控制系统操纵的无人驾驶飞行器。目前无人机普遍存在任务能力单一，续航能力不足等缺点。本研究提出并构建了一种无人机航母集群协同工作模型和一种采用线缆供电方式的无人机航母系统。无人机航母系统采用子母机架构，无人机航母平台作为子无人机的空中停靠点和电力传送中转站，将来自地面电缆的电能通过电缆传送给各子无人机，进而实现无人机航母系统的空中长时间稳定工作，各子无人机挂载设备并在以无人机航母为圆心的范围内执行任务。利用其可长时间工作和高负载特性，无人机航母系统在应急信号基站快速搭建、反恐防暴、舞台舞美、农药喷洒、工厂监测等方面有较好的表现，可在一定程度上拓展民用无人机的应用场景。
　　关键词：无人机航母;长续航;子母机架构;协同工作;系留系统
　　中图分类号：V279 文献标识码：A 文章编号：2095-2945（2020）01-0037-05
　　Abstract： The UAV is a type of unmanned aerial vehicle that is operated by a radio remote control device or its own program control system. At present， UAVs generally have shortcomings such as the singularity of mission capability and short endurance. This study proposed and constructed a cooperative working model of UAV cluster and an UAV aircraft carrier system that can adopt cable power supply. The UAV aircraft carrier system adopts the mother-child structure. As the air terminal of the sub-UAV and the power transmission relay station， the UAV aircraft carrier platform can transmit the electric energy from the ground cable to each sub-UAV through the cable， thereby realizing the long-term work of the UAV aircraft carrier system. Each sub-UAV mounts the equipment and performs tasks within the scope of the UAV aircraft carrier. Utilizing its long-term work and high load characteristics， the UAV aircraft carrier system has a good performance in the rapid construction of emergency signal base stations， anti-terror work， scenic design， pesticide application， and factory environment monitoring. The UAV aircraft carrier system can expand the application scenario of civil UAVs to a certain extent.
　　Keywords： UAV aircraft carrier; long endurance; mother-child structure; collaborative work; mooring system
　　1 概述
　　無人机作为一个新兴行业，具有广泛的应用范围和巨大的潜在价值，世界各国都在大力扶植无人机的相关研究。无人机可应用范围较广，在军事方面，无人机可用于侦察、搜索、监视、通信中继、电子对抗、火力制导、战果评估和早期预警等领域;在民用领域，无人机可用于农业植保、电力巡检、环境监测、地质勘探、快递运输等方面[1]。2018年6月举办的2018世界无人机大会预测，未来5年，全球商业无人机行业将保持迅猛发展，到2020年市场总值将达到150亿美元。根据FAA（Federal Aviation Administration）预测，2020年美国境内将会拥有超过700万台的无人机。此外，我国的无人机领域也发展极为迅猛，根据中国民航局2019年1月25日消息称，截至2018年底，无人机实名登记信息系统显示，中国已经登记注册约28.5万架无人机，各类无人机型号3720个。
　　在无人机蓬勃发展的背景下无人机存在的技术瓶颈同样不容忽视。目前大多无人机续航时间短且承载能力有限[2]，极大的限制了无人机的应用场景，同时也对无人机产业未来的发展有较为明显的阻碍作用。在无人机目前已有的应用中，无人机间协同完成的应用较少[3]。目前无人机集群展示度最高的即基于无人机集群控制的灯光秀，近段时间在全国各地频繁上演，其灵活多变的炫彩灯光和三维空间立体的光影展示效果广受大众好评。单架无人机的应用局限性较大，而无人机群具有灵活性高、体系配合能力强、相对成本低等优点，所以各国不仅研究如何提高单架无人机的各方面性能，同时也在着力发展无人机的集群释放、集群控制、集群应用[4-8]。美国国防部在 《无人机系统路线图 2005-2030》也指出，2025 年以后，无人机将具有集群战场认知能力，实现完全自组织作战[9]。我国国内各科研院校也均对无人机集群的应用和控制方面进行了相关研究[10-13]。 　　控制系统的通讯采用基于TCP的Socket连接，其中地面站服务端、地面站控制端、地面站设计端和各无人机控制器连接到同一局域网内进行通讯。地面站计算机和各无人机控制器之间通讯采用一个特殊设计的仿Mavlink（微型无人机通讯协议）的通讯接口协议，用于地面站对各个无人机的控制。
　　4 应用场景
　　利用无人机航母系统的长时间空中系留、子无人机功能灵活多样、系统整体搭建回收速度较快的特点，目前无人机航母系统开发的应用场景有应急信号基站快速搭建、反恐防暴、舞台舞美、农药喷洒、工厂监测等。
　　4.1 应急基站
　　当自然灾害发生时，保证灾区的灾情和救援信息的及时传递以及良好通讯的通讯状况是抢险救灾的首要要求。而灾害发生后当地的通讯设施极易受到损坏，灾区变为信息孤岛，大大提高了救援难度。无人机空中航母系统可以实现快速的应急基站搭建，基于无人机航母系统搭建的应急基站可在高空长时间工作，保持信号畅通，子无人机可作为中继站分布于峡谷、森林等信号较弱的特定区域实施定点信号增强。
　　4.2 反恐防暴
　　在室外大型活动现场，难以快速搭建临时的监控系统，利用无人机航母系统的长续航和子无人机的合理排布，通过各子无人机在高空的视频监控，可令活动管理者监控活动现场每个角落，将危险防患于未然。
　　4.3 舞台舞美
　　传统舞台灯光音响设备是固定在舞台某处的，其光源和声源无法移动，这就导致舞台灯光音响效果的局限性。因此，在舞台上，将灯光和音响设备挂载到无人机的云台上，使用无人机搭载灯光和音响并多自由度移动，给观众营造出一种互动性体验更好的舞台效果。利用该系统的舞台舞美的快速搭建和回收，极大的降低了人工和场地搭建成本。
　　4.4 农药喷洒
　　传统农药喷洒需要人工或设备沿田垄依次喷洒，效率较低。采用本系统进行农药喷洒工作时，无人机航母在高空运行，农药灌可负载于无人机航母上，农药可通过管路分配至各个子无人机。子无人机运行于低于航母平台的平面，每个子无人机负责一条田垄的农药喷洒，系统工作一个周期即可实现整片农田的高效率农药喷洒。
　　4.5 工厂监测
　　在工业生产中经常用到有毒的化学试剂，工厂管路的泄露和工厂周围的大气环境的实时监测就极为重要。利用本系统在高空的合理排布，在子无人机上搭载的环境监测装置可实时监控工厂各个方位的环境状况并及时反馈至地面监测人员，使工厂的环境监测工作变得更加简单易行。
　　5 结束语
　　无人机行业的快速蓬勃发展与危机并存，目前阶段无人机续航时间短，且充电时间明显长于工作时间，导致无人机单位时间内有效工作时长较短，且难以在正式场合实际应用，更多的是应用于娱乐层面。此外在无人机目前已有的应用中，较少有多无人机协同完成的实施案例。基于目前无人机的技术瓶颈，本研究提出了由子母无人机组成的航母系统概念及线缆供电的无人机航母系统，实现了无人机航母系统具有理论上的无限续航能力以及小型无人机集群在空中航母上的搭载、起飞和降落的功能。配合无人机母舰上搭载的多种子无人机挂载设备，使无人机航母系统具有多功能性、强应用性的特点。无人机航母系统的出现将在一定程度上丰富现有无人机的应用场景，有助于无人机发展成为具有实际应用价值的并能协助生产生活的一种难以替代的特殊飞行设备。
　　参考文献：
　　[1]段海滨，申燕凯，王寅，等.2018年无人机领域热点评述[J].科技导报，2019，37（03）：82-90.
　　[2]金伽忆，朱烨，曾舒婷，等.小型多旋翼无人机续航问题研究[J].电脑知识与技术，2017，13（16）：197-199.
　　[3]黄泽满，刘勇，周星，等.民用無人机应用发展概述[J].赤峰学院学报（自然科学版），2014，30（24）：30-32.
　　[4]刘畅.人工智能在无人机领域的应用分析[J].科技传播，2018，10（11）：150-152.
　　[5]Maithripala D.H.A.， Jayasuriya S. Feasibility considerations in formation control： Phantom track generation through multi-UAV collaboration[C]// IEEE Conference on Decision & Control. IEEE， 2008.
　　[6]Kuiper E， Nadjmtehrani S. Mobility Models for UAV Group Reconnaissance Applications[C]// International Conference on Wireless & Mobile Communications. 2006.
　　[7]Jeyaraman S， Tsourdos A， Zbikowski R， et al. Formalised hybrid control scheme for a UAV group using Dubins set and model checking[C]// IEEE Conference on Decision & Control. 2005.
　　[8]Tyushev K， Amelin K， Andrievsky B. The method of saving data integrity for decentralized network of group of UAV using quantized gossip algorithms[J]. Ifac Papersonline， 2016，49（13）：259-264.
　　[9]牛轶峰，肖湘江，柯冠岩.无人机集群作战概念及关键技术分析[J].国防科技，2013，34（05）：37-43.
　　[10]徐俊，王茂森，戴劲松，等.四旋翼无人机的编队飞行控制系统设计[J].机械设计与制造，2018（3）：263-266.
　　[11]井田，王涛，王维平，等.一种持续侦察无人机集群规模自适应调控方法[J].计算机研究与发展，2018，55（06）：1254-1262.
　　[12]邱华鑫，段海滨.从鸟群群集飞行到无人机自主集群编队[J].工程科学学报，2017，39（03）：317-322.
　　[13]谢逸，宋鹏涛，王永宁，等.碳纤维材料的性能及应用[J].科技创新与应用，2013（18）：51-52.
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