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40公斤尾座式垂直起降无人机系统平台
  • 企业:     领域:机器人    
  • 点击数:1852     发布时间:2023-07-10 12:50:52
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本项目旨在研发40公斤尾座式垂直起降无人机系统平台,充分发挥自控所GNC专业技术优势,充分利用自控所二十多年无人机配套系统研发经验,推进智能无人系统发展,促进无人系统在国民经济建设中发挥更大的作用。

★中国航空工业集团公司西安飞行自动控制研究所

1 方案目标

依据2018年~2030年民用无人机系统发展路线图,无人机系统在国民经济建设发展中的服务民生、资源检测和保护、气象探测、自然灾害应对、公共安全服务和科考研究等六大方向三十多个领域共有上百种应用需求。近年来,无人机在民用市场的应用受到越来越多的关注,如在警用安防、农林植保、遥感测绘等多个领域,无人机系统需求较为迫切,且已形成一定的市场规模,其他行业的潜在需求也在逐步显现,民用无人机市场应用前景广阔、潜在市场空间巨大,将进入快速发展期。

无人机主要包括固定翼构型无人机、多旋翼(多轴)无人机、无人直升机、特殊构型无人机等四大构型无人机。固定翼构型无人机是多数行业级无人机的主流平台,其技术特点为续航时间长、飞行半径大、巡航速度快、负载能力强等,但其起降要求高且无法定点悬停;多旋翼(多轴)无人机是消费级无人机的主流平台,其技术特点为起降要求低、可悬停、操控性佳、成本低,但续航时间短且负载能力弱;无人直升机适用于需垂直起降和自由悬停的应用场所,其巡航时间、负载能力和巡航速度等指标高于多轴无人机,但弱于固定翼无人机;特殊构型无人机(复合翼、倾转旋翼机、扑翼等)兼具固定翼无人机和旋翼无人机的特性,性能指标一般介于旋翼类和固定翼无人机两者之间。

随着智能无人系统飞速发展及无人机系统在经济建设中发挥着越来越重要的作用,近十年来,自控所密切跟踪国外智能无人系统发展动态和民用无人机系统市场应用态势,经过深入调研,国内垂直起降无人机平台均为常规复合翼构型,没有类似美国V_bat系列的尾座式垂直起降无人机系统平台。

本项目旨在研发40公斤尾座式垂直起降无人机系统平台,充分发挥自控所GNC专业技术优势,充分利用自控所二十多年无人机配套系统研发经验,推进智能无人系统发展,促进无人系统在国民经济建设中发挥更大的作用。

该无人机系统平台主要功能包括:

(1)全天候长时间侦察监视、动目标指示等功能。标配载荷采用制冷红外/可见光/激光测距三光光电载荷,具备全天时工作能力;采用制冷红外传感器提高了红外探测与识别距离,安装有激光测距机,可对地面慢速动态目标进行持续定位与指示。

(2)快速载荷替换能力。载荷舱段采用了快捷拆卸方式,可以快速适配搭载多种载荷类型;系统采用标准载荷通信接口、兼容多种载荷协议,可适配多种载荷的控制与通信;通过快速载荷替换,实现多种载荷搭载,可拓展多种应用能力,如通信中继、气象探测、灾害监测、农林植保、地质勘查、遥感测绘、警用安防等。

(3)具备较高的自主飞行能力。飞控系统具备全过程飞行控制、飞行管理、设备管理、健康管理、应急处理等自主控制与管理功能,自主化控制程度高;飞控系统设计有一键起飞、一键返航、快捷设置兴趣点等便捷功能,降低了无人机系统操作人员能力要求;无人机操纵面、飞控系统、电气系统、数据链路均采用了冗余技术,具备故障降级工作能力。

(4)快速拆卸、组装及便捷运输能力。无人机系统采用模块化设计,5分钟内可实现快速拆卸与组装。无人机系统拆卸包装后可通过普通物流运输车进行运输,具有良好的运输便捷性。

2 方案介绍

2.1 无人机系统平台组成

该无人机系统平台主要由无人机、控制站等组成。其中,无人机主要由平台、动力装置、飞控系统、任务载荷与数据链机载终端等组成,设备总体布局如图1所示。

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图1  无人机平台主要部件布局示意图

飞机平台:采用大展弦比后掠中单翼身融合布局,机翼分为内外两段,后缘布置升降副翼,以实现俯仰和滚转控制;机身尾段加装上下垂尾,垂尾后缘布置方向舵,以实现偏航控制;动力装置分为电驱动四轴对称与尾推两部分,皆采用螺旋桨发动机。图2为该无人机平台平飞时的固定翼状态,图3为起降时的旋翼状态。

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图2  固定翼状态

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图3  旋翼状态

动力装置:动力装置采用油电动力混合推进,其中电动装置仅在无人机起飞和降落阶段提供动力,而重油发动机则在整个飞行阶段运转。

飞控系统:主要实现无人机在飞行过程中的状态管理、能源管理、飞行控制、飞行管理、应急处置、设备管理、健康管理等,保证无人机全飞行过程的飞行安全以及任务的完成。配套有ADS-B设备,可进入集成空域。

任务载荷:采用快卸快装设计,可灵活实现载荷替换,最大任务载荷重量可达8千克。

数据链:采用主、辅链路设计,构成数据链路的安全冗余。

控制站:主要包括2台便携式工控本、测控链路地面终端等设备,包装运输、展开撤收方便。控制站人机功效良好,软件操作简便,可单手操控载荷,使用便捷。控制站实物如图4所示。

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图4  便携式地面站

2.2 无人机系统主要技术特点

该无人机系统平台主要技术特点如下:

(1)采用尾座式垂直起降复合旋翼构型并采用了模块化设计,实现迅速出动、安全起降能力;

(2)大量采用冗余技术,具有较高的使用安全性和任务可靠性;

(3)采用多操纵面实现气动冗余,具备了多操纵面故障容错能力;

(4)起降阶段采用气动+直接力复合控制;提高抗风能力,提升安全性;

(5)飞控系统采用双余度系统,具备一次故障安全工作的能力;

(6)采用主、备导航模式,提高导航定位信息完备性,提升使用安全性;

(7)采用主、辅链路配置,提高抗干扰能力;

(8)采用电动和油动混合推进方式,提高发动机失效时平台成功着陆概率;

(9)采用发电和应急能源供电两种能源方式,提高供电可靠性;

(10)采用集成可见光、红外、激光测距的光电吊舱,实现昼夜侦察等任务能力和测距定位能力。

2.3 无人机系统主要技术优势

目前,市场上40公斤级起飞重量的无人机平台主要有无人直升机、多旋翼机、常规复合翼无人机等,该尾座式垂直起降无人机系统平台具有的主要技术优势如下。

该无人机系统平台与市场上同等起飞重量级别的无人直升机、旋翼无人机相比,续航时间、作业半径、飞行速度、飞行高度、抗风能力、任务载重能力、实用升限、安全性等主要指标均具有明显优势,续航时间等指标在一倍以上,系统通用质量特性也优势明显。

该无人机系统平台与市场上同等起飞重量级别的常规复合翼无人机相比,飞行速度、安全性等主要指标也具有一定的技术优势。

3 代表性及推广价值

40公斤级尾座式垂直起降无人机平台国是行业内首创,在国内处于技术领先地位。

多个用户采用该无人机平台(总共数十架无人机)很好地完成了区域巡查、目标监视、损伤评估等作业任务,获得了用户的一致好评。截至目前,该型无人机平台由用户方经过数百架次、总飞行上千小时的试飞作业,系统工作稳定、质量可靠、操作简单、使用便捷,总体应用效果良好。

该无人机平台起/降场地要求低,降落点控制精度高(米级),可满足绝大多数应用场景对应场地起降要求,也可在临时搭建的起降场地(如水平放置的木板等)实现起降,起降使用便捷;该无人机平台通过替换载荷可适应服务民生、资源监测和保护、气象探测、自然灾害应对、公共安全服务、科考研究等六大方向的大部分领域的数十种应用,具有十分广阔的应用前景和较大的国民经济建设价值。

摘自《自动化博览》2023年6月刊

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