民用無人機集成方案中航電系統(tǒng)應用

民用無人機行業(yè)進入市場化競爭，終端客戶對價格較為敏感，進而引起整條產(chǎn)業(yè)鏈對成本控制要求較高。因此，需要在保證飛行性能及安全的前提下，盡可能提高航電系統(tǒng)，尤其是導航飛控系統(tǒng)性價比，對產(chǎn)品進行分檔次布局，以滿足市場上不同客戶的需求。

而正因為民用無人機市場的快速擴大，各種應用場景的技術需求各不相同，航電系統(tǒng)的技術創(chuàng)新也十分迅速。但各航電系統(tǒng)研發(fā)廠商從資源分配、技術及成本方面考慮，不可能對每一種需求都做定制化開發(fā)，所以，航電系統(tǒng)是否具有較好的通用性及可擴展性，是其市場競爭力的重要考量指標。

另一方面，終端客戶對無人機的作業(yè)效果要求不斷提升，進一步推進了集成商和航電廠商對任務載荷或傳感設備的升級，其設備價值和數(shù)據(jù)價值往往遠超無人機平臺本身，因此，對整機集成的可靠性提出了更高的要求。

航電系統(tǒng)的組成

系統(tǒng)集成中的航電系統(tǒng)，簡單來看，包括導航飛控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸鏈路、供電系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)及地面控制系統(tǒng)等。集成商需要根據(jù)自己的飛行平臺對航電系統(tǒng)進行選型及測試。

（1）導航飛控系統(tǒng)。隨著微機電系統(tǒng)（MEMS）技術的不斷成熟，相關芯片高度集成化，在民用無人機的導航飛控系統(tǒng)中，通常會集成慣性測量單元、衛(wèi)星導航系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)、飛行管理系統(tǒng)及大氣數(shù)據(jù)傳感器等設備。一些導航飛控系統(tǒng)還支持擴展、接入測距雷達等其他傳感器用來輔助飛行控制。如果廠商不能對以上子系統(tǒng)做到技術把控，很可能會在集成過程中遇到困難。

（2）數(shù)據(jù)傳輸鏈路。作為非無人機專用設備，其發(fā)展較成熟，但能滿足無人機需求的高性價比的數(shù)據(jù)鏈設備可選方案并不多。其工作穩(wěn)定性、抗干擾性、保密性、空中通信距離、傳輸帶寬及設備重量等指標與地面應用相比較為嚴苛。這是由于無線通信方面的技術研發(fā)投入成本巨大，能夠把產(chǎn)品做到穩(wěn)定成熟，且具有較高性價比的民用產(chǎn)品供應商較少，因此，集成商進行設備選型時，需要關注核心模塊是否經(jīng)過市場檢驗。

（3）供電系統(tǒng)。作為航電系統(tǒng)的工作基礎，該系統(tǒng)在集成過程中容易被忽略。一般來說，先進的無人機系統(tǒng)中包括機載供電系統(tǒng)和地面供電系統(tǒng)。向航電系統(tǒng)提供經(jīng)過穩(wěn)壓濾波、功率充足的供電，是保障整套航電系統(tǒng)可靠工作的前提。需要考量所設計的供電系統(tǒng)是否滿足航電系統(tǒng)的工作需要，是否會對有線及無線信號傳輸產(chǎn)生干擾，是否存在次生電磁干擾、過熱等問題。

（4）伺服系統(tǒng)。低端民用無人機的伺服機構(gòu)如舵機等設備，常采用航模設備，其優(yōu)勢是價格低廉、貨源充足；但其劣勢也十分明顯，包括可靠性不足、無反饋、無法有效閉環(huán)控制及監(jiān)測等。

（5）地面控制系統(tǒng)。分為地面控制軟件及其所需的硬件和其他數(shù)據(jù)分發(fā)及控制所需設備。通常地面控制軟件由導航飛控系統(tǒng)廠家開發(fā)，傳統(tǒng)設備僅支持PC端運行，而主流發(fā)展方向是支持移動設備運行。軟件易用度及整體地面系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性將直接影響終端用戶的作業(yè)效率及產(chǎn)品滿意度。因此，在選擇導航飛控系統(tǒng)的同時，必須考慮地面控制系統(tǒng)的品質(zhì)。

系統(tǒng)集成常見問題

無人機系統(tǒng)集成絕非組裝電腦一般簡單，集成商將面臨各種各樣的復雜問題，其中表現(xiàn)較為突出的問題主要有以下幾類。

（1）振動干擾。主要體現(xiàn)在多旋翼和垂直起降固定翼無人機上，這類無人機對傳感器及控制頻率要求較高，如果慣性導航系統(tǒng)受到較大振動干擾，將導致控制效果下降甚至飛行異常。每種機型的振動特性均不相同，所以要根據(jù)實際情況合理選擇帶有內(nèi)減振或外減振結(jié)構(gòu)的飛控系統(tǒng)。

（2）電磁兼容。該問題在小型無人機集成商中容易被忽視，且導致的飛行事故較難排查。問題產(chǎn)生原因主要是機艙狹小、電子設備眾多，容易形成干擾源的設備包括供電電源及其線纜、數(shù)據(jù)/圖像傳輸收發(fā)設備、動力裝置及云臺/吊艙等。被干擾設備通常是伺服機構(gòu)及其信號傳輸線纜、磁羅盤、全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)（GNSS）信號接收設備等。所以在選型及安裝時，需要避免無線通信頻率重疊，倍頻干擾；線纜避免出現(xiàn)易激發(fā)電磁干擾的排布方式，最好采用同軸線纜或雙絞線等，或包裹具有屏蔽效果的束線材料。艙內(nèi)及預埋線纜均要長度恰當，無過度彎折或過長盤線。大電流線纜盡量減少插頭連接。以上只是最基本的設備集成電磁兼容防干擾措施，有條件的集成商應使用專業(yè)的測量設備對艙內(nèi)電磁環(huán)境進行測量排故。

（3）任務載荷與航電系統(tǒng)匹配。具有強大功能的任務載荷，要想發(fā)揮其最好性能，通常需要與航電系統(tǒng)尤其是導航飛控系統(tǒng)進行功能匹配。例如，載荷的控制信號由飛控系統(tǒng)及其數(shù)據(jù)傳輸鏈路一起上傳分發(fā)，減少數(shù)據(jù)鏈設備成本；吊艙需要飛控系統(tǒng)提供定位數(shù)據(jù)實現(xiàn)智能化的掃描及鎖定等功能。這些功能匹配需要飛控廠家提供相應功能或定制，在載荷及飛控系統(tǒng)選型時需充分考慮。

（4）伺服/動力系統(tǒng)選型?，F(xiàn)有民用產(chǎn)品市場中，缺乏相關專用產(chǎn)品，集成商在選型中通常會選擇質(zhì)量相對較好的航模舵機及電機。雖然能覆蓋大部分需求，但其長時間連續(xù)工作或惡劣環(huán)境下的工作穩(wěn)定性，均未經(jīng)過可靠性測試。常見問題有舵機失效、電機電調(diào)響應異常，且故障可能難以復現(xiàn)。建議有條件的集成商對相關設備進行可靠性測試。

（5）氣動/結(jié)構(gòu)缺陷。此問題常見于新平臺未經(jīng)充分飛行驗證即裝備航電系統(tǒng)進行自動控制飛行，集成商往往利用強大的飛控系統(tǒng)來掩蓋問題。但如果存在如焦點與重心位置不合理、舵量控制力矩不足、機體結(jié)構(gòu)剛性不足等氣動/結(jié)構(gòu)缺陷，將引入大量不可測量的非線性干擾量，飛控系統(tǒng)難以實現(xiàn)有效控制，將很大概率地出現(xiàn)飛行事故。集成商遇到這種問題時，應充分與飛控廠商、飛行平臺廠商進行溝通，修復機體缺陷，在飛控中引入必要的控制模型，達到互相匹配的良好效果。

航電系統(tǒng)的技術優(yōu)化

針對系統(tǒng)集成過程中常見的問題，航電系統(tǒng)制造商進行了很多技術優(yōu)化。例如，對應用在低端多旋翼及垂直起降固定翼機型上的飛控系統(tǒng)，均采用了內(nèi)減振結(jié)構(gòu)，以減小體積、方便安裝；對于大型油動固定翼無人機，常采用外減振結(jié)構(gòu)來抵抗振幅較大的振動。

抗電磁干擾方面，對于易受干擾的磁羅盤及GNSS，很多廠家已開始推出多余度傳感器備份技術，包括使用差分GPS定位系統(tǒng)或雙天線定向作為異構(gòu)備份。此外，在算法層面實現(xiàn)了多余度傳感器系統(tǒng)的自動表決及無感平滑切換，為集成商提供最優(yōu)性價比的備份方案。

集成商的機型各異，產(chǎn)品應用場景及需求不一，飛行管理系統(tǒng)需要具有定制化開發(fā)的能力，如提供板載軟件開發(fā)工具包（SDK）、數(shù)據(jù)協(xié)議兼容定制開發(fā)的技術服務等。

在產(chǎn)品質(zhì)量管理層面，對無人機航電系統(tǒng)這類高度復雜且微型化的設備產(chǎn)品質(zhì)量的一致性和可靠性的把控，本身就是富有挑戰(zhàn)性的。可實現(xiàn)標準流程化研發(fā)、測試、生產(chǎn)、檢測等全程質(zhì)量管控，符合ISO9001管理體系標準的企業(yè)更是鳳毛麟角。

發(fā)展趨勢

與消費級無人機的發(fā)展曲線不同，工業(yè)級無人機行業(yè)正處于上升期，未來將會出現(xiàn)更多的行業(yè)應用細分、功能細分，隨之而來的是對系統(tǒng)集成要求的多元化，進一步推動航電系統(tǒng)供應商的設備功能細分及系統(tǒng)模塊化、通用化和綜合化設計技術的發(fā)展。相關軟件也將展現(xiàn)出更強的生產(chǎn)力，重要性日漸提升，與硬件設備共享“核心”的地位。當行業(yè)需求量進一步上升后，更上游的供應鏈將會出現(xiàn)更多專業(yè)化的設備產(chǎn)品，如專用舵機等。隨著相關的技術服務專業(yè)化、政策管理明朗規(guī)范，行業(yè)需求者將獲得創(chuàng)造更大價值的空間，發(fā)展趨勢將與特種汽車工業(yè)十分相似，但其創(chuàng)造價值的效率將更高。

結(jié)束語

圍繞系統(tǒng)集成的發(fā)展，航電系統(tǒng)作為核心部件將產(chǎn)生一系列定制化需求，集成方案咨詢及定制開發(fā)服務將成為一項重要業(yè)務。越來越多的公司意識到這個方向，并進行了布局，如致導創(chuàng)新（天津）科技有限公司（集成方案咨詢，技術服務及定制開發(fā)）、致導科技（北京）有限公司（核心產(chǎn)品研發(fā)及定制開發(fā)），其業(yè)務擴展、相輔相成將為眾多集成商提供更加可靠的產(chǎn)品和專業(yè)的技術服務。

（責任編輯：朱赫）