無人機安全飛行性能測控系統分析研究

徐文臻

（山東科技大學機械電子工程學院，山東青島266000）

無人機安全飛行性能測控系統分析研究

徐文臻

（山東科技大學機械電子工程學院，山東青島266000）

近年來，世界各國都在研究飛行器，且都在該領域已取得了一定的成果。目前，無人機的安全飛行性能仍是制約其發展和應用的主要因素。介紹了國內無人機的研究現狀、測控系統的組成、要求和系統誤差，并提出了運用先進計算機測控技術提高對無人機安全性能的檢測和管理，保證系統控制的可靠度和檢測數據的準確性。

無人機；計算機；測控系統；飛行員

無人機，即無人駕駛飛機（UAV），是利用無線遙感技術和自編程序控制裝置操縱飛行且不載飛行員的空中飛行器，無人機常采用空氣動力為其提供升力，能夠自行飛行或遠程遙控。隨著無人機技術的發展進步，無人機出現多種類型，比如撲翼無人機、固定翼無人機、飛艇及旋翼無人機。在無人機上對各種專業儀器設備進行組裝整合，使無人機應用十分廣泛，比如科學觀測、自然災害預防與處理、林業資源監測、公安邊防、農業資源監測、電力等領域，但是無人機運行成本和安全飛行性能卻制約著無人機的發展。無人機技術是新興的一個技術領域，國內外對此的研究均處于起步階段。由于無人機具有體積小、重量輕、生產成本較低和多種起降方式等特點，可以在較為復雜的地形和環境中執行煩瑣、重復性高的飛行工作，不會因超低空飛行而造成人員傷亡，因此，無人機的研發與應用日益受到世界各國的關注。

1 國內研究進展

國內無人機研究雖然起步較晚，但發展很快，先后有中船重工研究所、中科院遙感與數字地球研究所、中國地質科學院等單位開展了基于固定翼或直升機式的無人機技術研究工作，且部分無人機技術已達到國際水平。無人機與傳統的有人駕駛飛機相比，無人機的優勢主要有：①能夠保障人員安全。因為無人機在飛行過程中不用搭載飛行員，不會因復雜地形、惡劣環境、飛控人員疲勞、機械故障等因素造成人員傷亡，降低了作業風險。②工作效率大大提高。一組地面飛控人員能夠同時操控多架無人機協同工作，無人機一次可飛行10 h，而有人機每架需要2名飛行員和多名地面保障人員協同工作，才能保證飛機的正常飛行，且一次最多飛行4 h；無人機生產成本和飛行成本較低，無人機使用普通汽油就能工作，而且燃油經濟性很高。比如，彩虹無人機使用97#汽油平均油耗約為15 L/100 km，而有人駕駛的飛機必須使用航空煤油飛行，成本高昂。③可精準地控制無人機飛行。有人機長時間超低空飛行作業的勞動強度十分大，飛行員很難保持高精度的飛行航跡、航向和高度，同時，因為不同飛行員飛行技能的差異和經驗不同，在飛控時其飛控質量也存在較大差異，而無人機能夠在地面飛控人員的控制下按照事先規劃好的航線自主飛行，不會因為經驗不足或飛行員疲勞造成飛行質量下降。④無人機在夜間也可正常工作，有人駕駛的飛機靠飛行員目視駕駛，而無人機則使用無線電設備完成自主飛行。

但無人機仍存在些許不足，比如飛控及無人機技術方興未艾，目前，部分西方發達國家的無人機技術較為先進，特別是用于軍事的飛控及無人機技術，雖然我國無人機技術發展較早，但與先進國家相比仍存在20年的差距，如今國內無人機的部分關鍵技術和零部件仍需進口，導致無人機的飛行和維護成本過高，阻礙了無人機的發展。無人機的地形和氣候環境適應有待提高，目前，較先進的無人機系統能夠在地形條件較好的低空飛行200 m左右，但在較大的高山區無人機尚不具備超視距預判斷和預操作能力，尤其在超出雷達測量范圍時無人機的飛行就變得很危險，這嚴重制約著無人機發展與應用。無人機運營成本較高，主要是因為無人機的操作、維護人員相對較多，且配件昂貴，不利于運行成本的控制，比如彩虹-3無人機雖然不需要高薪聘請飛行員，但地面工作人員較多，導致運營成本較高。安全飛行和飛控技術有待提高，無人機起降有多種方式，比如大中型無人機一般采用輪式自主起降，而一些中小型無人機則采用彈射起飛和撞網或傘降回收，但回收成功率很低。如果回收失敗，則不僅會造成無人機損壞，也難保障機載設備的完整性。隨著我國經濟的持續快速發展，目前，現有資源已經難以滿足經濟發展的需求，因此，迫切需要尋找新的能源。我國地域遼闊、地質復雜多數礦產資源分布在人跡罕至的山區、峽谷、荒漠等區域，但由于山區地形復雜，交通不便，導致地面勘探工作很難進行，且無人機與專業技術設備集成組裝有待提高。

2 無人機安全性計算機測控系統分析

測控系統是采用傳感器與數據采集相結合的方式進行無人機的測控工作的。本測試以計算機為核心，利用計算機平臺構筑控制系統，實現對信號的檢測、分析和處理得到有用信息，它能完成對各個設備的輸入輸出、數據采集、數字信號、模擬量信號的采集傳輸、開關量的輸入輸出、與其他外圍設備的通信以及檢測流程的指揮調度等所有信號的快速分析處理和實時準確控制，從而求出與研究對象有關信息的量值，并給出其狀態判別結果。

傳感器是一種檢測裝置，傳感器的功能是一感二傳，即能感受被測量信息，并將檢測到的信息按其所需的形式輸出轉換成相應的可用輸出信號。傳感器由敏感元件、轉換元件和其他輔助部件組成。在計算機自動測控系統中，對傳感器靈敏度要求非常高，必須能準確、快速、可靠地接收并傳遞信息，且需要遠距離高效傳輸。因此，要根據具體的測量目的、測量對象以及工作環境合理選擇傳感器，這對于飛控系統來說尤為重要。傳感器的性能指標主要包括靈敏度閾值、靈敏度系數、頻率響應特性、遲滯差線性度、重復性和穩定性，但并不是所有的傳感器都包括敏感元件和轉換元件。信號調節電路是能把轉換元件輸出的電信號轉換為便于顯示、記錄、處理和控制有用電信號的電路。輔助電路通常包括電源，即交或直流供電系統。信號調理是將待測信號放大、濾波等操作將其轉換成能夠識別的標準信號。傳感器輸出的信號通常含于干擾噪聲中的微弱信號，信號調理電路有2個作用，即信號放大、信號處理，包括濾波、調制和解調、衰減運算、數字化處理等，也可根據需要進行信號隔離與變換等。

多串口通訊卡是一種可分配多個串/并行端口供終端連接的設備，每個終端可以通過它與主機進行通訊。使用多串口通訊卡是最便捷解決擴展計算機外部設備數量的方案。光電開關是用于判別無人機是否到位的設備，光電開關由紅外發射頭、接收頭及繼電開關（電子開關）組成，當打開或遮擋光電開關時，輸出信號會相應出現高低電位的變化，計算機可以用此來判別是否到位。當無人機到位時計算機測控系統就開始檢測。隨著我國經濟的快速發展，無人機作為一種高性能、高靈活的空中移動平臺，逐漸被人們所重視。無人機本身是一個非常復雜的系統，任何一部分出現問題都會影響無人機的安全飛行，因此，提高無人機續航時間、飛控和任務智能化、復雜地形適應性和任務載荷量等都尤為重要。尤其是提高先進無人機的國產化，降低使用維護成本是無人機能否被廣泛應用的一個重要因素。

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〔編輯：張思楠〕

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A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.19.047

2095－6835（2017）19－0047－02