便攜式反多旋翼無人機系統設計

李晨濤 李志豪 馬保俊 李云芳

【摘 要】民用多旋翼式無人機，小到只有手掌大小，易被不法分子利用，是公共安全的新隱患。本文設計的便攜式反多旋翼無人機系統基于APM飛控系統的巡航與FPV的實時圖傳功能，偵察范圍區域，鎖定被捕捉目標物。電子點火器點火氣體燃料產生高壓發射抓捕網捕獲目標，系統降落傘帶有自感應裝置隨之釋放，將反無人機系統與被捕捉目標物安全回收。

【關鍵詞】反無人機；電子通訊；系統控制；察打一體；設計

中圖分類號： V279；V243.1 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）33-0012-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.33.005

【Abstract】Civil multiple rotor unmanned aerial vehicle （UAV） is small to a hand size， which is easy to be exploited by lawless elements to become a new hidden danger of public safety. The portable anti-multi-rotor UAV system designed in this paper is based on the cruise of APM flight control system and the real-time image transmission function of FPV， which can reconnaissance area and lock the captured object. The electronic igniter ignites gas fuel to produce high-pressure and launch catching net to capture the target. The parachute of the system with self-induction device is then released to recover the anti-UAV and the captured object safely.

【Key words】Anti-UAV； Electronic communication； System control； Reconnaissance/strike； Design

1 研制背景及意義

隨著無人機技術的迅速發展，這一曾專屬于軍事用途的航空器，現已大舉進駐民用市場，如今無人機已從人們想象中的“高大上”飛到了尋常百姓身邊。無人機行業雖然在民用領域已成燎原之勢，但繁榮背后尚存隱憂。無人機屬于新興行業，百姓一面感嘆無人機的高端科技，一面苦惱于其造成的惡果。與無人機相關的“違法、違規”的各類事件層出不窮，典型的如對機場的入侵造成航班停飛，影響飛行安全，更有甚者，通過無人機偷拍偷運違禁物品入侵監獄等敏感要害部門。非法應用，威脅生命安全，無人機難免誤入歧途或為有心人所利用，成為他們手中飛在天上的定時炸彈。

因此，反無人機設計顯得尤為重要。本文設計一款針對消費級多旋翼無人機的反制系統，對目標可以做到的偵察，捕捉，回收三位一體的打擊效果，真正做到高效、安全的反制。高機動性能與全天候適用的特點彌補了民用市場現有的反無人機技術的缺點與不足。真正做到對違法違紀干擾公共安全的民用旋翼式無人機的反制。此反無人機系統項目將通訊技術、控制技術、電子技術的集成應用，利用無人機反制無人機，大大降低反制成本，顯著提高反制效率。反無人機是當前社會發展的熱點前沿，能否在消除“附帶毀傷”的同時做到準確打擊違規違法的民用無人機是反無人機市場的重中之重，在維護公共場所設施，保護人民生命財產安全與隱私方面具有重要意義。

2 發展情況及現狀

市面上曾出現過激光武器來對付無人機的侵擾。但是傳統激光武器成本高、耗能大，也難以便攜，其原理是用激光束照射無人機尾部，使無人機失去控制，可用于應付35km內的低空飛行器或無人機。該系統缺點是一次性投入較大，無人機被照射后可能發生燃燒現象，安全系數大大降低。

使用聲波干擾無人機相對脆弱的機載陀螺儀也是出現的反制民用無人機的方案之一。陀螺儀是無人機的核心部件，它可以不斷檢測飛機的的方向、傾角，進而讓飛機在空中自我調整，如果陀螺儀的工作不正常，無人機就會失控。聲波在空中傳播時，會產生共振現象，能量急劇增強，而民用無人機的陀螺儀通常使用非常廉價的元器件制成，容易搜集相關共振頻率。針對這些元器件的共振頻率進行定向的聲波干擾，讓陀螺儀產生共振后，陀螺儀就無法正確工作，進而導致無人機失控。但用聲波需要設備能量足夠大，也需要設置共振頻率調試設備，無法應對數百米高空飛行的無人機，因此應用與民航領域無人機反制難度較大，僅適用于超低空飛行的無人機，適用范圍比較局限。

針對民用無人機諸多鮮明特點，市面上亟待出現一款反制成本相對低，反制成功率高，反制安全性能可靠，具有高度機動性能，能夠全天候執行反制任務的反民用無人機系統

3 反無人機系統總體設計方案

便攜式反多旋翼無人機系統分為動力系統、基于ArkBird1.0智能巡航系統、電子點火發射系統，回收降落系統四部分。硬件設施結構如圖1所示。基于APM飛控系統的巡航與FPV實時圖傳功能，偵察范圍區域，鎖定被捕捉目標物，電子點火器點火氣體燃料產生高壓發射抓捕網捕獲目標（圖2），系統降落傘帶有自感應裝置隨之釋放，將反無人機系統與被捕捉目標物安全回收（圖3）。項目以彈射式固定翼無人機為核心，通過四大系統的實時關聯配合，完成對飛行目標物的偵察、捕捉、回收一體化的功能[1]，圍繞項目四大核心系統，增加此設計的延拓功能。使得整套系統功能進一步全面化，實用化。

4 主要功能和性能指標

控制計算機使用開源的地面站軟件Mission planner，該軟件可以完成飛控的初始設置完成對電機調速器、舵機的方向、行程的設置。該軟件可以對飛控進行航點編輯導入（如圖1）：執行任務前，軟件通過外網加載的離線衛星地圖，也可以加載災害發生后的航測圖，通過點擊地圖圖像獲得經緯度參考點，逐一設置航點后可以設置無人機圍繞航點的自動環繞偵查，之后完成對初始航點和結束航點的設置，設置完成后直接通過算法生成二進制文件通過串口燒寫入飛控 [2]。

（1）彈簧刀式固定翼：動力2217無刷電機、起飛重量2kg、機身全長1.4m，翼展1m，推重比1.5、理論最大飛行高500m，最大巡航速度90km/h。

（2）ArkBird1.0飛控：硬件核心為飛控核心MCU，并整合性6軸運動處理組件MPU6000。高度測量功能采用高精度數字空氣壓力傳感器MS-5611，GPS定位模塊選用MTK 3329，存儲部分采用板載16MB的AT45DB161D存儲器[2]。信息采集功能選用OSD模塊將機器人姿態、模式、速度、位置等重要數據疊加到圖像上實時回傳，系統原理如圖4所示。

（3）圖像傳輸系統[3]：采用RC805發射機、TS832圖傳接收機搭配500萬像素FPV圖傳攝像頭，理論最大實時圖傳距離2KM、發射頻率： 5.6-5.9Ghz電壓輸入： 7-24V發射功率：2000mw工作電流：190mA/12V工作溫度：-10-+85℃視頻帶寬：8M音頻編碼：6.5M圖傳發射端為：RP-SAM jack（外螺內針）天線端為：RP-SMA plug。

（4）電子點火發射裝置：LBH16R型電子點火器，重量3.3g，體積28*13MM，點火器內部為電腦芯片控制，通過WFLY9遙控器接收機中取電，遠程遙控控制點火器的點火動作發生與關閉。B6-4模型火箭助推器，工作時間0.83S，通過氣體燃料為無人機抓捕網提供動力。

5 設計優勢創新點

（1）智能化：反無人機搭載ArkBird1.0飛行控制系統，通過加載實時衛星導航地圖，可以逐一設置航點、返航點，巡航基本脫離地面人員手動操作，真正實現反無人機智能化自主巡航、自動返航。

（2）高效化：以固定翼無人機反制多旋翼無人機，彈簧刀式的氣動布局能賦予反無人機高機動性能，使得旋翼式無人機難以探查到反無人機的位置，高機動性能以及采用高推力火箭推進器的尼龍抓捕網大大提高反制旋翼式無人機的成功率。

（3）安全化：能否在消除“附帶毀傷”的同時做到準確打擊違規違法的民用無人機是反無人機市場的重中之重，反無人機給抓捕裝置配備了帶有GPS定位功能的降落傘，成功反制抓捕違規違法無人機后也可是被抓捕無人機安全降落，大大降低附帶毀傷與二次損傷。

6 應用前景

隨著民用無人機技術的快速發展，特別是民用無人機成本、操作難度的大大降低，使得利用激光，電磁波等反無人機的效率和效費比問題越來越突出。相比于激光、電磁干擾等手段，以無人機反制無人機的反無人機具有快速、靈活、效費比高等優點，在民用市場具有更廣闊的發展前景。反無人機裝備的研制試驗成功，為防御民用無人機的威脅提供了高效、低成本的措施。

近年來，無人機技術快速、廣泛擴散，出現了大量各式容易操控的遙控直升機、多旋翼飛行器，與無人機相關的意外事件頻繁出現，對安全保衛、治安管理等形成了挑戰。未來，反無人機技術必將在安保領域發揮重要作用，反無人機的民用市場必定朝著高效率，低成本，智能化的方向發展[4]，此外，無人機反無人機系統屬于新興裝備，有助于促進微系統、電子通訊等行業的蓬勃發展。

【參考文獻】

[1]（美）托馬斯·J.穆勒.固定翼微型飛行器設計引論[M].航空工業出版社.2015.

[2]林慶峰.多旋翼無人飛行器嵌入式飛控開發指南.清華大學出版社.2017.

[3][美]科里·比爾德（Cory Beard）.無線通信網絡與系統.機械工業出版社.2017.

[4]（美）蘭德爾·W·比爾德.小型無人機理論與應用[M].國防工業出版社.2017.