系留多旋翼無人機及其應用

龍文彪

摘? ?要：系留多旋翼無人機是將普通多旋翼無人機與地面電源綜合起來的一種新型無人機系統，有限解決了航時短的問題，越來越多地應用于通信、偵察及監控領域。本文總結了系留多旋翼無人機的系統組成、性能優點及在通信和軍事偵察方面的應用，系留多旋翼無人機在未來將發揮更大應用價值。

關鍵詞：系留多旋翼? 無人機? 通信中繼? 偵查監控

中圖分類號：E926.3;E96? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）01（b）-0057-02

1? 引言

多旋翼無人機具有定點懸停、垂直起降、操控簡單、成本低等優點，成為一款性能優異的空中平臺，同時多旋翼無人機起降不受地形地貌及地面交通的影響，使用范圍廣，在民用及軍用領域展現出巨大的應用潛力。然而，多旋翼無人機受電池技術水平的限制，續航時間較短，大大限制了其應用范圍。系留多旋翼無人機采用地面供電，實現無人機連續不間斷飛行，很好的解決了航時短這一問題。

系留多旋翼無人機是一種新型的無人機系統，將系留綜合線纜與多旋翼無人機結合起來，無人機飛行過程中，采用地面電源直接供電，供電設備通過導線為無人機傳輸電能從而轉變了機載鋰電池供電模式，使得無人機不受電能限制，可長時間在空中懸停[1]。根據應用場景和工作環境的不同，地面綜合線纜系統可固定在不同的位置，系留無人機分為地面固定式、艦載移動式和車載移動式三種。

系留多旋翼無人機解決了普通多旋翼續航時間短的問題，并且可廣泛地應用于應急救災、無線電監控、軍事通信等領域，成為無人機未來發展的一大趨勢，現階段國內外科研機構及無人機廠商紛紛投入到系留多旋翼無人機的研發之中。

2? 系留多旋翼無人機系統組成

系留無人機系統與普通多旋翼系統的區別在于飛行器平臺系統和供電系統，飛行器平臺系統作為空中設備的搭載平臺，搭載任務載荷到目標區域上空用于通信中繼或執行偵察等任務。與普通多旋翼不同，系留多旋翼無人機長時間在空中懸停需要考慮恒風或突風的影響，在風場中懸停時，實際上相當于平臺在向來風方向做平面飛行，因此系留多旋翼無人機設計時需要綜合考慮氣動外形和動力設計。

系留無人機與普通多旋翼無人機最大的區別在于供電系統的不同，系留多旋翼懸停高度一般為100m或200m，因此從地面到達平臺供電需要經過一定的傳輸距離，為減少電能的消耗，一般采用高壓供電方式，減小輸送電流。系留多旋翼無人機供電系統包括地面電源、地面升壓模塊、系留線纜及機載降壓模塊及機載應急電池等，地面電源可為地面電池組、發電機或市電，地面電源經地面升壓模塊轉換至300～400V高壓，經系留線纜進行高壓電能傳輸至機載降壓模塊，機載降壓模塊再將高壓電降至一定低壓為飛機和機載電子設備供電。

系留線纜為復合光纖電纜，不僅用于傳輸動力電源還用于傳輸平臺電子設備的光電信號。系留線纜一般由一根動力線、兩根光纖、及增強單元組成，增強單元為系留線纜的承力元件，一般由軟質纖維絞制而成，可用于減緩外力沖擊對內部線纜的影響。線纜要求具有輕的結構重量，以減輕平臺升力，增加升空高度，提高使用效能。

系留多旋翼通常配備有機載應急電池，用于防止地面供電系統出現問題時無人機可平穩降落。機載應急電池與地面供電系統并聯設計，供電時可根據需求進行相互轉換：（1）當機載應急電池與地面供電系統都正常時，優先使用地面供電系統供電;（2）當地面供電系統出現故障時，系統可迅速轉換至機載應急電池供電;（3）當地面供電系統恢復正常時，無人機系統又可快速切換回地面供電系統供電。而當地面供電系統超過2min不能恢復時，無人機可依靠機載應急電池安全降落，為保證系留無人機系統安全，機載應急電池通常設計有足夠的余量。

3? 系留多旋翼無人機特點

（1）與普通多旋翼無人機相比，系留多旋翼無人機具有長時間的滯空能力，采用系留線纜供電方式，可持續進行供電，減少了機載電池重量，保證了無人機全天24h的飛行能力。

（2）相比其他飛行器，系留多旋翼安全性高，無人機可固定懸停在某一監控區域，懸停高度不會超過200m，不會對其他飛行器造成飛行安全隱患，再者起降環境要求低，不需要專門的機場跑道，超低空應用無須空域申報或空域協調;同時無人機長時間的系留，不需要操作手進行頻繁的操作，減少了操作失誤帶來的安全隱患。

（3）相比固定翼無人機，系留多旋翼具有穩定的懸停能力，這是多旋翼無人機飛行具有的獨特優勢，系留多旋翼無人機通過慣性測量元件對三維角速度、三維加速度及三維速度的狀態進行測量使多旋翼無人機進行穩定的懸停。

（4）系留多旋翼無人機具有良好的電磁兼容能力，多旋翼無人機飛行過程中電機、電調、機載降壓模塊、大電流線纜等都會產生電磁輻射，通過布線技術、濾波技術、接地技術、屏蔽技術等降低電磁輻射對通信系統的干擾。

（5）系留多旋翼無人機具有超強的掛載能力，可掛載晝夜光電偵察設備、無線電偵察設備及通信中繼設備等，可滿足不同的使用環境需求。

（6）與直升機相比，系留多旋翼無人機具有結構簡單、升降操縱方便、體積小、重量輕、噪音小、可靠性高等優點。與直升機不同，系留多旋翼無人機飛行原理簡單，不需要復雜的零部件和機械結構，對零部件的磨損較小，安全性和可靠性得到提升。

4? 系留多旋翼無人機的應用

（1）系留多旋翼無人機在通信中的應用。

通常情況下無線電波可看做直線傳播，而受地形地貌的影響，直線傳播的無線電波會受到障礙物的阻擋，因此無線通信設備的天線高度成為影響無線通信覆蓋范圍的重要因素，對于在山區及高樓林立的地形環境下通信設備天線的高度成為制約通信質量的首要因素。系留多旋翼無人機作為通信中繼平臺將通信設備升高至一定高度，將非視距傳播信道改變為視距傳播信道，從而提高通信距離和改善覆蓋范圍[2]。

地震等自然災害發生時，往往會造成通信設備的癱瘓，給救援工作帶來極大的不便，傳統解決通信問題往往是搭建臨時的通信基站，而受天線高度的影響服務范圍有限，難以快速全面快速地展開救援工作。系留多旋翼無人機作為搭載平臺搭載微型基站、集群微型基站及自組網平臺等多種通信設備飛抵受災區上空，作為通信中繼提供應急通信服務[3]。相比于傳統臨時通信基站，通過系留多旋翼無人機搭建的應急通信基站具有覆蓋范圍廣、成本低、安全可靠等優點，可快速實現與災區取得聯系。

（2）系留多旋翼無人機在軍事偵察監控中的應用。

現階段局部沖突、邊境摩擦問題依然存在，安保與反恐問題越來越受到國家的重視，更多的國家將系留多旋翼無人機應用于軍事偵察和要地監控。將攜帶不同載荷的系留多旋翼無人機部署在邊境地區或重點防范區域，可以對目標進行全天候、不間斷的監控，防范惡性事件的發生，系留多旋翼無人機同樣可以作為武器的安裝平臺，當監控目標中發現敵對分子時對目標實施精確打擊。

5? 結語

系留多旋翼無人機作為一種新型的無人機系統，突破了普通多旋翼無人機續航時間短的問題，越來越多地應用于軍事和民用領域。本文介紹了系留多旋翼無人機的系統組成，對系留多旋翼無人機的性能優點進行了總結，最后介紹了其在通信和軍事偵察中的應用，系留多旋翼無人機由于其獨特的性能優點，未來在各個領域將發揮更大的應用價值。

參考文獻

[1] 王鋒，逯振坤，周國慶，等.系留多旋翼無人機技術進展及設計方法研究[J].機械工程師，2019（4）：68-72，75.

[2] 付松源.系留多旋翼無人機及其在戰術通信中的應用[J].電子技術應用，2018，44（4）：14-17，22.

[3] 吳侹.系留多旋翼無人機通信系統在應急救災通信中的應用[J].移動通信，2016，40（15）：68-71.