無人機自動機場發展現狀與關鍵技術

管宇鋒，李煦凱，陳培全

1.中國電子科技集團公司第二十七研究所

2.河南師范大學

本文介紹無人機自動機場的優勢、典型應用場景及組成，總結無人機自動機場關鍵技術，分析無人機自動機場在應用中存在的問題，并對其未來發展進行展望。

隨著無人機技術的快速發展，小型無人機系統在偵察、監視、打擊、邊境巡邏、電力線路巡檢、農業植保，城市安防等軍事與民用領域得到廣泛應用。但是，小型無人機系統也存在一些問題。

首先，小型無人機特別是電動多旋翼無人機，其續航時間短，須頻繁更換電池。

第二，小型無人機須要專業無人機操控員操控和維護，長時間、高頻次的作業所須人力成本居高不下。

無人機自動機場的優勢

為解決上述問題，針對特定使用場景且可自動充電、換電的無人機自動機場應運而生，并擁有諸多優點。

一是為小型無人機提供自動充當換電方案，使無人機能迅速升空并執行任務，極大提高了作業效率。

二是提供一種全自主作業方式。自動機場中的無人機不再須要專業操控員控制和維護，其作業時間不受人員生理極限等因素的限制，可以開展全天時飛行作業，極大降低了無人機運營成本的人力成本。

三是在任務現場部署無人機自動機場，小型無人機能快速應對突發事件，極大提升了無人機的快速響應能力。

典型應用場景

第一，無人機自動機場可部署在偏遠、不適合人類長期生活的地區，為無人機執行石油管道巡檢、電力線路巡檢、光伏電站巡檢等任務創造條件。

第二，在無人機自動機場支持下，無人機能對城市交通巡邏等任務做出快速響應。

第三，無人機自動機場可提供7×24h作業服務，無人機進而能承擔邊境巡邏、海上巡邏、緝私巡邏等任務。

圖1 “無人機亭”無人機自動機場。

國外無人機自動機場產品

新加坡H3動力公司“無人機亭”自動機場

新加坡H3動力公司（H3Dynamics）公司“無人機亭”（Dronebox）無人機自動機場采用無線充電方式對無人機進行充電。整個系統使用內置儲能電池，利用太陽能電池陣列收集能源，并將太陽能轉化為電能，給無人機供電，并配置了備用氫燃料電池，當遇到陰雨天，太陽能電池無法提供電能時，無人機自動機場也能正常工作。

以色列空中機器人公司無人機自動機場

以色列空中機器人（Airobotics）公司開發的無人機自動機場具有自動更換電池、自動更換任務載荷的功能。其中，無人機平臺的降落定位精度可達5cm，搭載1kg任務載荷能飛行30min，并配備有應急降落傘，在緊急情況下，傘降機構被觸動后可確保無人機安全降落。

圖2 空中機器人公司開發的無人機自動機場。

無人機自動機場的組成

無人機自動機場主要由無人機系統、起降系統以及后臺綜合管理系統三部分組成，其具體組成詳見圖3。

無人機系統

無人機系統由無人機平臺、任務載荷、機載通信系統、機載充電與換電裝置組成。其中，機載充電裝置用于充電型無人機，由起落架上安裝的接觸裝置或者無線充電接收裝置組成。換電裝置用于換電型無人機，它位于機身內部，用來固定電池，換電裝置既要保證無人機飛行過程中電池安裝牢固，又要保證換電操作時機械臂可以順利將電池取出。

起降系統

在非任務期間，起降系統為備用電池充電，并使系統內部保持恒定的溫度和濕度；在任務期間，起降系統監控無人機起降與作業，并完成無人機充電或換電操作。綜合管理控制系統實時對整個系統狀態進行檢測與管理，并接受后臺綜合管理系統的監管與調度。圖4是幾種典型起降系統。

下面介紹起降系統的組成及功能。

（1）艙門開關裝置

艙門開關裝置對起降系統進行密封保護，其常用開關方式有上部開放式、側面開放式、三面開放式。

（2）無人機停機坪

停機坪一般設有引導標識，無人機采用視覺導航技術進行精準降落。

（3）停機坪升降裝置

該裝置對停機坪的升起以及收回進行控制。

（4）無人機歸位裝置

無人機降落在停機坪的位置會存在誤差，而無人機充電和換電操作須要精確的相對位置。歸位裝置能將無人機移動到準確的位置，使無人機完成充電和換電操作。

（5）充電與換電裝置

換電式自動機場一般采用高精度機械臂進行換電操作，充電式自動機場由接觸式探針或者無線充電裝置組成。

（6）溫濕度控制系統

溫濕度控制系統使起降系統內部環境保持恒定的溫度和濕度，確保無人機以及電池等設備正常工作。

（7）內部視頻監視系統

該系統可監視起降系統內部設備的運行狀況，為操作人員進行遠程故障診斷提供支持。

（8）平臺供電系統

平臺供電系統為整個無人機自動機場提供電力，一般采用市電接入方式供電。對于無市電接入的部署位置，使用太陽能、風能提供電力能源。

圖3 無人機自動機場組成框架圖。

圖4 幾種典型起降系統。

圖5 無人機歸位裝置。

（9）外部避雷裝置

該裝置用于雷雨天氣避雷，保障無人機自動機場安全運行。

（10）風速風向測量裝置

該裝置用于風速、風向等氣象信息測量，保證無人機安全起降與作業。

（11）外部視頻監視系統

外部視頻監視系統對起降系統及其周圍環境進行遠程監視，起安全保護作用。

（12）綜合管理控制系統

該系統對整個自動機場進行管理，涉及無人機起降、充電、通信、任務規劃等方面的管理。

（13）地面通信系統

地面通信系統為起降系統、無人機與后臺管理系統提供信息通信支持。

后臺綜合管理系統

后臺綜合管理系統對部署在遠端的無人機自動機場進行飛行管理、任務調度、運行狀態檢測、遠程故障診斷等一系列操作。

圖6 無人機自動機場后臺云監管系統。

圖7 無人機機載無線充電裝置。

無人機自動機場的關鍵技術

精準定位技術

由于無人機降落位置受起降系統尺寸的限制，無人機降落定位精度須控制在30cm以內。小型無人機定位一般依賴于GPS，普通單點GPS水平定位圓概率誤差（CEP）為1.5m。這種精度顯然無法滿足無人機在自動機場降落的定位要求，無人機須借助其他技術提高降落定位精度。目前，應用較多的無人機精準降落定位技術主要有實時差分定位技術和視覺導航技術。

基于RTK（Real Time Kinematic）的實時動態測量技術引導無人機精準降落，無人機的相對定位精度可達厘米級。當無人機采用視覺導航技術進行降落時，無人機機載圖像識別設備可識別和檢測起降系統的特定標志物，并計算無人機的相對位姿，飛控計算機根據相對位姿信息控制無人機精準降落。

自動充電與換電技術

目前，無人機自動機場采用自動充電與換電技術方案。

（1）充電式自動機場

充電式自動機場無須更換無人機的電池。在起降系統內部降落并被準確定位后，無人機利用機載接觸裝置給電池充電。另外，無人機機載無線充電接收裝置也可為電池充電。

由于電池充電受快充技術、電池散熱等因素的制約，電池充電時間一般較長，而采用無線充電技術的電池，其充電時間更長。因此，充電式自動機場亟須解決電池充電時間長的問題。

（2）換電式自動機場

無人機在換電式自動機場降落后，起降系統內部的高精度機械臂從無人機上取下電池，并置入電池存儲艙中，然后從電池存儲艙中取出滿電的電池，安裝在無人機上，換電時間較短，整個換電過程僅3min左右。無人機完成換電操作后可快速起飛執行任務。

換電方式對機械臂運動路徑、重復運動精度有較高要求。無人機電池存儲艙結構應采用合理的設計，機械臂應具有精準運動軌跡，這樣才能保證機械臂以最輕量化方案和最佳運動路徑、最短運行時間更換電池。如果機械臂重復運動的精度達不到要求，機械抓手則可能對無人機造成破壞。

圖8 一種換電裝置的機械臂。

圖9 某無人機槳葉未定向外包絡尺寸與槳葉被定向后的外包絡尺寸對比圖。

槳葉停轉位置鎖定技術

電動多旋翼無人機一般采用無刷電機提供動力。無人機每次停機后，其槳葉的位置具有隨機性。而起降系統的最小尺寸應滿足無人機外包絡尺寸的要求。多旋翼無人機降落后，使用螺旋槳定向裝置可以精確控制槳葉停止旋轉的位置，進而減小外包絡尺寸。圖9為某型無人機采用定向包絡手段后，其外包絡尺寸比正常外包絡尺寸減小38.7%。外包絡尺寸減小，可以減小起降系統的尺寸和重量，降低安裝場地的條件限制，降低自動機場的使用與維護成本。

通信技術

無人機自動機場采用4G、5G移動通信技術對無人機進行遠程控制與管理，而現有移動通信網絡主要為地面用戶提供服務。如果無人機的飛行高度在300m以上，現有移動通信系統無法保證無人機中高空作業的通信需求。因此，寬帶移動通信技術可為無人機中高空作業提供通信覆蓋。

無人機自動機場存在的問題

無人機自動機場的性能不斷提升，應用領域更加廣泛。但是，在實際應用中，無人機自動機場仍存在一些問題。

（1）無人機平臺缺乏專業化設計

現有無人機自動機場中的無人機平臺大多由第三方無人機簡單改裝而成。此類無人機在設計之初并沒有考慮自動機場的實際使用需求。為了給無人機自動機場配置專用無人機平臺，無人機機體、電池艙、起落架等部件均須要進行優化設計。

（2）環境適應性較差

無人機自動機場須要長時間在惡劣環境下工作，經受著雨水、風沙、高低溫等天氣和環境的考驗。現有起降系統的結構設計、材料選用存在不足，不能滿足各種野外工作環境。

（3）系統能耗大

無人機自動機場在野外無外部電源供給，僅依靠太陽能、風能等能源發電，無法保證充足的電能，自動機場運轉受到影響。

（4）設備兼容性低

由于無人機自動機場缺乏統一標準，同一廠家起降系統只能兼容一種無人機機型。不同廠家的起降系統互不兼容，導致設備利用率低、研發成本高、用戶使用成本高。

未來發展趨勢

存在的問題也為無人機自動機場的未來發展指明了方向。無人機自動機場呈現的發展趨勢包括如下幾個方面。

（1）標準化裝置開發

起降系統、電池、充電與換電裝置等設備開發采用統一標準，既有利于設備維護和維修，又能大幅降低設計和研發成本，加快無人機自動機場產業化和規模化運營步伐。

（2）起降系統兼容性提升

無人機自動機場采用標準通信協議，只要各起降系統相互兼容，無人機在同一區域作業時，可以任意降落在第三方起降系統進行充電與換電。

（3）多元化平臺拓展

目前，無人機自動機場主要供小型電動多旋翼無人機使用，平臺配置較為單一。未來，垂直起降復合式無人機、油動無人機都是自動機場的潛在用戶。

（4）抗干擾通信技術開發

無人機與起降系統之間、起降系統與后臺綜合管理系統之間須要通信鏈路，通信系統安全成為一個重要研究課題。