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浅谈无人机技术

【摘要】:

随着科技的日益进步,商用无人机系统(简称无人机,UAS)的使用率、购买率和性能不断提升。无人机的应用范围广泛,可以用于电影电视的拍摄,农业等行业的大面积监测,以及实现关键基础设施的监视和保护。近年来,美国已将无人机用于军事侦查、抢险救灾等涉及国家安全的重要领域。

无人机技术的发展也滋生了新的违规和违法行为,主要包括业余操作者无恶意的非法操作以及无人机的非法应用。业余无人机爱好者的违规操作可能导致无人机碰撞而对基础设施的损害,非法应用包括未经允许的监视、违禁品传递或恐怖袭击等。近年来,许多无人机相关事件中会涉及到无意识的误用,如机场或重点公共安全场所的无人机管控。此外,采用无人机在边境线进行违禁品运输,恐怖组织利用无人机炸弹进行袭击都对公共安全造成了巨大威胁。

对无人机的管控已经成为保护国家安全的重要工作之一。了解无人机的类型、组成和结构有利于实现各类无人机的针对性防护。只有更好地了解无人机的组件和操作,才能更好的研究反无人机系统(C-UAS),针对不同类型的无人机安全事件进行有效反制和管控。

 

2 无人机分类

美国联邦航空管理局(FAA)将无人机分为以下三类

无人飞行器(Unmanned aircraft):飞行器内部没有人员直接参与飞行器运作

小型无人机(Small unmanned aircraft):起飞时重量不超过55磅的无人机,该重量包括无人机及无人机内部的所有组成零部件。

小型无人飞行系统(Small unmanned aircraft system):小型无人机且包含其控制链路及通信链路的所有系统部件,控制和通信系统是国家空域系统中小型无人机安全高效运行所必需的部件。

其中,无人机主体(UAV)和地面控制站(GCS)的信息传递。

 

3 无人机的型号及性能

无人机主要分为固定翼和旋转翼两种,也有较少的无人机会将两者结合。

 

固定翼:由发动机和螺旋桨实现无人机的水平推进,飞行路径是通过操纵机翼上的飞行控制面实现的。

旋转翼:由两个或者两个以上的螺旋桨产生垂直方向的升力,螺旋翼无人机没有机翼,其飞行路径是通过独立调节每个螺旋桨的转速来决定的。

两类无人机的模型及制造工艺差异巨大,这使得不同类型的无人机用途及参数差异很大。

 

4 无人机厂商及参数

目前世界上有多个无人机生产厂商:

深圳市大疆创新科技有限公司(DJI-Innovations,简称DJI),成立于2006年,是全球领先的无人飞行器控制系统及无人机解决方案的研发和生产商,客户遍布全球100多个国家,占据了全球民用无人机50%的市场份额。大疆的无人机被广泛运用于航拍,其中端产品“精灵(Phantom)”系列以及高端产品“悟(Inspire)”系列深受专业级摄影师的喜爱。

零度智控(北京)智能科技有限公司,成立于 2007 年,以固定翼核心控制系统起步,后扩展至多旋翼无人机领域,先后推出了飞行控制系统、增稳云台、商用无人机整机、专业影视航拍系统等数十款产品。产品系列被广泛应用于测绘、安防、影视、农业、电力、科研等领域。

法国派诺特(Parrot)公司于1994年成立于法国巴黎,是国际著名的车载蓝牙通信产品的专业供应商。主打车载蓝牙通信产品和无人机,专注于智能手机和平板电脑相关的高科技应用产品,并提供汽车制造和城市无人机领域的高科技解决方案。其AR.Drone系列无人机是第一款可以用IPhone控制的小型四旋翼无人机。

5 无人机组件及属性

无人机可以详细划分为多个子系统,而且,其飞行距离和速度受到载荷等基本属性的限制。本节针对无人机的推进系统、飞行控制器、无人机负载和遥测数据对无人机组件及属性进行具体介绍。

 

5.1 推进系统:

大多数小型无人机都是螺旋桨驱动,并由一个或多个电动马达提供动力。马达动力由机载充电电池提供。军用的小型无人机也可以由内燃机提供动力,或采用发电机为电池充电,并且采用电动机提供推进的混合气电系统。

 

5.2 飞行控制系统

大多数无人机采用微型机载计算机作为其飞行控制器,这个PC即为无人机的指挥枢纽,实现遥控指令的输入和无人机控制指令的下达。通常情况下,飞行控制器包括多个内置传感器(如陀螺仪,加速计)和全球定位系统。飞行控制器指挥无人机的所有行为。包括:

管理无人机的电池分配及无人机各个组件的工作功率;

连接射频(RF)接收器和发射器(如:GPS接收器、命令和控制接收器和遥测发射器);

连接和操作传感器(如:热传感器,压力传感器等),以及确定载荷分布情况(如:执行硬件,摄像头等);

连接和操作无人机的飞行控制面(如:机翼、螺旋桨等)。

 

5.3 无人机负载

小型无人机的载荷较小,但是依然可以携带一些设备作为负载,这些负载有可能是无害的,但也有可能是恶意负载,会对公共安全造成恶劣的影响。常见的负载包括:

摄相机

传感器

气溶胶雾剂

医疗用品

爆炸物、化学、生物或放射性物质或其他武器

有害物质

射频发射器或接收器

监控设备

其他货物

一些无人机的携带负载是可以进行远程操作的,例如,许多无人机标准配备一个或多个内置摄像头,而相机镜头的移动和变焦是可以远程操作的。

 

5.4 遥测数据

遥测数据用来描述无人机与地面控制站(GCS)之间的传输数据信息,这些信息包含以下内容:

视频和音频数据

电池状态

飞行高度

飞行速度

飞行方向

空气温度

起飞位置

遥测数据通过机载传感器对无人机内部的监测获得,例如:

惯性测量单元

加速度计

陀螺仪

温度传感器

相机

红外传感器

射频接收器

声纳传感器

 

6 地面控制系统组件

GCS地面控制系统通过手动控制器、笔记本电脑、可视显示器等部件的组合实现,以完成向无人机发送命令并接收来自无人机的遥测数据的任务。控制器包含了无人机的人机交互界面,通过使用控制器,操作者可以远程监视和控制无人机的电机功率、飞行控制系统、机载摄像机和其他传感器。当无人机处于禁飞区或发生飞行故障时,无人机的状态警告通知可以在界面展示,命令控制和控制协议是GCS两个最重要的属性。

 

6.1 命令控制

命令控制(command and control,通常称为C2)是用来描述从GCS传输到无人机的命令集的术语,这可以实现无人机飞行状态的调整,如:飞行速度,飞行方向和飞行高度。C2传输也可用于操纵无人机上的其他负载设备和传感器(例如,机载摄像机的俯仰、倾斜、变焦和抓拍)或在不同类型的飞行导航模式之间转换。

 

6.2 通信协议

通信协议是一套实现两个通信终端信息交互的系统规则,它允许一个协议的两个或多个终端节点网络来交换信息。通信协议定义了节点之间的通信规则、语法、语义及同步规则。此外,通信协议还包括数据压缩、加密或从错误数据中恢复的信息规则方法。对于无人机系统,协议定义了控制、遥测和视频数据如何编码,传输和解码,以方便GCS和无人机之间的通信。GCS和无人机之间的通信可以使用标准或专有协议。

无人机的特性协议示例包含以下几种:

Lightbridge

Ocusync

MAVlink

通信协议使用特殊的格式化方法来确定消息结构,大多数协议消息包含三个主要部分:

Header:数据帧中位于消息数据之前的部分。它通常包含以下信息:发送方和接收方、消息格式控制协议以及接收方处理信号同步方式等。

Message Data:有时称为“有效载荷”(payload),它是实际的消息或要传输的较长的消息的片段。例如,它可以是一个从GCS发送到无人机的命令,或从机载无人机摄像机返回到GCS的视频帧。

Footer:数据包中该部分内容可能包含控制字段和信息字段,Footer通常用于验证接收设备对信息的准确无错误接收。

通信协议需要传输媒介,无人机系统采用电磁波实现信号的发送和接收,美国国家电信和信息管理局频谱管理办公室规定,美国商用无人机的无线发射频率为3kHz~3GHz(美国商务部,2003年)。

目前,大多数民用无人机及其GCS多使用与Wi-Fi兼容设备相同的无线电波段(2.4 GHz和5.8 GHz)来控制无人机和传输遥测信息。更先进的商用无人机可以配备调制解调器在433MHz或915MHz频段实现的数据发送和接收。

上述四个无线电频段中,2.4 GHz、5.8 GHz和915MHz采用了美国工业、科学和医疗(ISM)无线电用频频段,不要求使用许可证传输(联邦通信委员会,2010)。433MHz频带在美国是管控频带,保留给业余无线电操作者使用。根据国际标准,这一频段被认为是ISM无线电波段的一部分(联邦通信委员会,2018)。除了这四个常用频带之外,在理论上来说,其他任何无线电频段都可以在定制系统中使用。

 

6.3 飞行导航模式

用于远程操作无人机的常见飞行导航模式包含以下三种:

手动导航:在手动导航模式下,无人机由遥控操作者实时操作控制器上的操纵杆、按钮或旋钮。手动导航依赖于无人机和控制器之间不间断和连续的无线电通信。手动导航通过操作者和机载相机的配合实现无人机视角的第一人称接收,无人机的显示面板直接安装在遥控器上或者通过手机等终端设备与遥控器连接完成无人机的操作。

GPS导航系统:无人机可以被预先编程,自动飞到指定位置(也称为航路点)或使用指定的飞行路径。这种导航模式可以在无人机或GCS没有任何无线电发射的情况下实现。某些无人机处于安全的考虑,会在GPS导航飞行的过程中发射“心跳信号”,偶尔将遥测传输回控制器。然而,心跳功能仅仅作为安全功能存在,可以关闭以避免无线电发射。

自主导航:一些无人机仅使用自身的传感器也可以完成导航任务,而不是依赖GPS系统接收的信号。这些传感器可以包括,加速度计,陀螺仪,磁力计,摄像机等。在这种模式下,无人机可以跟踪移动的物体或人,依靠自主导航的无人机不会发射任何无线电信号,甚至完全不受无线电干扰的影响。

 

7 结论

随着科技的发展,无人机不仅走进了人们的生活,也广泛应用于军事、抢险救灾、地表勘测等多个领域,本文较为详细的介绍了无人机的分类及系统组成结构,了解无人机的结构及组件,可以更好的从无人机的飞行状态,数据传输等环节实现对不同类型无人机的针对性反制,保护公共安全。