多旋翼无人机发展与在通信领域中应用

□ 文 王 琪 焦金戈

随着我国进入全面发展时期，科技实力日益增强，多旋翼无人机技术发展尤为迅速，广泛应用于军事领域和民用领域，相关研究趋向成熟。无人机由于其机型小巧、控制灵活、快速反应、搭载选择多，易于在各个行业实现快速应用，例如搭载了航拍模块的飞行器能实现航拍功能；搭载了探伤模块的飞行器能实现线路检测功能。不仅如此，无人机在农业灌溉，海洋监测，矿物探测领域中也有广泛的应用。本文立足于多旋翼无人机这个平台，分析多旋翼无人机的发展现状，探讨其在通信领域中的应用。

1 多旋翼无人机发展现状

多旋翼无人机诞生于20世纪60年代，当时还处于实验室研究阶段，主要针对的是飞行器的控制理论研究，当时的飞行器受制于飞行器的硬件系统不完善，很多研究仅仅停留在算法的层面上，没有得到实践检验。比较著名的是宾夕法尼亚大学提出的Backsteeping算法，其对应的多旋翼无人机为HMX4系统，当时在算法上实现了飞行器的高灵敏度姿态解算算法，首次在飞行器上搭载图像系统。总体而言，早期对神经控制算法，自适应控制算法等等控制算法的研究比较深入。

我国在多旋翼无人机领域的发展起步较晚，但发展迅速。在20世纪末电子芯片产业进入飞速发展时期，各种电子器件实现功能增强的同时减小了功耗与封装尺寸，这也极大促进了我国飞行器产业发展。我国不仅对控制理论和控制算法的研究不断延伸，还应用各种新方法和理论。例如国防科技大学在进行研究时，基于Backsteeping算法，使用Matlab等工具对算法的各项参数进行模拟和仿真，利用平方根滤波法调解出最合适当前飞行器的飞行参数，大大节省了研究时间并非常容易利用到实际飞行工作中。此外，我国的民用多旋翼无人机发展尤为迅猛，以Dji公司为代表的民办企业将多旋翼无人机的商业化应用提高到前所未有的程度，并且逐渐发展为世界民用无人机的领军企业，旗下的Phantom产品一经问世便风靡全球，极大推动了我国的多旋翼无人机产业发展。

图1 多旋翼控制流程示意图

2 多旋翼无人机的基本工作原理

多旋翼飞行器实现自动控制飞行，并且搭载的各种设备协同工作，要求无人机的控制、通讯、传感和信息处理有序同步进行，多旋翼无人机的工作多任务协同完成。如图1所示，其工作原理可以按照功能分成三部分：飞行器部分、机载设备部分和地面站部分。

2.1 飞行器部分

多旋翼无人机的基本功能即飞行，这也是无人机的核心功能，直接关系着无人机的工作状况和效果。一个良好的飞行平台能有力支持各项工作开展，其中最重要的就是对飞行姿态控制。

一般来说，多旋翼无人机是一种六自由度的垂直升降机，假如只有四个电机驱动，即只有四个输入量，该系统属于欠驱动系统，输入量需要经过精确解算才能达到控制姿态的效果。

图2 机体坐标系示意图

将无人机的运动描述为两种运动：质心的运动与绕质心的运动，如图2，则六个自由度可以看成是三个角运动和三个质心运动，分别用机体坐标来进行建模，两个坐标系皆满足右手定则。这两个坐标系具体定义如下：

定义集体坐标系的远点O位于无人机的重心位置。坐标轴aX 的正方向定义为与无人机重心与一个螺旋桨连线的正方向；aY的正方向与 垂直；aZ正方向为质点指向天空方向；aX 、aY、三者的坐标系满足右手法则。

本文中的无人机可以看作一个刚体，利用四元数方法进行描述比较方便建模，机体坐标系和地面坐标系之间的转换关系如下：

根据刚体定点的转动欧拉定理可以得出：刚体绕某一固定点的位移可以通过绕过此点的某旋转轴转过一个角度得到。假设绕旋转轴旋转的角度为α，xb，yb，zb分别为旋转轴在X轴，Y轴，Z轴方向的分量。

2.2 机载设备部分

机载设备承担了飞行器的任务工作，利用其设备完成各项任务，主要分为传感器模块和通讯模块。飞行过程中，机载设备来探测各种外部信息来配合执行装置完成复杂的任务。飞行过程中需要实时采集各种外部数据，主控制中心来对数据进行处理。例如摄像头模块对图像进行录制或者拍照，超声波模块来进行测距和无人避障。通讯模块即可实现和地面站通讯，将数据传送至地面站进行处理。

2.3 地面站部分

地面站部分承担了无人机飞行数据的收发与数据处理工作，地面站系统还集中了图像显示功能，搭载的图传与数传设备方便操作员有效进行各项控制与通信。

3 多旋翼无人机在通信领域中应用

近年来，通信领域迅速发展，中国三大运营商相继进入了4G网络时代，并在2019年开始试运营5G网络，华为中兴等主要设备厂家已经开始投入到了6G网络的研发中，中国在通信产业的发展处于世界领先地位。技术在不断创新发展，相应的设备规模也在不断增长中，人工成本也在不断攀升。人们在享受着4G信号带来的快捷和方便的同时，有一些问题值得我们思考。

人们活动的范围日渐增大，说明了基站的建设也不断增多，难不免有一些基站建在屋顶、山顶、甚至海岛上，这些基站也需要日常的维护与检修，给维护人员造成了很大维护困难。当遇到极端情况时，往往通讯设备的作用非常重要，因此多旋翼无人机在这些领域将有很大的潜力值得开发。

3.1 利用多旋翼无人机实现应急网络通信

我国是一个多山地的国家，山地、丘陵和高原的面积占全国土地总面积的69%，这些地区自然灾害频发，经常会造成当地的通信设备损坏，因而造成部分地区通讯中断。灾区一般处于交通不便的情况下，通讯设备抢修也极为困难，短时间内不能恢复正常通讯，这对于灾区抢险救灾来说是非常不利的。无人机平台以其独特优越性，能在短时间内搭建应急网络通讯。

多旋翼无人机采用电能驱动，飞行灵活、性能稳定。如果搭载了基站系统，可作为一个移动基站，大大增强应急抢险的通讯恢复工作。

如图3所示，我们日常通讯利用的电波可以认为直线传输，当遇到障碍物时其传输效果将受到很大影响。如果天空中有一个基站，将能把通讯范围扩大，实现该区域内的无线通讯。依据测试结果来看，无人机系统搭载轻型化4G基站、垂直升空至100米，长时间为灾区提供Volte及数据业务等通信保障，覆盖距离可达4公里，覆盖面积可达50平方公里，支持最大用户数可达1800个。

采用“系留式”无人机将有效解决无人机的滞空能力，并将有效减小由于电池重量造成的无人机重量。利用高效能的轻质电缆无人机的工作时间将由原来的几分钟提升至数小时，并能简化机身结构。

3.2 利用多旋翼无人机实现通讯设施巡检

图3 应急网络通信示意图

图4 系留式多旋翼飞行器

我国的通讯设施一般由末端设备、传输设备和交换设备组成，其中末端设备和交换设备使用人员密集度较高，便于日常应用与维护，而传输设备因其规模大分布广且地域不可达等特性是我们维护工作中的难点所在，对于传输设备的维护特别是基站的维护，关系到通信网的正常使用，如果找到行之有效的手段将大大节约物资与人力成本。多旋翼无人机是一种灵活方便的飞行平台，利用此平台搭载相关器件可使设备巡检的步骤大大简化，同时提高巡检效率。无人机巡检的具体任务为：无人机按照操作手的指令低速飞行，直至到达基站塔的顶端位置，执行悬停操作。利用搭载的高清拍摄模块进行远程外表观察，观测是否有缺陷部位，一旦发现即刻拍照上传至地面站，地面站系统进行分析。现阶段，高清拍摄模块主要为高清摄像头、红外探伤模块和超声测距设备，对于一般故障足以进行辨别与拍摄，特别是针对山地或者湖泊等地形难以到达的基站能有效节约人工成本。据江苏某电信公司实测，利用无人机巡检能将巡检成本降低百分之三十。利用无人机巡检技术能有效完成对基站线路断线、绝缘子脱落及异物识别等工作；利用无人机传输的数据，加上地面站专家分析决策，可有效完成基站相关设备的巡检工作。

4 总结与展望

本文总结了无人机当前的发展状况，介绍了相关控制方案和在通信领域的应用。无人机因其控制灵活，功能强大，具有无可比拟的优越性，虽然现阶段还有各种困难等待克服，但从长远看来无人机必将在通信领域大有作为。

科技的发展日新月异极大地改变着我们的生活与工作，我们只有把握这个潮流才能不被时代抛弃。现阶段我国对于无人机及其应用的研究还在如火如荼进行当中，过去视距之内的工作状态正在逐步被淘汰，视距之外的先进技术正在紧锣密鼓的研究与试验。无人机技术的发展也极其迅速，在通信领域中的各种应用也层出不穷，必将有力推动我国的通信技术发展。■