微小型无人机平台中继在应急通信中的应用

2020-12-08韩林

魅力中国 2020年39期

韩林

（北京消防救援总队海淀支队，北京市 100192）

一、微小型无人机中继通信优势

为了迅捷、稳健的完成救援任务，各种研究机构都在积极研究新的紧急通信解决方案。研究表明，理论上可行的解决方案是基于高空的优势使用高架平台承载各种中继设备以建立任务区域内的通信覆盖范围。发射台可以有效地将阻挡传输更改为视距传输。可以根据需要随时更改通信范围的位置和大小。

（一）设置便捷。灵活的机动性使配备有通信设备的无人机中继能够快速建立通信链接，而无需有线通信连接；可以随时控制无人机平台的升降以确保中继平台在任务区域的通信系统搭建；微型无人机体积小、重量轻、易于携带，一名士兵就可以完成无人机中继器的发射和复位。

（二）由于功能多样而不受地形环境限制。传统的无线通信方法容易受到障碍物（如高山和高大建筑物）的影响，通信质量严重下降。一旦发射到空中，微型中继无人机就可以利用无人机平台的空中优势来避开障碍物并建立可靠的通信链接。

（三）低成本、高可靠性。微型和小型无人机价格便宜，可以同时采取多架无人机空中飞行搭建平台，只要通过保持一架飞机的机载通信设备的工作状态就可以实现中继通信。如果中继设备或空中通信设备发生故障，备用中继无人机可以快速唤醒以更换原始中继机，以保持通信链路的可靠性。

（四）通信设备信息传输质量高。微型和小型无人机平台可以轻松实现中继通信设备的现代化，并提高中继通信的质量。将无人机用于中继通信也可能会使用更多的频率资源来实现宽带调制。

二、飞行控制系统总体设计概述

对于空中的无人机中继通信平台来讲，无人机不仅执行飞行任务，而且还协同工作中继通信系统组建。对于地面管理人员，不仅需要通过发送飞行命令来不断调整无人机在空中的飞行状态，以使无人机可以根据任务要求更改位置和通讯范围，而且还需要不断地输入控制命令来调节无人机上通信设备的各种参数，例如发射功率、天线角度等，以始终保持空中通信设备处于最佳状态。

三、飞行控制模块冗余保障设计

由于配备通信系统的无人机通常必须使用具有高有效载荷和长使用寿命，因此在设计整个飞行控制系统时，飞行安全性和稳定性是两个主要考虑因素。在设计飞行控制系统时，为了保证无人机飞行的稳定性和安全性，在不同的模块中以及模块之间进行了很多冗余设计，整个系统在控制、执行和管理方面具有双重冗余结构。从控制角度来看，考虑到无人机在整个飞行过程中最困难的操作也是最危险的阶段主要是起飞和着陆阶段，并且起飞和着陆通常在近地点结束。因此，在起降控制中，飞行控制系统设计了双重冗余地面站控制结构和手动遥控，以确保无人机的起降稳定可靠。从实施的角度来看，微小型无人机需要背负通信中继设备，考虑到在整个无人机飞行中各种传感器和飞行管理组件都承受着沉重的负荷，因此这些设备的可靠运行对于顺利完成整个任务非常重要，关键部件的每次故障都会对整个航空任务的执行产生非常严重的影响。因此，在冗余飞行操作设计中，除了对安装位置有明确要求的设备（例如舵机）外，其余位置都配置有冗余备用的飞行管理组件（并且所有传感器均设置有两个相同的PX4FMU飞行管理组件）。它们同时安装在人机终端上，执行相同的功能，每个PX4FMU充当其他PX4FMU的备份。。

在飞行过程中，命令模块会根据其拥有的传感器持续计算飞机的状况，并从地面站接收数据。一旦确定PX4FMU无法正常执行空中任务，它将由命令模块控制，交换模块启动并快速切换到另一个PX4FMU执行飞行任务。从管理角度来看，考虑到LSIB飞行控制模块在整个飞行控制系统中也起着至关重要的作用。在正常飞行期间，LSIB飞行控制模块和命令控制模块保持心跳关系，即它们定期相互发送心跳包。如果控制模块无法收到飞行控制模块的心跳包，则考虑到发生了意外情况，并将执行returntoPX4FMU命令，要求无人机根据根据起飞过程中记录的GPS位置信息自动返回至起飞位置。控制器根据GPS信息和事先设置的命令进行顺利到达指定位置。