无人机数据记录仪发展浅析

于亚南，张振华，许长平，汤开杰

95894部队

本文首先简述传统无人机机载数据记录仪的结构与功能，并分析其缺点。针对当前无人机在复杂环境中的飞行特点，提出一种返回式数据记录仪的设计思路。

在信息、人工智能等技术支持下，无人机在多个领域发挥的作用日渐突出，其优势也愈加明显，一是无人机可避免“载人”的环节，具有人员零伤亡的特点，人员生命安全得到很好的保证；二是无人机具有良好的经济性，成本低，与有人机相比，无人机的重量和能源消耗明显减小。但是，无人机在飞行中通常由人员远程操控，并采用通信链路传输信息，一旦在空中发生故障无法正常返回，或出现坠毁等情况时，地面操控人员可能只掌握信号丢失时的位置信息。如果想准确了解无人机坠机前的情况，须要对无人机的重要残骸即数据记录仪内存储的信息进行提取和研究。如果无人机在海洋、荒漠、境外等较为特殊的区域坠毁，则须要消耗更多的人力、物力寻找数据记录仪，寻找工作面临很多困难。如果在极端条件下，人们也无法轻易获取数据记录仪，飞行事故分析工作面临很大困扰。

因此，为提高无人机事故的研究和分析效率，本文建议对传统数据记录仪加以改进，使其具有自主返回功能。当无人机无法正常返航时，数据记录仪能提前与无人机分离，自主降落在指定位置。

传统数据记录仪概况

数据记录仪俗称“黑匣子”，是无人机必备的电子记录仪器之一，用于详细记录无人机的飞行高度、速度、航向、姿态等数据。无人机的多种机载仪器仪表通过对应的传感器与数据记录仪相连接，便于记录仪采集和记录各类空中数据。地面人员利用这些数据可以计算和解读无人机在空中的飞行状态，进而详细分析无人机在空中的飞行情况。当无人机偶发故障无法返航时，地面人员在能找到数据记录仪的前提下，分析无人机在空中发生故障的情况。通常，数据记录仪拥有良好的防摔性、防水性和防火性，即使无人机发生事故坠毁后，记录仪仍能保存完好，并具有一定的信号发射功能，为搜寻工作提供准确的定位信息。

传统数据记录仪的缺点

图1 数据记录仪的外壳使用极厚的钢板，采用一体化成型技术制成。

图2 由数据记录仪模型刨面图可见，记录仪内部主要由电路板组成。

由于传统数据记录仪只具有数据记录功能，如果无人机发生故障无法返航且坠落于特殊环境中，没有办法找到或寻找难度大，以及寻找工作所引发的其他附加成本与数据记录仪的回收成本不成正比时，人们则无法获取记录仪中的空中数据，记录仪便失去作用。下文对无人机可能发生的故障情况和记录仪寻找工作进行分析。

一是无人机在海面上空飞行时突发故障，坠落于海中无法正常返航。如果数据记录仪恰好遇到较强的海上电磁干扰，其辐射信号会非常不稳定，且记录仪可能随着海水的运动被移动位置，给数据记录仪的打捞工作带来极大困难。因此，寻找和打捞工作须投入大量精力，周期长，找回的成功率小。

二是无人机在境外飞行时出现突发情况，数据记录仪有可能落入别国领土，给事故调查分析增加很多困难。在外交受阻的情况下，本国相关单位更无法轻易获取数据记录仪中储存的有关数据。

新型返回式数据记录仪设计思路

根据上述分析情况，本文建议对数据记录仪进行改进，在不影响无人机整体结构和气动布局的基础上，设计一种具有自动分离、自主导航、动力飞行功能的可返回式数据记录仪。

当无人机受到严重损坏或发生严重故障而无法返航时，该型数据记录仪能提前脱离无人机，启用自主飞行模式并自主降落到易获取的地区，甚至在极端条件下，亦具有一定的环境适应能力。

自动分离技术

新型数据记录仪的自动返回过程大致可以分为自动分离、自主返回、接收三个阶段。当无人机无法正常返航时，储存综合飞行信息的记录仪与无人机分离，成为一种独立的飞行器安全返航。记录仪使用一种可控触发模块实现分离功能，此模块技术称为数据记录仪自动分离技术。

新型数据记录仪底座可采用气囊式结构。记录仪中的传感器用于感知压力、温度等外界信号，记录仪中的处理器将外界信号与设定值进行比较，当达到或超越临界值后，记录仪中的处理器触发气囊开关，为气囊充注气体，借助气囊弹射作用，记录仪获得初始动力，与无人机分离。当然，飞控系统也可以给传感器提供信号。当无人机偶遇突发情况时，飞控系统经过综合判断，必要时向传感器发送弹射信号。

图3 传统数据记录仪的颜色均为橘黄色，只具有数据记录功能，无自主返回功能。

在设计新型记录仪时，尽量不改变无人机的结构，可以利用物质化学反应生成气体的方式，为气囊充气。在本文气囊充气技术研究中，利用NaN3与KNO3发生化学反应，生成N2，实现数据记录仪的自动弹出功能。

氮气生成的化学反应方程式：

通过配平得到:

由此看出，NaN3与KNO3发生化学反应后，生成高含量的N2，符合实用需求。

自主返回技术

自主返回技术模块主要实现数据记录仪的自主返回功能。该技术模块分为两种，一是气动布局设计模块；二是返回路径最优算法设计模块。

图4 数据记录仪与无人机、地面控制中心的关系。

（1）气动布局设计模块

为节省动力并获得较小体积的数据记录仪，可以选用滑翔式飞行模式，采用滑翔机的气动布局设计。

（2）返回路径最优算法设计模块

数据记录仪的自主返回对导航精度要求并不高，允许一定误差存在。在数据记录仪上容易实现北斗、GPS等卫星信号接收机的安装。技术难点是，须要设计一套路径最优选择算法，使数据记录仪无论在什么位置，都能根据当时的条件，自主计算出最优路径并返回。

能源与动力技术

滑翔机通常不安装动力设备，如果无人机事故发生地相对较远时，记录仪仅采用滑翔方式将无法实现返回。因此，在记录仪返回途中，可以选择滑翔与动力飞行相结合的方式，事先在处理器中设定好启用动力的时机，剩余时段采用滑翔方式返回。

建议尽可能减少记录仪的动力飞行。随着现代科学技术的发展，太阳能和风能发电已经成为较便捷和实用的供电方式。然而，数据记录仪的尺寸较小，加装过多的发电模块反而适得其反。因此，可以选择核电池作为能源。

更准确地说，核电池是核热电池，又称同位素温差发电机，足以满足未来数据记录仪的动力需求。其基本原理是利用温差发电，只要有热源就能产生温差，通过热电偶、半导体等热电转换器发电。发热源有多种选择，而核电池利用放射性同位素衰变产生热量。由于放射性同位素衰变是自发行为，不依赖任何外部条件。在没有阳光和恶劣天气条件下，甚至在-100 ～-200℃环境中，作为发热源的放射性同位素都能正常工作，为数据记录仪提供必要的发电能源。核电池发热部件最理想的原料是钚238，钚238辐射出的阿尔法粒子很容易被屏蔽，一张纸就能挡住，对人类生命来讲非常安全。因此，钚238曾用做心脏起搏器。另外，钚238衰变产生的热量比较大，但发热功率并不恒定。钚238的半衰期是86.4年，其价格比较昂贵，须要在专用核反应堆内用中子轰击镎237才能获得。

如果相关单位能研制出新型返回式数据记录仪，将对无人机空中数据分析提供较大支撑，大幅提高数据记录仪的回收效率，满足未来多种领域需求。