无人机自动机场发展现状与关键技术

2022-05-20管宇锋李煦凯陈培全

无人机 2022年4期

关键词：换电电池装置

管宇锋，李煦凯，陈培全

1.中国电子科技集团公司第二十七研究所

2.河南师范大学

本文介绍无人机自动机场的优势、典型应用场景及组成，总结无人机自动机场关键技术，分析无人机自动机场在应用中存在的问题，并对其未来发展进行展望。

随着无人机技术的快速发展，小型无人机系统在侦察、监视、打击、边境巡逻、电力线路巡检、农业植保，城市安防等军事与民用领域得到广泛应用。但是，小型无人机系统也存在一些问题。

首先，小型无人机特别是电动多旋翼无人机，其续航时间短，须频繁更换电池。

第二，小型无人机须要专业无人机操控员操控和维护，长时间、高频次的作业所须人力成本居高不下。

无人机自动机场的优势

为解决上述问题，针对特定使用场景且可自动充电、换电的无人机自动机场应运而生，并拥有诸多优点。

一是为小型无人机提供自动充当换电方案，使无人机能迅速升空并执行任务，极大提高了作业效率。

二是提供一种全自主作业方式。自动机场中的无人机不再须要专业操控员控制和维护，其作业时间不受人员生理极限等因素的限制，可以开展全天时飞行作业，极大降低了无人机运营成本的人力成本。

三是在任务现场部署无人机自动机场，小型无人机能快速应对突发事件，极大提升了无人机的快速响应能力。

典型应用场景

第一，无人机自动机场可部署在偏远、不适合人类长期生活的地区，为无人机执行石油管道巡检、电力线路巡检、光伏电站巡检等任务创造条件。

第二，在无人机自动机场支持下，无人机能对城市交通巡逻等任务做出快速响应。

第三，无人机自动机场可提供7×24h作业服务，无人机进而能承担边境巡逻、海上巡逻、缉私巡逻等任务。

图1 “无人机亭”无人机自动机场。

国外无人机自动机场产品

新加坡H3动力公司“无人机亭”自动机场

新加坡H3动力公司（H3Dynamics）公司“无人机亭”（Dronebox）无人机自动机场采用无线充电方式对无人机进行充电。整个系统使用内置储能电池，利用太阳能电池阵列收集能源，并将太阳能转化为电能，给无人机供电，并配置了备用氢燃料电池，当遇到阴雨天，太阳能电池无法提供电能时，无人机自动机场也能正常工作。

以色列空中机器人公司无人机自动机场

以色列空中机器人（Airobotics）公司开发的无人机自动机场具有自动更换电池、自动更换任务载荷的功能。其中，无人机平台的降落定位精度可达5cm，搭载1kg任务载荷能飞行30min，并配备有应急降落伞，在紧急情况下，伞降机构被触动后可确保无人机安全降落。

图2 空中机器人公司开发的无人机自动机场。

无人机自动机场的组成

无人机自动机场主要由无人机系统、起降系统以及后台综合管理系统三部分组成，其具体组成详见图3。

无人机系统

无人机系统由无人机平台、任务载荷、机载通信系统、机载充电与换电装置组成。其中，机载充电装置用于充电型无人机，由起落架上安装的接触装置或者无线充电接收装置组成。换电装置用于换电型无人机，它位于机身内部，用来固定电池，换电装置既要保证无人机飞行过程中电池安装牢固，又要保证换电操作时机械臂可以顺利将电池取出。

起降系统

在非任务期间，起降系统为备用电池充电，并使系统内部保持恒定的温度和湿度；在任务期间，起降系统监控无人机起降与作业，并完成无人机充电或换电操作。综合管理控制系统实时对整个系统状态进行检测与管理，并接受后台综合管理系统的监管与调度。图4是几种典型起降系统。

下面介绍起降系统的组成及功能。

（1）舱门开关装置

舱门开关装置对起降系统进行密封保护，其常用开关方式有上部开放式、侧面开放式、三面开放式。

（2）无人机停机坪

停机坪一般设有引导标识，无人机采用视觉导航技术进行精准降落。

（3）停机坪升降装置

该装置对停机坪的升起以及收回进行控制。

（4）无人机归位装置

无人机降落在停机坪的位置会存在误差，而无人机充电和换电操作须要精确的相对位置。归位装置能将无人机移动到准确的位置，使无人机完成充电和换电操作。

（5）充电与换电装置

换电式自动机场一般采用高精度机械臂进行换电操作，充电式自动机场由接触式探针或者无线充电装置组成。

（6）温湿度控制系统

温湿度控制系统使起降系统内部环境保持恒定的温度和湿度，确保无人机以及电池等设备正常工作。

（7）内部视频监视系统

该系统可监视起降系统内部设备的运行状况，为操作人员进行远程故障诊断提供支持。

（8）平台供电系统

平台供电系统为整个无人机自动机场提供电力，一般采用市电接入方式供电。对于无市电接入的部署位置，使用太阳能、风能提供电力能源。

图3 无人机自动机场组成框架图。

图4 几种典型起降系统。

图5 无人机归位装置。

（9）外部避雷装置

该装置用于雷雨天气避雷，保障无人机自动机场安全运行。

（10）风速风向测量装置

该装置用于风速、风向等气象信息测量，保证无人机安全起降与作业。

（11）外部视频监视系统

外部视频监视系统对起降系统及其周围环境进行远程监视，起安全保护作用。

（12）综合管理控制系统

该系统对整个自动机场进行管理，涉及无人机起降、充电、通信、任务规划等方面的管理。

（13）地面通信系统

地面通信系统为起降系统、无人机与后台管理系统提供信息通信支持。

后台综合管理系统

后台综合管理系统对部署在远端的无人机自动机场进行飞行管理、任务调度、运行状态检测、远程故障诊断等一系列操作。

图6 无人机自动机场后台云监管系统。

图7 无人机机载无线充电装置。

无人机自动机场的关键技术

精准定位技术

由于无人机降落位置受起降系统尺寸的限制，无人机降落定位精度须控制在30cm以内。小型无人机定位一般依赖于GPS，普通单点GPS水平定位圆概率误差（CEP）为1.5m。这种精度显然无法满足无人机在自动机场降落的定位要求，无人机须借助其他技术提高降落定位精度。目前，应用较多的无人机精准降落定位技术主要有实时差分定位技术和视觉导航技术。

基于RTK（Real Time Kinematic）的实时动态测量技术引导无人机精准降落，无人机的相对定位精度可达厘米级。当无人机采用视觉导航技术进行降落时，无人机机载图像识别设备可识别和检测起降系统的特定标志物，并计算无人机的相对位姿，飞控计算机根据相对位姿信息控制无人机精准降落。

自动充电与换电技术

目前，无人机自动机场采用自动充电与换电技术方案。

（1）充电式自动机场

充电式自动机场无须更换无人机的电池。在起降系统内部降落并被准确定位后，无人机利用机载接触装置给电池充电。另外，无人机机载无线充电接收装置也可为电池充电。

由于电池充电受快充技术、电池散热等因素的制约，电池充电时间一般较长，而采用无线充电技术的电池，其充电时间更长。因此，充电式自动机场亟须解决电池充电时间长的问题。

（2）换电式自动机场

无人机在换电式自动机场降落后，起降系统内部的高精度机械臂从无人机上取下电池，并置入电池存储舱中，然后从电池存储舱中取出满电的电池，安装在无人机上，换电时间较短，整个换电过程仅3min左右。无人机完成换电操作后可快速起飞执行任务。

换电方式对机械臂运动路径、重复运动精度有较高要求。无人机电池存储舱结构应采用合理的设计，机械臂应具有精准运动轨迹，这样才能保证机械臂以最轻量化方案和最佳运动路径、最短运行时间更换电池。如果机械臂重复运动的精度达不到要求，机械抓手则可能对无人机造成破坏。

图8 一种换电装置的机械臂。

图9 某无人机桨叶未定向外包络尺寸与桨叶被定向后的外包络尺寸对比图。

桨叶停转位置锁定技术

电动多旋翼无人机一般采用无刷电机提供动力。无人机每次停机后，其桨叶的位置具有随机性。而起降系统的最小尺寸应满足无人机外包络尺寸的要求。多旋翼无人机降落后，使用螺旋桨定向装置可以精确控制桨叶停止旋转的位置，进而减小外包络尺寸。图9为某型无人机采用定向包络手段后，其外包络尺寸比正常外包络尺寸减小38.7%。外包络尺寸减小，可以减小起降系统的尺寸和重量，降低安装场地的条件限制，降低自动机场的使用与维护成本。