详细解读系留无人机的几个核心技术难题

来源:元器件交易网 2017-10-17 11:42:00

系留旋翼无人机的市场需求来源于系留气球升空平台系统。

系留气球升空平台系统是为定点监测电子装备提供的空基平台。美国的TCOM公司是著名的系留气球系统的生产厂商,美国西海岸的对海警戒雷达网都是由TCOM系留气球作为空基平台部署的。

然而,系留气球体积庞大升降困难,机动性适应性都很差。业内一直在进行着,通过系缆从地面供电,由电机驱动螺旋桨替代气球作为升空动力,创新出系留旋翼升空平台系统的研究。但上个世纪稀土电机尚待开发,电机自身重量过重,功重比不足以支持系留旋翼系统的开发应用。

近年来,多旋翼无人机的快速发展,为实现系留旋翼升空平台系统提供了技术上的支持,许多无人机厂家也开展了系留旋翼系统的研发,称为系留旋翼无人机。

说说系留旋翼无人机几个技术难点:

1、驱动电机的功重比。

功重比是指电机输出功率与电机自身重量之比,单位是千瓦/千克。根据旋翼类航空器升力/功率比的经验数值,每千瓦功率大约产生5~10千克的升力,电机的功重比低于1千瓦/千克将比较难设计系统了。

在此强调的是,电机功率指的是额定功率,而不是最大功率;电机重量包括电机和电调以及为其正常工作的冷却设备。系留旋翼必须是长期持续工作的,不象多旋翼无人机可短期间歇工作,驱动电机是动力的核心部件,一定要工作在额定的功率范围内。

2、高压供电系统。

系留旋翼和多旋翼无人机最大的区别在于供电方式不同。从地面向空中的系留旋翼平台供电必须经过一定的输电距离,采用高压供电方式可减小输送电流,从而减少电源损耗,同时可减小传输导线的截面积,减轻电源电缆的重量。

高压供电并不是电压越高越好,而要根据实际的系统要求综合考虑。一种方式是,输电电压可直接匹配高压电机,电压不需转换直接驱动电机,结构较为简单。但这种方式要进行高压电机的设计,受到电机电调大功率高压控制器件的限制,尤其在成本上难以接受。另一种方式,要在平台上设计降压用的开关电源,用多旋翼现有低压电机驱动;但开关电源同样存在功重比的要求和大功率高压控制器件的制约,也是要付出一定代价的。

3、系留系缆。

系缆除了传输动力电源之外,还设计有光纤以传输平台载电子设备的光电信号,因此系缆是一种动力/信号复合缆线。

平台载电子设备为减少升空设备的重量,普遍将天线、发射机之外的设备放在地面,而通过系缆光纤保障平台与地面设备之间电子信号的连接。这样可节省出平台升力,增加升空高度,提高升空增益。

系缆自身也需要减少重量,目前可采用合金铝材料作为动力导线,比铜线要轻不少重量。

4、飞行控制功能。

系留旋翼平台主要是在定点周围悬停,不会有过多复杂的飞行动作。这看上去比多旋翼的飞控简单,其实并非如此。系留旋翼的飞控需要充分考虑系缆对其飞行的影响,尤其是在各种风场条件下,系缆随风产生的摆动会使平台失去控制。

民用系留旋翼无人机至少要达到恒风6级阵风8级的要求,才能有实际使用意义。在6~8级的风场中,系缆并没有固定的运动规律可言,要靠飞控对旋翼平台控制的鲁棒性来调整,难度是很大的。

5、旋翼平台气动力设计。

考虑到系统旋翼平台要在强风场中运行,平台的气动力设计就尤其显得重要。系统旋翼平台在风场中悬停,实际上相当于平台在沿来风方向做平面飞行。6~8级风速为10.8~20.7米/秒,相当于旋翼平台要有最高时速不小于75千米的能力。

要达到这样的时速,固定翼的气动力设计较为合理。近期演化出一种垂直起降固定翼无人机,实际上是多旋翼+固定翼两套动力系统简单组合,从无人机本身效益讲并不经济,但能解决特定场合固定翼起降的问题。

垂直起降固定翼的气动力设计应用于系统旋翼具有较大的优势,系留旋翼由地面供电,能源比较充足;两套动力系统在强风场中各有用途,垂直动力系统保持平台悬停姿态;水平动力系统使平台逆风飞行;固定翼外形可为平台产生升力,减轻垂直动力系统的负担。

系留旋翼无人机已经面临着广泛应用的阶段,但从能够使用到实际使用得好还有一些距离,有望业内同行共同努力创新。

目前国内首家攻克技术难关取得独立知识产权的是北京一家叫卓翼智能的公司。卓翼系留无人机是由地面发电机发电通过系留电缆给无人机不限时不间断供电的系留无人机系统。其中集成了多项重要核心专利,其中的自主知识产权有系留无人机飞行控制系统、高压动力系统、共轴电机、自动收放线绞盘系统和自动跟随系统,以及三合一的系留光纤电缆绳在国内和国际市场上均具有技术垄断优势。系留无人机高空定点工作平台可搭载吊舱、基站、相机和雷达等,可广泛适用于救灾抢险、边界巡视、基地安全、景区监测、地质勘测、野外作业、森林防火、应急通信、公安反恐、交通监管、新闻直播、工程监控、环境监测、影视拍摄、科学研究、国防军工等多个广阔领域,未来在生活的其它各个领域也将得到积极应用。目前已经取得十几项国家发明专利,多项自助知识产权软件。

该公司技术团队由北京航空航天大学、清华大学、哈尔滨工业大学等知名高校毕业的博士和硕士组成,拥有多年无人机飞行控制系统的研发经验,在视觉导航和精确定位等多个领域拥有国内一流的核心技术。目前,公司已经开发完成了工业级飞控系统(全自主知识产权、非开源、实现自主飞行的核心)、系留无人机系统、无人直升机系统、植保无人机系统等多个产品,并顺利成为航天科技集团、兵器装备集团、船舶工业集团、电子科技集团等研究机构和多家无人机商业机构的订制伙伴和委托研发伙伴。广泛适用于救灾抢险、边界巡视、基地安全、景区监测、地质勘测、野外作业、森林防火、应急通信、公安反恐、交通监管、新闻直播、工程监控、环境监测、影视拍摄、科学研究、国防军工等多个广阔领域。

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