無人機回收技術(shù)及其發(fā)展

本文2015-08-18收到，王宏新系武漢軍械士官學(xué)校副教授，劉長亮系武漢軍械士官學(xué)校講師無人機回收技術(shù)及其發(fā)展王宏新劉長亮成堅摘要本文對降落傘回收、氣囊著陸回收、撞網(wǎng)回收、空中回收等常用回收方式及技術(shù)最新進展進行了著重介紹，對繩鉤回收、撞線回收、攔阻著陸回收、滾翼機和撲翼機垂直著陸回收等新型回收方式及其關(guān)鍵技術(shù)進行了重點闡述，對回收的不同方式、適用的機型及相應(yīng)的優(yōu)缺點進行分析比較，為無人機選擇回收方案提供參考。關(guān)鍵詞無人機回收技術(shù)發(fā)展引言無人機的回收方式是無人機的重要性能之一，回收方式是否機動靈活、準(zhǔn)確性及可靠性是否高、設(shè)備及操作是否簡單等已成為評價無人機性能好壞的重要指標(biāo)。無人機的回收方式多種多樣，傳統(tǒng)的回收大致可歸納為降落傘回收、氣囊著陸回收、撞網(wǎng)回收、空中回收、旋翼垂直著陸回收和起落架滑輪著陸回收等[1-2]；繩鉤回收、撞線回收、攔阻著陸回收、“飛鳥”著陸回收、滾翼機和飛蝶無人機垂直著陸回收等類型是較為新型的著陸方式。有些無人機采用部分回收，只回收有更有價值的設(shè)備。比如美國的D-21/GTD-21型無人機，當(dāng)它完成任務(wù)返航至回收陣地時，照相艙被彈出，降落傘自動打開，緩慢降落地面，而機體部分墜毀，比較明顯的好處是可以簡化回收設(shè)備減輕重量。有些無人機在回收時不使用回收設(shè)備而是靠機體某部分直接觸地回收，通常是小型和微型無人機采用這種簡單回收方式[3]，例如英國的UMAC11飛翼式無人機等，完成任務(wù)后靠機腹著陸回收。1降落傘回收傘降回收具有結(jié)構(gòu)簡單，回收場地要求不高，可重復(fù)使用以及成本低廉等優(yōu)點。經(jīng)過幾十年的不斷發(fā)展，傘降回收技術(shù)日趨成熟，是使用較多的一種回收方式。無人機帶著降落傘到達(dá)回收區(qū)開傘降落在陸地或水面上。地面著陸時，為防止觸地時沖擊過載造成損壞，無人機要安裝滑撬減震器或充氣氣囊等減震裝置，觸地時起到緩沖作用[4]。降落在海面時，應(yīng)配備飄浮系統(tǒng)，可以是無人機的密封機體，也可以是充氣的浮筒式氣囊，或者是兩者的組合。

無人機傘降回收一般應(yīng)用在低速無人機上。低速無人機主要是指速度在220km/h以下的無人機。由于回收時飛行速度比較低，一般采用引導(dǎo)傘加主傘的回收方式，其過程是引導(dǎo)傘直接拉出主傘，主傘一次充氣漲滿開傘。目前低速無人機回收系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)較為成熟，傘形一般選用平面圓形傘、方形傘、十字形傘以及沖壓式翼傘等。其中十字形傘以其穩(wěn)定性能好、制造工藝簡單、開傘動載較小等優(yōu)點在低速無人機上應(yīng)用最為廣泛[5]。翼傘具有平穩(wěn)滑翔的特性，能夠以較低的速度下降，可以通過人工或自動控制實現(xiàn)精確著陸。在使用無人機過程中，不安全因素始終存在著，為了確保安全，美國發(fā)明了可自動開啟的SmartChutes智能降落傘系統(tǒng)，在無人機出現(xiàn)不可預(yù)測的故障時，能夠及時有效地保障無人機安全回收。其在降落傘系統(tǒng)中內(nèi)置了傳感器，能夠時刻監(jiān)測無人機的飛行狀態(tài)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)狀態(tài)異常時在第一時間打開降落傘，以確保無人機安全回收。由于該系統(tǒng)使用的是它自帶的可充電電池，因此就算無人機的電池用光了它也能工作，所以安全系數(shù)很高，如圖1所示。圖1SmartChutes智能降落傘系統(tǒng)2氣囊著陸回收傘降結(jié)合氣囊緩沖是無人機常用的著陸回收方式。在無人機的機腹下裝有氣囊，無人機降落時，壓縮空氣從儲氣罐進入氣囊，部分又從氣囊開口中噴出，這個過程在機腹下形成暫時的高壓空氣緩沖區(qū)，使無人機“緩慢”接近地面，避免猛烈撞擊產(chǎn)生不良后果。無人機采用氣囊著陸的突出優(yōu)點是，可以在大多數(shù)地面或水上著陸，機動性能高。其次，大型和小型無人機都可以使用，回收率較高，使用費用較低。目前國內(nèi)外無人機所用的氣囊，內(nèi)部是一個用于填充壓縮空氣的簡單空間。填充氣囊壓縮空氣的氣源一般預(yù)先貯存在高壓貯氣罐里，小型氣囊也使用化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氣體的發(fā)生器。為減少氣囊對壓縮氣體的需求，目前研究較多的是多空間氣囊。多空間氣囊是以壓縮空氣預(yù)先充填起骨架作用的部分氣囊來支撐氣囊的外形，再吸入外部環(huán)境中的空氣充填其余部分。該結(jié)構(gòu)去除了機械結(jié)構(gòu)，氣囊重量增加很少；由于大部分充填氣囊的空氣來自于外部，減少了對壓縮氣體的需求，達(dá)到減輕氣源系統(tǒng)重量的目的[6]。3撞網(wǎng)回收無人機撞網(wǎng)回收特別適合在艦船上回收小型固定翼無人機。其核心技術(shù)在于引導(dǎo)無人機準(zhǔn)確地飛向攔阻網(wǎng)，觸網(wǎng)后柔和地吸收能量，從而平穩(wěn)、準(zhǔn)確地實現(xiàn)撞網(wǎng)回收[7]。目前，國內(nèi)外無人機撞網(wǎng)回收的典型結(jié)構(gòu)有兩大類：雙網(wǎng)和單網(wǎng)。雙網(wǎng)主要是指雙網(wǎng)雙桿結(jié)構(gòu)。單網(wǎng)根據(jù)支撐桿的多少又可分為單網(wǎng)單桿、單網(wǎng)雙桿、單網(wǎng)三桿結(jié)構(gòu)。由于雙網(wǎng)雙桿和單網(wǎng)三桿結(jié)構(gòu)強度和面積較大，艦船應(yīng)用較多，單網(wǎng)單桿與雙桿方案由于結(jié)構(gòu)簡單，強度較小，主要應(yīng)于小型無人機的回收。在引導(dǎo)技術(shù)方面，國外研究的范圍比較廣，主要研究了激光、雷達(dá)、GPS組合、電視跟蹤和機器視覺等末端精確引導(dǎo)技術(shù)。瑞典在激光引導(dǎo)方面研究較深，美國在GPS組合引導(dǎo)方面比較先進，典型應(yīng)用有“銀狐”無人機的Piccolo自動著艦系統(tǒng)[3]等。4繩鉤回收繩鉤回收是在撞網(wǎng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，相對于撞網(wǎng)回收，繩鉤回收結(jié)構(gòu)比較簡單，一般用于回收體積比較小和重量比較輕的固定翼無人機。無人機繩鉤回收系統(tǒng)主要包括翼尖小鉤、支架、回收繩、橡筋繩、導(dǎo)向輪、阻尼器和導(dǎo)引裝置等，如圖2所示?；厥者^程一般可分為滑行和回旋兩個階段。在引導(dǎo)裝置指引下，機翼前緣撞繩后，回收繩沿機翼前緣滑行到前緣翼尖處（圖2中從H點滑到F點），翼尖小鉤鉤住并鎖定回收繩[8]。在吸能緩沖裝置作用下，無人機飛行速度遞減，同時翻轉(zhuǎn)運動的半徑和速度也是逐漸降低的，當(dāng)速度降到比較小時可人工回收。圖2無人機撞繩回收示意圖5撞線回收無人機撞線回收又稱為單垂繩攔阻回收。無人機在地面或機載設(shè)備引導(dǎo)下，逐漸降低高度、減小速度，直接飛入回收窗口，通過安裝在無人機上的自鎖掛鉤鎖定在攔阻纜線上進行回收[9]。撞線回收系統(tǒng)一般由回收吊架裝置、攔阻纜繩裝置和安裝在無人機上的自鎖鉤裝置等組成。如圖3所示。其回收所用的關(guān)鍵技術(shù)是精確引導(dǎo)無人機飛向預(yù)設(shè)的回收窗口，并在自鎖鉤撞擊纜繩并鎖定后能及時停車，從而準(zhǔn)確、平穩(wěn)地實現(xiàn)回收。目前，撞線回收所用引導(dǎo)方式和設(shè)備與撞網(wǎng)回收引導(dǎo)方式相似。圖3撞線回收方式示意圖9起落架滑輪著陸無人機起落架滑輪著陸使用本身的起落架降落，該種著陸方式在大中型無人機上應(yīng)用較多。無人機的進場著陸一般采取自主控制著陸、遙控手進行實時控制著陸或兩種控制方式復(fù)合使用。無人機自主著陸一般是借助導(dǎo)航系統(tǒng)進行定位導(dǎo)航，在飛行控制系統(tǒng)控制下自動完成著陸。目前無人飛行器的導(dǎo)航方式有四種：慣性導(dǎo)航、GPS導(dǎo)航、INS/GPS組合導(dǎo)航和視覺導(dǎo)航。視覺導(dǎo)航系統(tǒng)由于視覺傳感器具有輕便、低功耗、成本低、體積小、采集的信息豐富等優(yōu)點，且機載攝像機具有良好的抗干擾能力，受外界影響小，因此利用機器視覺信息來輔助完成或獨立完成無人機的自主著陸或者著艦任務(wù)已成為無人機回收新的發(fā)展趨勢。無人機自主著陸典型代表是美國的X-47B無人機。10“飛鳥”著陸小型無人機一般沒有著陸裝置，很多都依靠人為控制的碰撞著陸。與鳥兒優(yōu)雅、準(zhǔn)確地落在枝頭相比，無人機的著陸方式有些拙劣。美國維什瓦機器人公司從美洲隼那里得到靈感，為小型無人機設(shè)計了這種可以加裝的腿。遠(yuǎn)程電腦借助安裝在無人機上的攝像頭所拍攝的畫面來控制飛行，無人機在著陸點上空能緊急制動，并熄火進入懸浮狀態(tài)，從而穩(wěn)穩(wěn)著陸。這套機械裝置模仿了具有減震作用的鳥類的腿，借助電動裝置可做出抓緊的動作，以此垂直棲息在某處。加裝腿的無人機能夠在任何方便著陸的有利位置停留棲息，如此一來，相比在頭頂盤旋的無人機，它們具有更好的隱蔽性和更近的觀察角度。由于停留時并不耗電，通過太陽能電池板充電的有腿無人機便可以長期執(zhí)行任務(wù)。維什瓦機器人公司已將設(shè)計的腿安裝在了固定翼無人機上，但在實驗室用的是四旋翼無人機，如圖7所示。這種可棲息的腿能夠短距離行走，這樣無人機就能勘察室內(nèi)的空間。美國麻省理工學(xué)院正在研究一種棲息在充電線上的無人機，利用充電線所產(chǎn)生的磁場對無人機進行充電，獲取更長的續(xù)航時間以便遠(yuǎn)距離飛行。圖7四旋翼“有腿”無人機10結(jié)束語無人機的回收方式多種多樣，具體選擇時還應(yīng)考慮無人機的型號、尺寸、質(zhì)量、使用條件和作戰(zhàn)任務(wù)等諸多方面的因素。隨著無人機技術(shù)的飛速發(fā)展和無人機在軍事應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴大，特別是對無人機使用的高機動性、高可靠性、高生存率、高費效比以及多任務(wù)的要求，對無人機回收系統(tǒng)的設(shè)計和技術(shù)應(yīng)用也提出了更高要求，具體表現(xiàn)在要求回收機動性好、通用性強、準(zhǔn)確性高、可靠性高、設(shè)備簡單、操作簡單等方面。這對目前還在大量使用傘降回收的我國無人機來說，帶來了更大的挑戰(zhàn)。參考文獻(xiàn)[1]寧東方．無人機自動著陸控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)．[學(xué)位論文]碩士，2006：4-5[2]鄒湘伏，何清華，賀繼林．無人機發(fā)展現(xiàn)狀及相關(guān)技術(shù)．飛航導(dǎo)彈，2006（10）：9-14[3]郭耀江．無人機著陸技術(shù)研究．現(xiàn)代導(dǎo)航，2013（3）：196[4]馬威，過海，姜寧．海軍通用無人機及其起降方式分析．飛航導(dǎo)彈，2006（12）：40[5]李?。疅o人機傘降回收系統(tǒng)的設(shè)計與發(fā)展方向．航空航天科技創(chuàng)新與長三角經(jīng)濟轉(zhuǎn)型發(fā)展論壇論文集，2012：194～196[6]邵志建，劉志擴．新型自充氣囊研究．南京航空航天大學(xué)學(xué)報，2009（z2）：84～85[7]裴錦華．無人機撞網(wǎng)回收的技術(shù)發(fā)展．南京航空航天大學(xué)學(xué)報，2009（z2）：6～8[8]吳佳凱，馬曉平，孫林峰．無人機繩鉤回收系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計．航空計算機技術(shù)，2012（3）：92～93[9]陶琨，王寅．視覺導(dǎo)航技術(shù)在小型無人機撞線回收中的應(yīng)用．兵工自動化，2013（7）：80～81[10]陳晨．美國海軍研究局研發(fā)新型無人機起飛與回收系統(tǒng)．戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈技術(shù)，2012（6）：85[11]聶宏，彭一明，魏小輝，張明．艦載飛機著艦攔阻動力學(xué)研究綜述．航空學(xué)報，2014（35）：1[12]韓雅慧，王亞偉，楊春信，徐曉東，楊雪松．直升機空中回收和投放貨物技術(shù)發(fā)展綜述．直升機技術(shù)，2012（1）：64～65[13]郭曉鴻．微小型四旋翼無人機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)，[碩士學(xué)位論文]．南京，南京航空航天大學(xué)，2012：1[14]聶博文，馬宏緒，王劍，王建文．微小型四旋翼飛行器的研