天枢-A8系留无人机

  • 系统概述

  •         系留无人机是一种通过线缆连接地面供电系统来获取能源的系留式多旋翼无人机设备,相对于通过自身携带电池或燃料来获取能源的无人机,系留无人机能够实现长时间不间断的空中悬停,如图1所示。

            系留无人机系统由多旋翼无人机、系留线缆、系留综合控制箱、发电机、地面站、遥控器等部分组成。

            整套系留无人机系统可收纳于系留方舱中由车载运输,其中,无人机安放于系留方舱上半部的电动升降台上,系留综合控制箱和地面供电设备安放于方舱的下半部。运输状态时所有设备位于方舱内部,工作状态时系留方舱顶部自动打开,扩展为无人机的起降平台,无人机从方舱内部由升降台托举升起,接收起飞指令后在起降平台上自动起飞;降落指令发出后,无人机自动降落至起降平台上,并由升降台将其回收至系留方舱内,如图2所示。

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  • 系统特点

  •         (1)航时长,车载供电、长时间滞空

            (2)操作简单,一键自动起降、自动收放电缆

            (3)载荷大,15kg有效载荷

            (4)定位精度高,±10厘米级精确定位

            (5)平台适应性强,地面固定、车载、舰载应用均可

            (6)自主程度高,与自由移动基站车辆位置精确跟随

            (7)安全性高,具备断桨保护、断电保护、信号中断保护功能

            (8)军工级品质,高低温,冲击震动、电磁兼容,高海拔飞行能力

  • 系统功能

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    长时间留空

  •         系统可由地面供电设备提供电能,通过光电复合系留线缆持续不断地输送至无人机,实现长时间的悬停飞行;

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    载运平台多样化

  •         系统模块化组成,接口标准统一,具有良好的适配性,即可安放于地面执行任务,也能以整体系留任务方舱的形式过车辆进行载运和执行任务;

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    载荷多样性

  •         作为标准化的载荷安装平台,可提供标准航空设备供电输出接口以及网络、串口、视频多种标准通信接口;

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    一键起降

  •         无需飞手操作遥控器,通过地面站输入起飞和降落命令,无人机即可自动起飞或降落;

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    一键改变高度

  •         无人机在空中悬停过程中,无需飞手操作遥控器,在地面站输入悬停高度后,点击改变高度命令按钮,无人机即可自动上升或下降至该新高度后自主悬停;

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    一键改变航向

  •         无人机在空中悬停过程中,无需飞手操作遥控器,在地面站输入期望航向角后,点击设置航向命令按钮,无人机即可自动调整机头方向至该新航向后自主悬停;

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    自动收放线

  •         无人机在起飞、降落、空中调整高度过程中,地面线缆收放装置自动根据无人机的飞行模式、飞行高度、飞行速度收放系留线缆,并自动排线,无需人工干预;

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    自动跟随

  •         系统具备自主跟随功能,当载运平台(车辆、舰船)静止时,无人机自动悬停在平台上方,当载运平台运动时,无人机自动精确跟随平台的速度和方向同时运动;

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    安全保护

  •         无人机具备断电自动降落保护、遥控失联自动降落保护、GPS故障、通信故障等异常保护功能,可确保任务执行过程中的安全性;

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    设备自检和故障定位

  •         系统具备任务全程的自检和故障定位功能;

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    双定位模式

  •         系统具备差分RTK定位和单点定位双定位模式,同时支持GPS和北斗导航系统;

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    快速定向

  •         系统具备双天线定向能力,在电磁不稳定的环境中不经过校磁即可快速定向;

  • 分系统设备

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    无人机平台

  •         本系统采用四轴八旋翼无人机平台,四轴八旋翼无人机是卓翼公司针对系留无人机系统开发的安全、稳定、高效的无人机平台,可搭载光电吊舱、通信基站、电子对抗及侦察设备等任务载荷,无人机平台主要由机架、动力系统、电源系统、飞控系统组成,如图3所示。

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  •         (1)机架        

            机架采用四轴八旋翼的结构布局方案,具有以下特点:

            a、每个电机轴上安装两个大直径正反螺旋桨,用于增强升力、提升飞机抗风性,在有限的体积下可提供更大的升力;

            b、每个轴都采用冗余设计,轴上某个电机损坏时,无人机仍能保持姿态的稳定;

            c、机体主要结构采用高强度碳纤维材料,碳纤维材料有更轻的重量和更高的强度,保证了飞行器的整体强度并兼具一

    定的韧性;

            d、机舱采用航空级镁铝合金加工,既保证结构强度又控制了整机重量。

            (2)动力系统

            动力系统采用大功率高效盘式电机,配合高效碳纤维螺旋桨,兼具刚度与强度,使用寿命长、稳定性好,提供了良好的负载能力。

            (3)电源系统

            机载电源系统为无人机主电源,用于将系留线缆传输过来的高压直流电转化为低压直流电供无人机使用,具有功率密度高、尺寸小、重量轻、散热性好等特点,除了为无人机供电外,还可为载荷设备提供48V、24V、12V、5V等不同规格的供电电压以及不低于500W的功率;当主电出现故障时,系统可自动切换到备用电源(锂电池),使无人机安全降落。

            (4)飞控系统

            针对系留无人机一键起降、自动悬停、自动跟随、精准定位、抗风稳定、安全保护等要求,采用了高集成度、高可靠性的军工级飞行控制系统。该飞行控制系统集成了军工级惯性传感器、高精度差分模块以及高精度航空天线,并且以高标准制造工艺,实现稳定可靠的飞行性能和高精度导航定位以及自动驾驶功能。

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    系留线缆

  • 系留线缆采用超轻合金导体制造,内置凯夫拉纤维,具有重量轻,导电率高,抗拉性强等优点。如图所示。

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    系留综合控制箱

  •         系留综合控制箱由线缆收放装置及地面电源转换模块,用于实现无人机起降时的线缆自动收放控制,并将系统输入的AC380V/220V交流电转化为高压直流电。系留综合控制箱面板集成供电和通信航插接口、光纤接口、电源开关、显示屏、报警蜂鸣器等。

  •         (1)线缆收放控制机构

            智能化的线缆收放控制机构安装于系留综合控制箱内。(如图6所示),具有如下功能:

            a、无人机起降时自动收放线;

            b、精确测量线缆长度,并根据飞行高度自动控制收放线的速度;

            c、精确测量线缆拉力,根据无人机拉力自动调节力矩,保证线缆一定张力;

            d、线缆拉力大于阈值时,自动释放电缆,以保护飞机的稳定;

            e、收线时自动排线,保证线缆均匀的缠绕在转轴上。

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  •         (2)地面电源模块

            地面端AC/DC电源模块将发电机输出的380V/220V交流电转化为稳定可靠的400V高压直流电,通过系留电缆输送到机载端,供无人机使用。该AC/DC电源核心模块产品具有体积小、重量轻、转换效率高(≥94%)等特点,并具有过压、过流、过温瞬时保护及故障隔离能力,可在各种苛刻环境中稳定工作。

     
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    地面站

  •         系留无人机地面站采用了模块化的软件结构和开放式的软件接口设计,可以方便地进行二次开发和行业应用设计。通过系留无人机控制系统可以方便地控制系留无人机的起飞、悬停和下降,能够实现地面与机载设备的实时通信,监控无人机工作状态,如图6所示。

  •         地面站硬件可根据需要选用便携式平板电脑(,也可选择专门定制的“三防”工业级加固笔记本,具有抗震动、抗冲击,防水、防尘,宽温、电磁兼容等设计。
     

  • 典型载荷应用

  •         系留无人机基于其长时间不间断留空的能力,可发挥“移动瞭望塔”、“移动信号塔”、“移动雷达站”的作用,搭载光电吊舱、雷达、通信基站、电台等多种载荷长时间悬停于空中执行各类任务。

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    光电载荷

  •         系留无人机挂载光电设备载荷可对地面进行居高临下的长时间、多角度、大范围监控,由于无人机是高空监测,观察角度多样,在地面上看不见的或看不清的情况,从空中看则是一目了然,这样就能获取目标区域更为全面的图像信息。

            系留无人机平台上可搭载的光电设备种类形式多样,包括以下典型设备:

            (1)光电吊舱:可见光/红外/激光等多种光电吊舱;

            (2)相机:倾斜相机、高速相机等;

            如图8所示是系留无人机挂载光电吊舱的一种典型应用,主要包含无人机升空平台和地面系统两大部分:

            (1)无人机升空平台:多旋翼无人机平台、光电吊舱设备;

            (2)地面系统:地面电源箱、转轴控制箱、发电机、地面站、遥控器、地面通信设备(可配置)。

     

            通过在系留无人机上搭载光电吊舱,从高空对地面情况进行监测,并将得到的图像信息通过系留线缆中的光纤传输到地面固定监控站点或移动车辆内部的监控操作席位上,同时也可通过光纤将监控操作席位对无人机和吊舱的控制指令发送到空中平台上,实现视频和数据的空地双向交互。同时,根据需要还可以通过机载或地面通信设备,将监控信息传输至后方的监视指控中心,并根据监视指控中心的命令对无人机和吊舱进行操作。

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  •         基于系留无人机平台的光电监控系统是系留无人机平台与光电吊舱深度结合的应用,具有高效、不受空间和地形制约、观察角度多样、响应快速等特点,可以取得传统手段无法获得的巨大功效,可广泛应用于公共安全、反恐、边防、消防、战车和舰船视距扩展等领域。

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    通信载荷

  •         系留无人机可自由搭载LTE微型基站、自组网电台、集群微型基站等多种通信载荷,形成多种灵活的通信应用配置方式,在核心区域快速开通通信服务,在后方指挥中心、现场指挥部与前方任务队伍间形成超短波通信和宽带视频通信的大区域覆盖应急通信网络,可提供语音、视频等应急通信保障服务,具有全天候工作、滞空时间长、高机动性、快速部署、一体化小型设计、使用简单、支持分布式组网通信等特点,可广泛应用于应急通信各领域。

     

            传统应急通信车虽然在某些场景下能满足一定范围内区域的应急通信需求,但由于一般的应急通信车天线高度有限,而且很多时候容易受被地形影响或被周围的山体、树木、建筑物等高物体遮挡,因此实际通信效果有限。

     

            较之传统应急通信车,系留无人机应急通信系统即使架设位置相同,但由于通信设备和天线架高高度大,因此覆盖范围广、通信效果好;而且由于其体积小、重量轻,可通过背负、空降等方式架设于应急通信车辆无法到达的区域内部,通过链路构成通信中继节点。

            典型的系留无人机应急通信系统如图9所示,主要包含无人机升空平台和地面系统两大部分:

            (1)无人机升空平台:多旋翼无人机平台、机载通信设备(LTE微型基站、电台、集群微型基站等);

            (2)地面系统:地面电源箱、转轴控制箱、发电机、地面站、遥控器、地面通信终端、地面通信自组网设备。

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  •         系留无人机应急通信系统的作业模式分为空地直接覆盖、空空中继两类。

            (1)空地直接覆盖

    空地直接覆盖应急通信模式如图9所示,即挂载了通信设备的系留无人机快速升空后与远端连接各通信设备终端建立通信连接,然后将从各终端获取的语音和视频信息经系留线缆中的光纤传输到地面的核心网设备,最终在屏幕上显示。

            (2)空空中继

            空空中继应急通信模式如图10所示,即一辆应急通信车上挂载了通信设备的系留无人机负责从远端的终端处获取语音和视频信息,然后将这些信息从空中经由无线电通信传输至另一端同样挂载了通信设备的第二架系留无人机,第二架系留无人机上的通信设备再将这些信息经系留线缆中的光纤传输到车载内部的核心网设备,根据需要还可经无线电传输至后方的指挥中心,最终在屏幕上显示。这种工作模式下,可支持更大范围的应急通信覆盖。

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  •         系留无人机应用在应急通信领域,具有快速部署、轻便灵活、起降环境要求低、响应快速等特点,能实现大范围快速、可靠、低廉的宽带通信,在突发自然灾害、通信基础设施受到破坏、通信环境恶劣等条件下,其应急通信能力优势明显,可以取得传统手段无法获得的巨大功效。

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    雷达载荷

  •         系留无人机挂载小型雷达载荷可对地面进行居高临下的长时间、多角度、大范围侦察探测,由于无人机从高空侦测,观察角度多样,在地面上看不见的或看不清的情况,从空中看则是一目了然,这样就能获取更大范围、更为全面的目标信息。

            如图11所示是系留无人机挂载雷达载荷的一种典型应用,主要包含无人机升空平台和地面系统两大部分:

            (1)无人机升空平台:多旋翼无人机平台、雷达载荷;

            (2)地面系统:地面电源箱、转轴控制箱、发电机、地面站、遥控器、地面信号处理设备。

            通过在系留无人机上搭载雷达,从高空对地面情况进行侦察探测,并将得到的目标侦测信息通过系留线缆中的光纤传输到地面的信号处理设备,同时也可通过光纤将操作席位对无人机和雷达载荷的控制指令发送到空中平台上,实现数据信息的空地双向交互。同时,根据需要还可以配置机载或地面通信设备,将雷达侦测信息传输至后方指控中心,并根据指控中心的命令对无人机和雷达进行操作。

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  •         基于系留无人机平台的空中雷达系统是系留无人机平台与雷达载荷深度结合的应用,具有高效、不受空间和地形制约、观察角度多样、响应快速等特点,可以取得传统手段无法获得的巨大功效,可广泛应用于军事国防、公共安全、反恐、边防领域。