天枢-A3系留无人机

系统概述

        天枢-A3是一种通过线缆连接地面供电系统来获取能源的轻型系留多旋翼无人机设备,使得无人机通过地面供电能够实现长时间的空中悬停,如图1所示。

        天枢-A3系留无人机系统由六旋翼无人机、系留线缆、系留线缆收放装置、地面电源、发电机、遥控器等部分组成。

系统特点

       
       (1)地面供电,长时间滞空
       (2)操作简单,自动起降、自动收放线
       (3)飞行稳定性好,100m高空稳定平台
       (4)定位精度高,厘米级精准定位

分系统设备

 

无人机平台

        无人机飞行平台选用六旋翼无人机,作为一款安全、稳定、高效的无人机平台,天枢-A3提供了高负载和优秀的飞行性能,采用了模块化设计,进一步提升了可靠性,使用更便捷。天枢-A3六旋翼无人机平台主要由机架、动力系统、电源系统、飞控系统以及地面遥控器等组成,可搭载相机、光电吊舱、微型通信基站、喊话器、照明灯等任务载荷设备。

        (1)机架        

        采用六旋翼的动力布局方案,能够提供更大的升力,机身采用高强度碳纤维加工制造,保证了飞行器的整体强度并兼具一定的韧性;重要连接件采用航空铝CNC加工,既保证结构强度又控制了整机重量;机臂采用快速可折叠结构,可在1分钟内完成机臂的拆装,利于包装和运输。

        (2)动力系统

        采用碳纤维高效21英寸螺旋桨,兼具刚度与强度;大功率高效电机使用寿命长、稳定性好,配合配合碳纤维螺旋桨,提供了超强的负载能力。

        (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750V高压直流电转化为50V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,功率可达3000W;除了为无人机供电外,还可为载荷设备提供24V、12V、5V等不同规格的供电电压以及不低于300W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

        天枢-A3搭载专业级飞行控制系统,配备三套IMU和GNSS模块,配合软件解析余度实现6路冗余导航解析系统。模块安装进行避震设计处理,数据更精确,保障稳定可靠的飞行表现和精准操控。内置飞行参数自适应的功能实现不同负载下的参数免调,便捷易用。还可选配高精度D-RTK GNSS,有效消除磁干扰的影响并提供厘米级的定位精度,满足各类专业级应用需求。

        (5)遥控器

        如图3所示,遥控器将数据传输电台集成其中,与机载端搭配,能对无人机实现流畅控制,通过遥控器可对无人机的姿态和高度进行控制,并可实现无人机各种飞行模态的切换(起飞、降落、悬停工作等)。

 

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。

 

系留线缆收放装置

        系留线缆收放装置用于实现无人机起降时的线缆自动收放控制,由收放绞盘和系统箱体组成,可为系留无人机提供有线供电、信息传输及线缆收放功能,主要包括系统箱体、主体框架、储缆盘、光电滑环、控制电路等部分,如图5所示。系留线缆收放装置配置有调速按钮,可实现收、放线速度控制,箱体所有连接器具有防水设计或者防水护套。

 

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750V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电源模块具有体积小、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。

 

发电机

        发电机采用进口科勒发电机,具有体积小、重量轻、使用稳定性可靠等优点

 

 

工具箱

        工具箱包含展开和收回、简单维修无人所需要的工具,如表8所示。

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”的作用,搭载光电吊舱、相机、基站、电台、天线等光电设备载荷和通信设备载荷载荷长时间悬停于空中执行各类任务。

 

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7所示是系留无人机挂载光电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、光电设备

        (2)地面系统:线缆收放装置箱、发电机、地面电源、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。

        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设备深度结合的应用,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。

 

通信载荷

        系留无人机可自由搭载自组网电台、集群微型基站、LTE微型基站、天线等多种通信载荷,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8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(电台、LTE微型基站、集群微型基站等);

        (2)地面系统:系留线缆收放装置、地面电源、发电机、遥控器、地面通信终端。

       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。

 

高空喊话

        系留无人机挂载空中喊话器,便于指挥人员向事故现场进行大范围喊话提示,对救援人员进行高空指导、也可安抚群众情绪,对现场人员进行有效管控。如图9所示。

 

高空应急照明

        系留无人机挂载空中照明设备,可在夜间对地面进行大范围照亮,便于救灾现场工作的开展。如图10所示。