多旋翼无人机的发展及特点在通信应用中存在的问题.doc
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1、多旋翼无人机的发展及特点在通信应用中存在的问题近年来,无人机飞速发展,形成了繁多的种类。其中,能够用于完成各类战术任务的无人机称为战术无人机。战术无人机包括了固定翼和旋翼等多种类型的无人机。战术无人机主要用于战场的视频侦察监视和无线通信中继领域。其中,利用无人机作为通信中继平台进行通信支持,与卫星通信和陆地移动通信相比,具有部署方便、控制灵活且通信设备容易升级换代的优点。美军无人机系统路线图2005-2030中对利用无人机作为通信中继平台进行了相应规划。通常用于构建通信中继系统的平台主要为固定翼无人机和无人直升机,这些平台既具有载荷搭载能力较强、飞行距离远、滞空工作时间较长等优点,也存在体比较
2、大、地面测控和保障系统复杂、维护保养要求高等缺点。因此,固定翼无人机和无人直升机平台主要适用于上百公里范围的通信保障,对小范围高机动战术作战通信保障的性价比较低。新近发展起来的微小型多旋翼无人机在战术通信领域更具优势。多旋翼无人机的发展及特点1.1 多旋翼无人机的发展早在20世纪初和中期,法、美等国已开始研制四旋翼飞机。但由于当时的设计受困于极差的发动机性能,飞行高度仅仅能达到几米,而且操作十分复杂,在速度、载重量、续航能力等方面无法与传统飞行器竞争,军事应用价值也不高。直到20世纪90年代之后,随着微机电系统(Micro-Electro Mechanical Systems,MEMS)研究的
3、成熟,重量只有几克的MEMS惯性导航系统被开发运用,使制作多旋翼飞行器的自动控制器成为现实。但是由于当时单片机的运算能力有限,不足以满足复杂的多旋翼飞行自动控制器算法的需要,多旋翼飞行器只是以独特的方式通过玩具市场进入消费领域。2005年2010年德国Microdrones公司先后推出的md4系列四旋翼无人机系统在全球专业无人机市场取得了成功。在学术方面,2005年之后四旋翼飞行器需求快速发展,更多的学术研究人员开始研究多旋翼,使得一些制约多旋翼飞行器系统的瓶颈技术得到逐步解决,多旋翼无人机的集成化、小型化、模块化、标准化、自动化水平迅速提高。特别是近两三年来,移动终端大量应用加速计、陀螺仪、
4、地磁传感器等,MEMS惯性传感器大规模兴起,集成度更高,成本更低,有力地推动了多旋翼无人机技术的发展。目前,中国已有多家民营企业生产多旋翼无人机,并占据了相当大的国际市场。1.2 多旋翼无人机的特点与固定翼无人机和无人直升机相比,多旋翼无人机具有以下特点:在操控性方面,多旋翼无人机的操控是最简单的。它不需要跑道便可垂直起降,起飞后可在空中悬停。在可靠性方面,多旋翼表现最出色。多旋翼无人机没有活动部件。它的可靠性基本上取决于无刷电机的可靠性,因此可靠性比较高。然而,多旋翼也有自身的发展瓶颈。它的运动和简单结构都依赖于螺旋桨及时的速度改变,以调整力和力矩。该方式不宜推广到更大尺寸的多旋翼。当然,可
5、以通过增加桨叶的方法提高多旋翼载重能力,但该方式会极大地降低可靠性、维护性和续航性。种种原因分析表明,最具发展优势的是微小型多旋翼无人机1。例如,某微型四旋翼无人机的主要性能参数:最大起飞重量为5 550 g;最大有效载荷为1 200 g;电池重量为1 750 g;留空时间约40 min(有效载荷500 g时);爬升速率为7.5 m/s;巡航速度为15.0 m/s;环境风力为9 m/s;飞行高度为最大1 000 m;工作海拨为最大4 000 m;动力配置4250 W盘式无刷直驱电机;导航系统为DGPS;控制方式:遥控、GSM网络遥控、自动驾驶。1.3 在通信应用中存在的问题微小型多旋翼无人机系
6、统日渐成熟。因其具有便于携行、起降环境要求低,操作简单、训练保障要求低,无需空域协调等突出特点,在航拍、监视、快递投送等民用领域发展迅速;在军事领域也已成功应用于侦察监视和地理测绘。然而,由于现有微型多旋翼无人机都采用电池供电,续航时间十分有限。一般搭载约1 kg任务载荷条件下的滞空时间还不到1小时。虽然采用多架无人机轮流工作的方式也是一种解决方案,但保障性将大打折扣。在实际战术环境下,由于微型多旋翼无人机无法提供持续的通信中继保障,直接由其构建的通信中继节点基本不具备实用性。因此,要将多旋翼无人机用于无线通信中继,必须解决持续滞空问题。最近出现的系留多旋翼无人机采用地面有线系留供电的方式实现
7、多旋翼持续滞空工作,为多旋翼无人机在战术通信中的应用开辟了新思路。系留多旋翼无人机工作原理和特性2.1 系统组成系留多旋翼无人机是在普通多旋翼无人机上外挂系留机载电源模块和超轻型光电复合系缆,连接地面电源设备,代替原来的机载电池2。如图1所示,系统主要组成包括:多旋翼飞行器、任务载荷(含天线)、机载电源、超轻型复合系缆、系缆收放机构以及地面电源设备等。2.2 工作原理及性能系留多旋翼无人机的最关键改进是增加了系留供电系统,其基本原理如图2所示2。地面电源将地面220 V交流电变换为高压后通过系缆传输到机载电源,再变换为飞行器及任务载荷的供电电源。系缆中除了供电导线,还有两条单模光纤,可用于机载
8、任务载荷与地面设备之间的宽带信号通信。地面供电部分中功率因子校正模块效率可达95%以上,飞行器及载荷的供电直流28 V的额定输出电流约为40 A(输出功率1 120 W)。轻型光电综合系缆由2根电线、2根B1.1单模紧包光纤和芳纶绞合而成,缆芯外松包聚乙烯护套。系缆可承受100 N拉力,导体直流电阻不大于0.094 /m,绝缘线芯间耐压1 000 V,重量仅约11 g/m。机载电源模块代替了原自由飞行四旋翼无人飞行器的电池部分,峰值功率可达1 500 W,效率可达90%以上。在机载电源模块中还保留一个小容量的锂电池,用于地面供电发生意外中断或系留供电系统出现故障时给飞行器提供应急电能,保证飞行
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