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★中國航空工業(yè)集團(tuán)公司西安飛行自動控制研究所

1　方案目標(biāo)

依據(jù)2018年~2030年民用無人機系統(tǒng)發(fā)展路線圖，無人機系統(tǒng)在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展中的服務(wù)民生、資源檢測和保護(hù)、氣象探測、自然災(zāi)害應(yīng)對、公共安全服務(wù)和科考研究等六大方向三十多個領(lǐng)域共有上百種應(yīng)用需求。近年來，無人機在民用市場的應(yīng)用受到越來越多的關(guān)注，如在警用安防、農(nóng)林植保、遙感測繪等多個領(lǐng)域，無人機系統(tǒng)需求較為迫切，且已形成一定的市場規(guī)模，其他行業(yè)的潛在需求也在逐步顯現(xiàn)，民用無人機市場應(yīng)用前景廣闊、潛在市場空間巨大，將進(jìn)入快速發(fā)展期。

無人機主要包括固定翼構(gòu)型無人機、多旋翼（多軸）無人機、無人直升機、特殊構(gòu)型無人機等四大構(gòu)型無人機。固定翼構(gòu)型無人機是多數(shù)行業(yè)級無人機的主流平臺，其技術(shù)特點為續(xù)航時間長、飛行半徑大、巡航速度快、負(fù)載能力強等，但其起降要求高且無法定點懸停；多旋翼（多軸）無人機是消費級無人機的主流平臺，其技術(shù)特點為起降要求低、可懸停、操控性佳、成本低，但續(xù)航時間短且負(fù)載能力弱；無人直升機適用于需垂直起降和自由懸停的應(yīng)用場所，其巡航時間、負(fù)載能力和巡航速度等指標(biāo)高于多軸無人機，但弱于固定翼無人機；特殊構(gòu)型無人機（復(fù)合翼、傾轉(zhuǎn)旋翼機、撲翼等）兼具固定翼無人機和旋翼無人機的特性，性能指標(biāo)一般介于旋翼類和固定翼無人機兩者之間。

隨著智能無人系統(tǒng)飛速發(fā)展及無人機系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮著越來越重要的作用，近十年來，自控所密切跟蹤國外智能無人系統(tǒng)發(fā)展動態(tài)和民用無人機系統(tǒng)市場應(yīng)用態(tài)勢，經(jīng)過深入調(diào)研，國內(nèi)垂直起降無人機平臺均為常規(guī)復(fù)合翼構(gòu)型，沒有類似美國V_bat系列的尾座式垂直起降無人機系統(tǒng)平臺。

本項目旨在研發(fā)40公斤尾座式垂直起降無人機系統(tǒng)平臺，充分發(fā)揮自控所GNC專業(yè)技術(shù)優(yōu)勢，充分利用自控所二十多年無人機配套系統(tǒng)研發(fā)經(jīng)驗，推進(jìn)智能無人系統(tǒng)發(fā)展，促進(jìn)無人系統(tǒng)在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮更大的作用。

該無人機系統(tǒng)平臺主要功能包括：

（1）全天候長時間偵察監(jiān)視、動目標(biāo)指示等功能。標(biāo)配載荷采用制冷紅外/可見光/激光測距三光光電載荷，具備全天時工作能力；采用制冷紅外傳感器提高了紅外探測與識別距離，安裝有激光測距機，可對地面慢速動態(tài)目標(biāo)進(jìn)行持續(xù)定位與指示。

（2）快速載荷替換能力。載荷艙段采用了快捷拆卸方式，可以快速適配搭載多種載荷類型；系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)載荷通信接口、兼容多種載荷協(xié)議，可適配多種載荷的控制與通信；通過快速載荷替換，實現(xiàn)多種載荷搭載，可拓展多種應(yīng)用能力，如通信中繼、氣象探測、災(zāi)害監(jiān)測、農(nóng)林植保、地質(zhì)勘查、遙感測繪、警用安防等。

（3）具備較高的自主飛行能力。飛控系統(tǒng)具備全過程飛行控制、飛行管理、設(shè)備管理、健康管理、應(yīng)急處理等自主控制與管理功能，自主化控制程度高；飛控系統(tǒng)設(shè)計有一鍵起飛、一鍵返航、快捷設(shè)置興趣點等便捷功能，降低了無人機系統(tǒng)操作人員能力要求；無人機操縱面、飛控系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、數(shù)據(jù)鏈路均采用了冗余技術(shù)，具備故障降級工作能力。

（4）快速拆卸、組裝及便捷運輸能力。無人機系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，5分鐘內(nèi)可實現(xiàn)快速拆卸與組裝。無人機系統(tǒng)拆卸包裝后可通過普通物流運輸車進(jìn)行運輸，具有良好的運輸便捷性。

2　方案介紹

2.1　無人機系統(tǒng)平臺組成

該無人機系統(tǒng)平臺主要由無人機、控制站等組成。其中，無人機主要由平臺、動力裝置、飛控系統(tǒng)、任務(wù)載荷與數(shù)據(jù)鏈機載終端等組成，設(shè)備總體布局如圖1所示。

圖1  無人機平臺主要部件布局示意圖

飛機平臺：采用大展弦比后掠中單翼身融合布局，機翼分為內(nèi)外兩段，后緣布置升降副翼，以實現(xiàn)俯仰和滾轉(zhuǎn)控制；機身尾段加裝上下垂尾，垂尾后緣布置方向舵，以實現(xiàn)偏航控制；動力裝置分為電驅(qū)動四軸對稱與尾推兩部分，皆采用螺旋槳發(fā)動機。圖2為該無人機平臺平飛時的固定翼狀態(tài)，圖3為起降時的旋翼狀態(tài)。

圖2  固定翼狀態(tài)

圖3  旋翼狀態(tài)

動力裝置：動力裝置采用油電動力混合推進(jìn)，其中電動裝置僅在無人機起飛和降落階段提供動力，而重油發(fā)動機則在整個飛行階段運轉(zhuǎn)。

飛控系統(tǒng)：主要實現(xiàn)無人機在飛行過程中的狀態(tài)管理、能源管理、飛行控制、飛行管理、應(yīng)急處置、設(shè)備管理、健康管理等，保證無人機全飛行過程的飛行安全以及任務(wù)的完成。配套有ADS-B設(shè)備，可進(jìn)入集成空域。

任務(wù)載荷：采用快卸快裝設(shè)計，可靈活實現(xiàn)載荷替換，最大任務(wù)載荷重量可達(dá)8千克。

數(shù)據(jù)鏈：采用主、輔鏈路設(shè)計，構(gòu)成數(shù)據(jù)鏈路的安全冗余。

控制站：主要包括2臺便攜式工控本、測控鏈路地面終端等設(shè)備，包裝運輸、展開撤收方便。控制站人機功效良好，軟件操作簡便，可單手操控載荷，使用便捷。控制站實物如圖4所示。

圖4  便攜式地面站

2.2　無人機系統(tǒng)主要技術(shù)特點

該無人機系統(tǒng)平臺主要技術(shù)特點如下：

（1）采用尾座式垂直起降復(fù)合旋翼構(gòu)型并采用了模塊化設(shè)計，實現(xiàn)迅速出動、安全起降能力；

（2）大量采用冗余技術(shù)，具有較高的使用安全性和任務(wù)可靠性；

（3）采用多操縱面實現(xiàn)氣動冗余，具備了多操縱面故障容錯能力；

（4）起降階段采用氣動+直接力復(fù)合控制；提高抗風(fēng)能力，提升安全性；

（5）飛控系統(tǒng)采用雙余度系統(tǒng)，具備一次故障安全工作的能力；

（6）采用主、備導(dǎo)航模式，提高導(dǎo)航定位信息完備性，提升使用安全性；

（7）采用主、輔鏈路配置，提高抗干擾能力；

（8）采用電動和油動混合推進(jìn)方式，提高發(fā)動機失效時平臺成功著陸概率；

（9）采用發(fā)電和應(yīng)急能源供電兩種能源方式，提高供電可靠性；

（10）采用集成可見光、紅外、激光測距的光電吊艙，實現(xiàn)晝夜偵察等任務(wù)能力和測距定位能力。

2.3　無人機系統(tǒng)主要技術(shù)優(yōu)勢

目前，市場上40公斤級起飛重量的無人機平臺主要有無人直升機、多旋翼機、常規(guī)復(fù)合翼無人機等，該尾座式垂直起降無人機系統(tǒng)平臺具有的主要技術(shù)優(yōu)勢如下。

該無人機系統(tǒng)平臺與市場上同等起飛重量級別的無人直升機、旋翼無人機相比，續(xù)航時間、作業(yè)半徑、飛行速度、飛行高度、抗風(fēng)能力、任務(wù)載重能力、實用升限、安全性等主要指標(biāo)均具有明顯優(yōu)勢，續(xù)航時間等指標(biāo)在一倍以上，系統(tǒng)通用質(zhì)量特性也優(yōu)勢明顯。

該無人機系統(tǒng)平臺與市場上同等起飛重量級別的常規(guī)復(fù)合翼無人機相比，飛行速度、安全性等主要指標(biāo)也具有一定的技術(shù)優(yōu)勢。

3　代表性及推廣價值

40公斤級尾座式垂直起降無人機平臺國是行業(yè)內(nèi)首創(chuàng)，在國內(nèi)處于技術(shù)領(lǐng)先地位。

多個用戶采用該無人機平臺（總共數(shù)十架無人機）很好地完成了區(qū)域巡查、目標(biāo)監(jiān)視、損傷評估等作業(yè)任務(wù)，獲得了用戶的一致好評。截至目前，該型無人機平臺由用戶方經(jīng)過數(shù)百架次、總飛行上千小時的試飛作業(yè)，系統(tǒng)工作穩(wěn)定、質(zhì)量可靠、操作簡單、使用便捷，總體應(yīng)用效果良好。

該無人機平臺起/降場地要求低，降落點控制精度高（米級），可滿足絕大多數(shù)應(yīng)用場景對應(yīng)場地起降要求，也可在臨時搭建的起降場地（如水平放置的木板等）實現(xiàn)起降，起降使用便捷；該無人機平臺通過替換載荷可適應(yīng)服務(wù)民生、資源監(jiān)測和保護(hù)、氣象探測、自然災(zāi)害應(yīng)對、公共安全服務(wù)、科考研究等六大方向的大部分領(lǐng)域的數(shù)十種應(yīng)用，具有十分廣闊的應(yīng)用前景和較大的國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)價值。

摘自《自動化博覽》2023年6月刊