便携式反多旋翼无人机系统设计

李晨涛 李志豪 马保俊 李云芳

【摘 要】民用多旋翼式无人机，小到只有手掌大小，易被不法分子利用，是公共安全的新隐患。本文设计的便携式反多旋翼无人机系统基于APM飞控系统的巡航与FPV的实时图传功能，侦察范围区域，锁定被捕捉目标物。电子点火器点火气体燃料产生高压发射抓捕网捕获目标，系统降落伞带有自感应装置随之释放，将反无人机系统与被捕捉目标物安全回收。

【关键词】反无人机；电子通讯；系统控制；察打一体；设计

中图分类号： V279；V243.1 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）33-0012-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.33.005

【Abstract】Civil multiple rotor unmanned aerial vehicle （UAV） is small to a hand size， which is easy to be exploited by lawless elements to become a new hidden danger of public safety. The portable anti-multi-rotor UAV system designed in this paper is based on the cruise of APM flight control system and the real-time image transmission function of FPV， which can reconnaissance area and lock the captured object. The electronic igniter ignites gas fuel to produce high-pressure and launch catching net to capture the target. The parachute of the system with self-induction device is then released to recover the anti-UAV and the captured object safely.

【Key words】Anti-UAV； Electronic communication； System control； Reconnaissance/strike； Design

1 研制背景及意義

随着无人机技术的迅速发展，这一曾专属于军事用途的航空器，现已大举进驻民用市场，如今无人机已从人们想象中的“高大上”飞到了寻常百姓身边。无人机行业虽然在民用领域已成燎原之势，但繁荣背后尚存隐忧。无人机属于新兴行业，百姓一面感叹无人机的高端科技，一面苦恼于其造成的恶果。与无人机相关的“违法、违规”的各类事件层出不穷，典型的如对机场的入侵造成航班停飞，影响飞行安全，更有甚者，通过无人机偷拍偷运违禁物品入侵监狱等敏感要害部门。非法应用，威胁生命安全，无人机难免误入歧途或为有心人所利用，成为他们手中飞在天上的定时炸弹。

因此，反无人机设计显得尤为重要。本文设计一款针对消费级多旋翼无人机的反制系统，对目标可以做到的侦察，捕捉，回收三位一体的打击效果，真正做到高效、安全的反制。高机动性能与全天候适用的特点弥补了民用市场现有的反无人机技术的缺点与不足。真正做到对违法违纪干扰公共安全的民用旋翼式无人机的反制。此反无人机系统项目将通讯技术、控制技术、电子技术的集成应用，利用无人机反制无人机，大大降低反制成本，显著提高反制效率。反无人机是当前社会发展的热点前沿，能否在消除“附带毁伤”的同时做到准确打击违规违法的民用无人机是反无人机市场的重中之重，在维护公共场所设施，保护人民生命财产安全与隐私方面具有重要意义。

2 发展情况及现状

市面上曾出现过激光武器来对付无人机的侵扰。但是传统激光武器成本高、耗能大，也难以便携，其原理是用激光束照射无人机尾部，使无人机失去控制，可用于应付35km内的低空飞行器或无人机。该系统缺点是一次性投入较大，无人机被照射后可能发生燃烧现象，安全系数大大降低。

使用声波干扰无人机相对脆弱的机载陀螺仪也是出现的反制民用无人机的方案之一。陀螺仪是无人机的核心部件，它可以不断检测飞机的的方向、倾角，进而让飞机在空中自我调整，如果陀螺仪的工作不正常，无人机就会失控。声波在空中传播时，会产生共振现象，能量急剧增强，而民用无人机的陀螺仪通常使用非常廉价的元器件制成，容易搜集相关共振频率。针对这些元器件的共振频率进行定向的声波干扰，让陀螺仪产生共振后，陀螺仪就无法正确工作，进而导致无人机失控。但用声波需要设备能量足够大，也需要设置共振频率调试设备，无法应对数百米高空飞行的无人机，因此应用与民航领域无人机反制难度较大，仅适用于超低空飞行的无人机，适用范围比较局限。

针对民用无人机诸多鲜明特点，市面上亟待出现一款反制成本相对低，反制成功率高，反制安全性能可靠，具有高度机动性能，能够全天候执行反制任务的反民用无人机系统

3 反无人机系统总体设计方案

便携式反多旋翼无人机系统分为动力系统、基于ArkBird1.0智能巡航系统、电子点火发射系统，回收降落系统四部分。硬件设施结构如图1所示。基于APM飞控系统的巡航与FPV实时图传功能，侦察范围区域，锁定被捕捉目标物，电子点火器点火气体燃料产生高压发射抓捕网捕获目标（图2），系统降落伞带有自感应装置随之释放，将反无人机系统与被捕捉目标物安全回收（图3）。项目以弹射式固定翼无人机为核心，通过四大系统的实时关联配合，完成对飞行目标物的侦察、捕捉、回收一体化的功能[1]，围绕项目四大核心系统，增加此设计的延拓功能。使得整套系统功能进一步全面化，实用化。

4 主要功能和性能指标

控制计算机使用开源的地面站软件Mission planner，该软件可以完成飞控的初始设置完成对电机调速器、舵机的方向、行程的设置。该软件可以对飞控进行航点编辑导入（如图1）：执行任务前，软件通过外网加载的离线卫星地图，也可以加载灾害发生后的航测图，通过点击地图图像获得经纬度参考点，逐一设置航点后可以设置无人机围绕航点的自动环绕侦查，之后完成对初始航点和结束航点的设置，设置完成后直接通过算法生成二进制文件通过串口烧写入飞控 [2]。

（1）弹簧刀式固定翼：动力2217无刷电机、起飞重量2kg、机身全长1.4m，翼展1m，推重比1.5、理论最大飞行高500m，最大巡航速度90km/h。

（2）ArkBird1.0飞控：硬件核心为飞控核心MCU，并整合性6轴运动处理组件MPU6000。高度测量功能采用高精度数字空气压力传感器MS-5611，GPS定位模块选用MTK 3329，存储部分采用板载16MB的AT45DB161D存储器[2]。信息采集功能选用OSD模块将机器人姿态、模式、速度、位置等重要数据叠加到图像上实时回传，系统原理如图4所示。

（3）图像传输系统[3]：采用RC805发射机、TS832图传接收机搭配500万像素FPV图传摄像头，理论最大实时图传距离2KM、发射频率： 5.6-5.9Ghz电压输入： 7-24V发射功率：2000mw工作电流：190mA/12V工作温度：-10-+85℃视频带宽：8M音频编码：6.5M图传发射端为：RP-SAM jack（外螺内针）天线端为：RP-SMA plug。

（4）电子点火发射装置：LBH16R型电子点火器，重量3.3g，体积28*13MM，点火器内部为电脑芯片控制，通过WFLY9遥控器接收机中取电，远程遥控控制点火器的点火动作发生与关闭。B6-4模型火箭助推器，工作时间0.83S，通过气体燃料为无人机抓捕网提供动力。

5 设计优势创新点

（1）智能化：反无人机搭载ArkBird1.0飞行控制系统，通过加载实时卫星导航地图，可以逐一设置航点、返航点，巡航基本脱离地面人员手动操作，真正实现反无人机智能化自主巡航、自动返航。

（2）高效化：以固定翼无人机反制多旋翼无人机，弹簧刀式的气动布局能赋予反无人机高机动性能，使得旋翼式无人机难以探查到反无人机的位置，高机动性能以及采用高推力火箭推进器的尼龙抓捕网大大提高反制旋翼式无人机的成功率。

（3）安全化：能否在消除“附带毁伤”的同时做到準确打击违规违法的民用无人机是反无人机市场的重中之重，反无人机给抓捕装置配备了带有GPS定位功能的降落伞，成功反制抓捕违规违法无人机后也可是被抓捕无人机安全降落，大大降低附带毁伤与二次损伤。

6 应用前景

随着民用无人机技术的快速发展，特别是民用无人机成本、操作难度的大大降低，使得利用激光，电磁波等反无人机的效率和效费比问题越来越突出。相比于激光、电磁干扰等手段，以无人机反制无人机的反无人机具有快速、灵活、效费比高等优点，在民用市场具有更广阔的发展前景。反无人机装备的研制试验成功，为防御民用无人机的威胁提供了高效、低成本的措施。

近年来，无人机技术快速、广泛扩散，出现了大量各式容易操控的遥控直升机、多旋翼飞行器，与无人机相关的意外事件频繁出现，对安全保卫、治安管理等形成了挑战。未来，反无人机技术必将在安保领域发挥重要作用，反无人机的民用市场必定朝着高效率，低成本，智能化的方向发展[4]，此外，无人机反无人机系统属于新兴装备，有助于促进微系统、电子通讯等行业的蓬勃发展。

【参考文献】

[1]（美）托马斯·J.穆勒.固定翼微型飞行器设计引论[M].航空工业出版社.2015.

[2]林庆峰.多旋翼无人飞行器嵌入式飞控开发指南.清华大学出版社.2017.

[3][美]科里·比尔德（Cory Beard）.无线通信网络与系统.机械工业出版社.2017.

[4]（美）兰德尔·W·比尔德.小型无人机理论与应用[M].国防工业出版社.2017.