浅谈多旋翼无人机用于无人机违规飞行捕捉

洪 宸，付仲良

（1.华中科技大学附属中学，湖北 武汉 430074； 2.武汉大学遥感信息工程学院，湖北 武汉 430079）

无人机是利用无线电设备与程序控制装置操控的飞机，包括无人直升机、多旋翼无人机等，可以完成复杂的空中飞行任务和各种负载任务［1］。上世纪30年代以来，国外首次采用无线电操控飞机模型作为靶机，随后无人机的发展十分迅速，中国对无人机的研制与开发也加快了步伐［2］。然而，一些企业、个人的小微型无人机违规飞行时常发生，引发空中险情，甚至危及军民航飞安全和公共安全［3］。

1 对无人机违规飞行的应对

随着无人机的广泛应用，部分无人机违规飞行造成的险情不断增加。为此，美国不仅设置了无人机禁飞区，对违规飞行人员实行重罚和刑事指控，同时对小型无人机要求实名注册。澳大利亚官方规定普通无人机的飞行高度必须在120 m之内。荷兰警方专门训练老鹰将无人机当作猎物去捕捉。法国空军成立金雕培训小组，利用具有凶猛捕猎能力的金雕控制违规飞行的无人机。

我国民用机场管理条例规定，机场跑道中心线两侧各10 km、跑道端外20 km的区域为 “净空区”，净空区内禁止无人机、风筝、孔明灯等飞行物，一旦抓获，将处以2万元以上10万元以下的罚款。如果施放的飞行器影响到航班安全或者带来安全事故，最高量刑可至死刑。无人机飞行，即使在净空区以外区域，也必须具备相应条件。依据《民用无人驾驶航空器系统驾驶员管理暂行规定》、《中华人民共和国飞行基本规则》、《民用无人驾驶航空器实名登记管理规定》，使用者不仅须持民用无人机驾驶执照［4］，飞行前还必须向空管部门提出申请，经批准后方可实施［5,6］。

2 捕捉型无人机的设计

2.1 机身的设计

机身结构应高度一体化，具备防水、防雷、抗风、抗摔、抗磁的性能［7］。机身重量也是影响其续航能力的主要因素，其动力系统在整机重量中占了很大比例。机身材料方面，在保证强度和稳定性的前提下，优先选择密度小的材料。相同重量下，尺寸与速度、能耗成反比，因此在进行机身设计时应充分考虑空气动力学，采用科学的最优化设计，确保飞行稳定性。此外，机身受到的空气阻力作用和能耗之间的关系也不容忽视。

机身采用多旋翼设计，转速极高，故有外壳保护装置，保护人员安全。多旋翼机身多采用蓄电池供电，而充电过程需要时间，这也是影响无人机使用率的因素之一。随着科技的发展，无线充电技术和快速充电技术将步入实用阶段，将这两项技术应用到无人机，其使用率会得到大幅提高。

如图1所示，在支撑器（1）的下部前面和侧面分别设置第一距离传感器（7）和第二距离传感器（2）；支撑器顶部均匀设置不少于4个螺旋桨电机（9），螺旋桨电机上方设置螺旋桨（8）；支撑器下方设置支撑腿（6），支撑腿下端设置防震垫片（5）；支撑器下端中央设置中空的气囊弹射器（3）；气囊弹射器下端设置盖子（4），内层设置与气囊弹射器内壁紧贴的气体发生材料层（14），上端设置点火装置（17），点火装置通过导线（16）连接支撑器内部设置的微处理器，气囊弹射器的下端设置过滤网（15）；支撑器的内部设置微处理器和电源，第一距离传感器（7）、第二距离传感器（2）、螺旋桨电机（9）、点火装置（17）连接微处理器；在气囊弹射器的下侧设置与气囊弹射器中空部分连通的气囊（10），下端四周均匀设置不少于4条弹力线（11），在弹力线末端设置弹力球（12），在弹力球内部设置磁铁（13）。

图1 捕捉型无人机结构示意图

图2 无人机捕获装置开始捕获时的结构示意图

2.2 捕捉装置设计

1）如图2所示，在支撑器1的下端中央设置中空气囊弹射器3；气囊弹射器下端设置盖子4，内层设置与气囊弹射器内壁紧贴的气体发生材料层14，上端设置点火装置17，点火装置通过导线16连接支撑器内部设置的微处理器；所述气囊弹射器的下端设置过滤网15，下侧设置与气囊弹射器中空部分连通的气囊10，在气囊弹射器下端四周均匀设置不少于4条弹力线11，在弹力线末端设置弹力球12，在所述弹力球的内部设置磁铁13。当本无人机捕获装置到达适合的位置时，点火装置17点火，气体发生材料层14在短时间内产生大量气体，使得气囊10迅速通气膨胀，顶开盖子4，并将弹力线11和弹力球12向目标无人机弹射，使弹力线11和弹力球12将目标无人机缠绕，从而实现捕获功能。所述弹力球的内部设置磁铁13使得弹力球之间互相吸引，使缠绕紧固。当违规飞行无人机旋翼停止旋转失去动力或动力不足，捕捉无人机即可将其吊行至指定地点。

若违规无人机自重大于捕捉无人机动力，发生下坠情况时，捕捉装置的绳索可自动脱离捕捉无人机，使违规无人机自由落体，保证捕捉无人机的安全。

2）机身配备电子干扰设备，通过干扰违规无人机的航线设计和指令，短时间内改变其飞行路线，使其飞行、降落至指定地点。

3）若因捕捉带来故障，设计了保险装置可让无人机飞回基地。捕捉过程中，某种因素触发开启该装置，捕捉无人机立刻切断外界通讯，执行强制返回指令，并且安全、缓慢地降落至基地。此外，还配备了降落伞装置，当机身失重下坠时，可立即开启降落伞，保障执法、搜救和救援的开展。

2.3 控制系统设计

无人机要在复杂条件下完成自主导航，必须具备环境感知能力和学习适应能力。分配、应急处理、协调、目标识别、通讯是自主飞行系统的关键技术，通过黑匣子系统装置，飞行数据得以收集。调度中心将飞行数据处理和分析，建立大数据云。一旦发生紧急情况，无人机可把现场数据传回调度中心，通过与云数据比对分析，作出应急反应。随着飞行时间的增长和飞行环境的增多，捕捉型无人机持续、反复学习，进而变得更加智能化。

2.4 控制基站的设计

通过专有基站进行通信，建立专有通信网，采用数字加密信号，从而确保捕捉型无人机通信系统的稳定。在专有通信网发生故障时，无人机还可紧急启用第二种通信方式，即调用民用4G通信网络来联通无人机，保证飞行安全。

另外，城市用地十分紧张，对于已建成的居民区而言，可利用的公共空间越来越少。专有基站的设计不仅降低空间占用率，也做到功能整合，使其成为城市公共设施，兼顾城市景观，外观设计上符合大众审美需求，达到美观性、标志性的要求。

3 结 语

无人机及其系统本身具有很大的拓展空间，潜在的社会和经济价值巨大。随着新材料、电池和导航技术的发展，多旋翼无人机用于捕捉违规无人机将成为可能。

[1] 本刊综合．无人机飞入百姓家[J]．发明与创新,2016(1):4-9

[2] 李磊,熊涛,胡湘阳,等．浅论无人机应用领域及前景[J]．地理空间信息,2010(5）:7-9

[3] 本刊编辑部．无人机“黑飞”引发关注[J]．人民公安,2015(22):35

[4] 民用无人驾驶航空器系统驾驶员管理暂行规定[S]．

[5] 中华人民共和国飞行基本规则[S]．

[6] 民用无人驾驶航空器实名登记管理规定[S]．

[7] 杜洋,刘洪辰．自动化无人机快递配送系统研究[J]．科技传播,2016(5):96-97