系留式多旋翼无人机在水面靶标实现技术研究∗

（91550部队43分队 大连 116023）

1 引言

水面靶标［1］的用途是为反舰武器海上飞行试验提供水面舰艇目标模拟［2］，水面靶标工作时无人值守，一般处于海上定点锚泊状态，靶载测控设备工作由遥控地面站试验人员远程遥控。目前反舰武器过靶段的实况观测是通过安装在靶标船体上的多台高速摄像机完成，由于安装空间位置原因，存在摄像机拍摄视场受限；遥测遥控天线安装在船体高处，高度一般不超过15m，无线通信距离受限；武器虽然不带战斗部，不过也存在靶标有时被直接命中后，试验观测装备损失过大的问题。系留式多旋翼无人机［3］通过长缆系留在船体上，海上试验时悬停在船体上方数百米，作为过靶实况观测与通信中继平台［4］，相比较通用的固定翼和多旋翼无人机方式，技术实现较为简单可行，更适用于水面靶标应用场合。

2 多旋翼无人机需求分析

近年来，无人机在无人侦察、公路巡航、交通监控、森林防火、航空摄影等领域得到了普遍重视与应用［5］，在海上靶场也不例外，多种固定翼、直升机类无人机在空中校飞、海上监视、通信中继、靶机等方面已有成功的应用。目前反舰武器对过靶段的观测需求为对水面靶标连续观测时间不低于1h；使用海况不低于四级，海上风力不小于7级；可搭载光电和通信载荷；海上连续飞行时间不低于3h；执行任务时悬停在靶标船体附近上方100m～200m。

由于水面靶标在海上使用时无人值守的特点，利用无人机进行武器过靶段观测任务有其独特优势，但是在初步使用过程中也发现以下问题：由于在1h内进行连续定点观测，相比较固定翼无人机，可以完成悬停、低速飞行的多旋翼无人机更加合适；出于安全性考虑，海上靶区一般距离陆地几十公里以上，要求无人机从岸上起飞后，飞行到靶区执行任务，然后再返回机场，往往连续飞行2h以上。使用大型无人直升机虽然可靠性高，但是对起降场地要求高，费用昂贵，试验效费比低；而一般多旋翼无人机目前使用锂电池供电，载荷和航程有限，抗风能力和海上环境适应性较差，在试飞中多次发生坠毁事故。

提高武器过靶段观测能力。目前，武器脱靶量测量任务由基于脉冲多普勒无线电体制的脱靶量测量系统完成，但是目前海上试验进行各种有源和无源干扰已经常态化，在干扰条件下脱靶量测量系统难以正常工作，给试验鉴定带来较大困难。另外，过靶实况观测系统是武器过靶段的重要观测设备［6］，尽管拍摄的高速过靶实况视频细节清晰，由于受限于靶标船体的安装位置，难以独立在光学脱靶量观测上发挥大的作用。利用系留式无人机，搭载光电载荷，悬停在靶标船体上方采用俯拍的方式，为干扰条件下的脱靶量观测提供了新的手段。为了避免武器快速运动带来的图像模糊问题，需要摄像帧频高、曝光时间短和分辨率高，所以光电载荷采用高速摄像机，加装稳定云台，和航姿参考系统配合，使摄像机视轴始终指向船体区域，保证无人机在空中由于姿态、风速变化而产生运动时的图像稳定［7］。

海上通信中继。在海上两点通视时的无线通信距离［8］经验公式为

在式（1）中，d为海上水面靶标与遥控地面站之间的通信距离，单位为km；h1、h2分别为船体上遥测遥控天线、地面遥控站天线高度相对于海平面高度，单位为m，所以通信天线高度对于通信距离至关重要。通过在无人机上加装通信中继载荷，利用系留式无人机作为水面靶标与地面遥控站之间宽带高码率的海上通信中继平台［9］，可以显著增加海上通信作用距离，提高试验保障能力。

3 系统组成

基于以上海上使用需求，在水面靶标船体上使用系留式多旋翼无人机。多旋翼无人机在航渡过程中固定于船体上特制起降平台，试验开始后再根据地面站遥控指令起飞、降落，起飞后通过一根光电复合电缆与船体其他组件连接，完成供电、遥控指令传输操作。此种实现方式具有以下优点：结构简单，使用成本低，控制灵活，对起降场地要求低，发射与回收相对容易，飞行稳定，可长时间海上工作，免除在陆上起降场地与海上靶标之间的来回长途飞行，相应也提高了系统可靠性。系统组成如图1所示。

图1 靶载系留四旋翼无人机组成框图

根据系留多旋翼无人机在海上飞行时的空间位置划分，系统包括空中分系统、光电复合缆和保障分系统三部分。空中分系统即为一架携带光电和通信载荷多旋翼无人机，位置、高度和航向姿态参考单元提供无人机的实时位置、高度、航向、姿态以及在各个轴向上的角速度、加速度等信息，为了提高测高精度，使用超声波测高模块［10］。机体底部通过一根光电复合缆与位于船体的保障分系统相连接，所需的直流电源通过复合缆由保障分系统供给，无刷直流电机驱动多个螺旋桨产生升力，这样无人机可长时间在空中悬停工作，同时可承载更大的任务载荷，光电载荷为1台高速摄像机和1台常速摄像机，通信载荷可通过复合缆传输各种数据，同时可作为通信中继使用。

保障分系统包括中央控制单元、遥测遥控单元、光电复合缆及收放单元、发电机、起降平台、气象测量仪和船体位置航向姿态参考单元等组成。遥测遥控单元接收地面站遥控指令，对无人机起降、飞行状态控制，将飞行状态反馈遥控地面站；复合缆收放单元根据无人机飞行状态，控制缆收放；无人机起降平台根据使用环境设计，满足靶标航行和无人机起降稳定性要求；气象测量仪和船体位置航向姿态参考单元为无人机的飞行控制提供外界环境参考信息。

4 系留多旋翼无人机飞行控制

这种无人机实现方式关键技术包括多旋翼无人机的飞行控制、特别是起飞与着陆控制；光电复合电缆实现和收放单元；遥控地面站遥控软件。

多旋翼无人机空气动力学模型［11］可看成是六个自由度的刚体运动，包含三个轴的转动（偏航、俯仰和滚动）和重心沿三个轴的线运动（进退、左右侧飞和升降），至少需要6个信号通道。以四旋翼无人机为例，具有四个呈十字交叉结构的旋翼，分别安装在对称四个顶点上，分为左右和前后两组。当控制旋翼的四个电机转速发生改变，即可实现升力的变化控制，从而控制飞行器的姿态和位置。当系留无人机四个旋翼的转速相等且所产生的升力之和等于空中机体和系缆的重力之和时，无人机处于悬停状态，由于通过系缆与船体连接，受海上风和船体运动的影响，与通常多旋翼无人机相比，增加了缆绳扰动的影响，处于一个更为复杂的运动环境中，其控制系统是一个时变、非线性、强耦合、欠驱动的系统。

飞行控制器是无人机飞行控制的核心［12］，使无人机按照给定指令进行相应响应并稳定可靠地飞行，其关键是飞行控制算法。在本应用中水面靶标在海面定点锚泊，随着海流、海浪和风向的变化，围绕海底的锚做近似圆周运动。所以无人机大部分时间处于稳定悬停状态，运动方式主要是小幅度的垂直上升与下降运动、适当的偏航运动，尽量避免产生横滚、俯仰运动，否则可能会发生系缆的缠绕、旋翼切断系缆而使飞行失败。飞行时无人机是会修正自身的圆周运动，防止下方的系缆产生缠绕现象。

无人机控制采用半自主控制方式，其起飞、降落和改变飞行高度等关键指令由遥控地面站人员发出，其他飞行动作按照事先的程序设定自主飞行，不过如有必要，遥控地面站可随时无缝切换，取得无人机的飞行控制权。在飞行过程中，无人机通过比对自身与船体的两个位置航向姿态参考单元之间的偏差进行位置和航向修正，作为主要导航手段；参照船体上事先标注的图形标记，以视觉导航为辅助导航手段；依靠超声波测高模块进行高度控制。

图2 飞行控制器PID控制方法框图

飞行控制器接收遥控操作人员发送的高度、位置与姿态指令，与船体位置、高度姿态参考系统比对，计算两者的差值并得出力与力矩向量，从而控制不同电机的转动方向与转速。飞行控制算法采用经典的PID控制方法［13］，进行闭环控制，结构相对简单，鲁棒性较强且参数易于整定，如图2所示。

无人机起飞与着陆控制要满足三个要求：可靠性、完整性和准确性。起降平台位于船体的高处，为一半径为2m的内沉式圆形平台，表面敷设甲板防滑材料，在几何中心开孔，系缆从中穿过，连接到正下方的复合缆收放单元。无人机升降时利用光电载荷的摄像机作为辅助视觉导航手段，起降平台的四周边缘预先布设辅助降落标志，包括明显颜色涂漆标识和指示灯作为视觉导航合作目标［14］。在起飞和降落过程中，无人机高度的变化应和系缆的收放同步进行，防止因系缆拉拽无人机或缆绳堆积而发生意外。

在靶标航渡状态下，无人机通过拉紧复合缆固定在起降平台上，接收到起飞指令后，自检正常后，则无人机上电机开始工作，旋桨转动，当转动到一定速度，给复合系缆收放单元发出解锁指令，系缆开始放出，出缆速度可根据不同的海况与气象条件由遥控站人员实时设定。

无人机自主降落。接收到降落指令后，在开始改变自身飞行高度的同时，给复合系缆收放单元发出收缆指令，自主降落过程中的导航主要依靠机体与船体上的两个位置航向姿态参考单元为主完成，以基于起降平台为合作目标，进行快速定位和识别的自主视觉导航作为辅助；由于机载摄像机的视频图像实时无线传输到遥控地面站，必要时遥控人员可根据视频图像进行干预。如果海况较差，应选择在船体下沉到中间位置着船，尽量避免在船体上升周期着船，防止机体与升降平台强烈撞击而损坏。

5 光电复合缆及收放单元

光电复合缆（ROF）［15］是一种由光缆和供电电缆结合而成的复合电缆，具有系留载荷、供电、通信功能和高抗张强度，由承力缆线、直流电源线、通信光纤、接地金属网、外套管等部分组成［16］，可反复收放和弯曲，相对轻便，以达到系留无人机载重要求并保持通信、供电，保证无人机长时间悬停，同时具有防雷、泄雷功能，将雷击电流引导到船体上，光电复合缆的百米重量在2kg左右。

图3 复合缆收放单元示意图

复合缆收放单元［17］位于升降平台的正下方，除了保障无人机升降时复合缆的收放，还可将自身的放缆长度传送给无人机飞行控制器和地面遥控站，并接收无人机飞行控制器的高度位置信息和遥控地面站的遥控指令。复合缆收放单元的工作原理如图3所示，采用收放和储缆分离的思路，完成复合缆的收放、存储功能，主动轴电机提供较大的牵引力和制动力，储缆筒电机负责系缆的低张力存储和整齐排列，缆收放单元控制器对工作状态进行监控，执行来自无人机控制器和遥控地面站的指令，并将工作信息反馈。初始状态复合缆应整齐排放在储缆筒中，接到起飞指令后，无人机开始起飞，复合缆由储缆筒释放，放缆速度由无人机飞行控制器或遥控人员根据预定飞行状态、海区气象条件通过变频器进行控制，编码器完成出缆长度的检测。

复合缆收放单元的出缆与收缆长度，取决于无人机的实时高度，同时根据气象仪给出的风速进行适当修正。

式（2）中，L缆为出缆长度，h为无人机的飞行高度，l为储缆筒到起降平台的缆长度，hα为修正长度。预留修正长度的原因主要有三点：风力，会引起空中系缆弧度变大，相应地增加出缆长度；船体的升沉，在较差的海况下，船体会有上下数米的升沉运动，同时还有偏荡，为了防止对无人机产生突然向下的拉拽而失控，不过此周期较长，一般在6s以上；无人机的高度测量和出缆长度检测有一定的误差。无人机飞行高度与出缆长度必须紧密配合，但是在起飞、稳定飞行和降落阶段稍有不同。

起飞时，遥控地面站会根据海上的实时情况，设置预订飞行高度和缆的修正长度。系留缆快速放出3m后，起飞指令下达后，修正长度随着高度的增加也相应地增加，不过为了防止缠绕，多放出的系缆也在一个储缆盒中，位于升降平台和缆收放单元控制器之间，不过呈松散状态。稳定飞行时，无人机飞行高度与出缆长度两者之间已配合协调，一般不必调整出缆长度。但是遥控操作人员也可通过飞行控制软件界面和视频图像监控无人机的飞行状态，根据海上的实时海况进行适当的修正。

降落时，无人机的下降高度与收缆长度一致同步，所以无人机在下降时不会受到系缆的意外拉拽，在和缆收放单元控制器之间始终有一段修正长度，不过这段长度随着飞行高度的下降也逐渐缩短，在无人机下降到距离升降平台5m高度后会稍做停留，在船体的下沉时刻，发出着船指令，无人机完成着船动作后，马上将系留缆全部收回，利用缆的拉力把无人机固定在升降平台上。

6 无人机遥控地面站

地面遥控站遥控软件［18］分为四个模块：靶标环境监视、飞行监控、复合缆监控和数据库，是遥控操作人员与无人机系统交互的渠道，其总体框图如图4，包括飞行环境监测、实时飞行状态监控、光电复合缆控制在内的集通信、控制、数据处理职能于一体。

无人机的遥测遥控双向信道是利用目前已有统一的靶标遥测遥控信道，遥控地面站实时显示靶标周围工作环境监测［19］，包括位置、三维姿态和风力、风速、温湿度等气象情况；无人机的各种飞行状态信息、光电载荷传回的视频图像；复合系缆收发单元工作状态的显示与存储，包括电机的转速、系缆受力、出缆长度等；在电子海图上实时显示靶标位置；控制无人机的起飞、工作高度和降落操作；为了在完成飞行任务后进一步对飞行性能进行分析，需要将飞行数据实时存储，飞行结束后对数据离线回放查看、分析［20］。

图4 遥控软件总体框图

7 结语

系留式多旋翼无人机相比较以陆地或舰船为起飞、降落平台的通常无人机方式，具有空中停留时间长、不必往返飞行、监测效果好和可靠性高等优点，有利于提高海上试验效费比。特别是在干扰条件下的脱靶量观测、通信中继等方面，将靶标测量与观测任务载荷安装在多旋翼无人机的机体上，与以靶标船体为平台相比有较大的优势，减少反舰武器直接命中靶标船体后的损失，具有较强的可操作性。