民用无人机平台构型研究

引言

无人机即无人驾驶航空器(unmanned Aerial Vehicle,UAV),是一种利用数据链通信远程控制或者完全自主执行飞行任务的航空器。无人机兼具自主飞行、灵活机动、成本低廉、可执行高风险任务等诸多特点,在许多生产实际场景中均表现出优于其他交通载具的性能。

随着先进导航传感器的出现和集成,无人机最初用于防御侦察或者其他军事作战任务,由于性能优良,无人机迅速成为武装力量不可分割的一部分。无人机技术的兴起不仅消除了无人机演习在军事上的限制,更是扩大了无人机在民用领域的应用范畴。近年来,由于民用无人机在可达性、速度和可靠性方面克服了地面系统的限制,因此民用无人机迅速走向了各行各业,被广泛应用于农业植保、电力巡检、应急救灾、环境检查、交通监控、城市管理、遥感探测、物流配送等[1—5]多个领域。本文主要对无人机的分类,特别是不同平台构型的无人机展开相关研究,并针对处于巡航阶段的无人机运动方程提出了一种简化模型。

1无人机分类

1.1运行管理方面

按照使用范围可将无人机分为国家无人机和民用无人机。民用无人机,指用于民用航空活动的无人机;国家无人机,指用于民用航空活动之外的无人机,包括用于执行军事、海关、警察等飞行任务的无人机。

按照民航法规《特定类无人机试运行管理规程

(暂行)》对于无人机运行管理的等级分类,按照空机重量、起飞全重等指标特定类无人机主要可以分为9类,具体如表1所示。

按照无人机规章制定联合体(JARUS)提出的概念SORA(Specific Operations Risk Assessment)对于无人机风险等级的分类,可以将无人机分为开放类、特定类、审定类三种。

开放类无人机主要包括微型无人机、在适飞空域内并具备跟踪技术和电子围栏技术的轻小型无人机。对于这种开放类无人机,将其定义为对于公众和空域风险程度极低的无人机类型,民航局监管部门将最小化相关部门的介入程度,无须设定强制性的适航要求,做到“放管服”。对于此类运行,主要通过运行限制来降低风险(如电子围栏、视距内运行等),因此不需要适航审定,也没有针对运营商和无人机操作员的资质要求,运营人直接对飞行安全运营负责。

特定类无人机主要包括中型无人机和在适飞空域外飞行的轻小型无人机。这种特定类的无人机系统,在某些实际的使用场景中已不可忽视其在空域内带来的安全风险,因此不能满足开放类的要求。由于该类别的无人机具有一定的风险,因此需要通过额外的限制或通过对设备和人员能力提出更高要求来降低风险。目前针对这一类无人机运行并没有采取一刀切的方式限制无人机的使用,而是采用风险评估的方式,确保该类无人航空器系统通过可接受的风险水平运行。风险评估内容主要考虑特定类无人机在实际使用场景中对地面所造成的威胁和在空中飞行所面临的危险,包含设计要求、运行限制、人员资质认定等。开展的方式可由运行人员进行安全风险评估,并确定风险控制措施,然后由局方进行审查和批准。对于安全风险较高的无人机运行则需要民航局许可认证,例如植保类无人机在从事农林植保作业时安全风险较低,可以按开放类无人机管理;当植保类无人机飞到90 m,指挥其他植保无人机进行协同作业,这时它带来的安全风险将大幅度提高,因此就变为特定类无人机,需要结合实际使用情况对无人机的安全风险大小进行评估。

审定类无人机主要包括大型无人机和任何飞行性能超过安全范围容易对公众与空域造成威胁的无人机;如果无人机系统运行的风险上升到等效于正常有人驾驶航空器运行的风险水平,那么将被认定为审定类无人机。这类无人机系统通常是在复杂环境下运行的高风险目标,仅通过运行限制的手段无法有效降低其运行风险。审定类无人机包括飞行速度快、航程远、升限高的无人机,需对其进行全过程的适航管理。

1.2平台构型方面

目前,有人机的结构类型比较固定,被广泛使用的构型主要包括固定翼和直升机两大类型。而现阶段的无人机不同于有人机,其结构类型多种多样,不同型号之间差异较大。

无人机按照结构分类主要有固定翼、多旋翼、复合翼和倾转旋翼四种平台构型。

固定翼无人机主要通过机翼与空气的相对运动在上下翼面之间产生压强差,从而产生升力。它们具有飞行速度快、航程远、有效载荷大的优点。固定翼无人机的起降通常需要一定长度的跑道,对起降场地净空条件也有一定要求,不能适应城市低空、高层建筑等复杂环境。因此,目前低空环境的无人机设计中常用的是能够实现垂直起降的构型平台。

多旋翼无人机由机体各轴末端的动力单元驱动,动力单元驱动桨叶旋转向下推动空气,在空气和旋翼之间产生反作用力,获得垂直起降的能力。通过调整旋翼旋转的速度,可实现升力的变化,以及通过各轴旋翼产生不同的转速从而形成差动升力来控制飞机的姿态和位置。多旋翼无人机通常采用3个以上旋翼轴的动力布局方案。在低空城市环境中执行任务的无人机通常采用具有4个及以上旋翼轴的冗余布置方案,以防止一个旋翼轴电动机发生故障导致无人机坠落。由于空气动力学特性和结构限制,多旋翼无人机的最大飞行速度和航程通常均低于固定翼无人机。

复合翼无人机结合了固定翼和多旋翼无人机的特点,其能够实现垂直起降和空中悬停,也能通过固定翼面进行高速巡航。复合翼构型在现有固定翼构型平台的基础上增加了旋翼动力部分,在进行垂直起降的时候采用旋翼作为动力源直接产生向上的升力,而不需要滑跑加速进行起飞;在起飞上升到一定高度则进入固定翼无人机的平飞模式。该类型的无人机平台由于使用了两套构型飞行死重较大,却无法同时利用两种构型的优点,因此整体飞行效率不高。

倾转旋翼通过增加旋翼扭转机构,使得旋翼动力单元能够旋转一定的角度,因此无人机能够在旋翼和固定翼两种构型之间进行模态转换。这种特性使得无人机充分利用了动力系统,能够通过一套动力系统完成垂直起降和高速平飞;但是其扭转机构结构冗杂,提高了故障率和维护成本,并且模态转换过程中的飞行控制也较为复杂。

针对不同平台构型的无人机,为了便于对比它们的特点,本文按照常见的无人机性能指标,包括起降便利性、使用成本、控制难度、巡航性能、有效载重比、系统可靠性,以“高、中、低”三个等级分别对上述无人机的性能指标进行评级对比,具体评级结果如表2所示。

对于起降便利性这一指标,由于低空无人机容易受到建筑物、起伏地形等障碍物限制以及空域环境的影响,因此必须考虑无人机的起降性能,例如所需起飞滑跑距离尽可能短、对于净空条件要求低或者能够完成垂直起降且对于起降场的要求不高。

对于使用成本这一指标,其不仅包括了使用无人机的直接成本,还包括了相关的维护保养等运营成本o

对于控制难度这一指标,不仅是指人工操作难度,还包括完成自主飞行的控制规划算法编写难度o

对于巡航性能,主要包括无人机的巡航速度、巡航高度、最大航程、巡航阶段平均能耗等一系列参数o

对于有效载重比,主要指无人机的最大业务载重占无人机最大起飞重量的比值,该比值越大,说明无人机的死重越小,机械结构设计就更加合理o

对于系统可靠性,由于无人机在低空飞行并且可能会经过城市区域,因此这就要求无人机在飞行过程中稳定可靠,即便在部分子系统出现失效的情况下依然能通过冗余技术保证最低安全水平o

1)地面坐标系xgygzgo

原点0g位于地面,xg轴指向北,yg轴指向东,zg轴指向地球球心位置o该坐标系主要用于获取飞行器相对于起始点的位置与速度。

2)机体坐标系xbybzbo

原点0b位于无人机质心,xbzb为飞机对称面;xb轴(纵轴)平行于无人机纵向中心线并指向运动方向;yb轴(横轴)垂直于xbzb平面并指向飞机右侧;zb轴(立轴)按照右手定则,位于对称平面指向下方o机体坐标系可用于描述无人机的位置和姿态o无人机可以绕纵轴转动做翻滚运动,绕横轴转动做俯仰运动,绕立轴转动做偏航运动o

2.1三维空间运动方程

低空无人机在空中的运动可以分解为两类,一类是沿着坐标系轴线的平移运动,简称平动;另一种则是绕坐标系轴线的旋转运动,简称转动o

当无人机的运动状态只存在平动时,无人机的姿态保持不变,其运动轨迹是一条直线,主要体现为空间位置的改变;当无人机的运动状态只存在转动时,无人机的机体坐标系与地面坐标系之间有转动关系,主要体现为机体姿态的变化。

无人机平动与转动的耦合运动共同构成了无人机在三维立体空间下的运动o无人机在不同坐标系下的速度表示方法和姿态描述方式分别如公式(1)和公式(2)所示:

中的系统可靠性主要包括动力子系统、机械子系统、飞行控制子系统等方面的可靠性o

2无人机运动学分析

在低空处于飞行中的无人机可以将其视为具有六自由度的运动体o以无人机质点为原点建立三维正交坐标系,通过欧拉角可以对六自由度运动体的姿态和位置进行描述o

下面首先对无人机的坐标系及其相关的运动状态进行分析o

式中:[x●g,y●g,z●g]为地面坐标系下无人机的速度分量;φ,θ,ψ分别为无人机在机体坐标系下的俯仰角、横滚角和偏航角;[u,v,w]为机体坐标系下的无人机速度分量o

2.2简化运动模型

无人机在三维空间上的高度单位改变量是其速度矢量在垂直方向上的分量,通常可以通过无人机的爬升率和下降率直接得到无人机在高度上的改变量大小,当无人机处于巡航平飞阶段时,可以将其视作在二维平面上的运动体,以此将运动学方程进行简化。对于二维平面上的航向改变,可以采用杜宾斯(Dubins)运动学方程[6]从无人机的倾斜角推算出航向角,从而得到无人机的飞行方向。航向角为机体纵轴与地球北极之间的夹角,用符号θ表示,如图1所示。杜宾斯运动学方程的计算公式可以式(3)来表示:

3结束语

由于无人机型号众多,不同平台构型的无人机其具有的飞行性能各异,因此所适用的应用场景也不尽相同。固定翼无人机对起降场地要求较高,但是具有起飞重量大、巡航性能好的特点;多旋翼无人机几乎能在任何平整区域进行起降,并且具有冗余的动力装置,但是飞行中的气动阻力较大;复合翼无人机兼具无人机和有人机的特点,但是结构死重较大;倾转旋翼无人机能够实现垂直起降并高速平飞,但是模态转换复杂,机械结构维护难度高。针对处于平飞阶段的无人机,本文根据杜宾斯方程提出了一种二维模型,简化了运动学方程的计算过程。