100kg级复合翼垂直起降无人机系统总体技术方案报告20170428(公开)

编号密级公开阶段标记档号保管期限会签名称100kg级复合翼垂直起降无人机系统总体技术方案报告部门无人机部总体室编写校对审核标审批准中国航天科技集团公司第十一研究院彩虹无人机科技内容摘要：针对民用需求提出总体技术指标，开展总体技术方案设计，并对总体气动、飞行性能进行分析计算。完成飞行器分系统方案、测控分系统方案、载荷分系统方案、指挥控制分系统方案和综合保障分系统方案。其中，飞行器分系统方案包括动力系统方案、结构分系统方案、飞控分系统方案和电气分系统方案。阐述了特性设计、关键技术与解决方案等，并对系统方案进行了总结。主题词复合翼，垂直起降，总体方案更改栏更改单编号更改日期更改人更改情况及标记目录TOC\o"1-2"\t"参考文献,1,符号表,1,附录,1,引言,1"\h1任务来源图622所示：图STYLEREF1\s6SEQ图\*ARABIC\s122飞行控制系统组成及接口示意图飞控系统设备清单如下：表STYLEREF1\s6SEQ表\*ARABIC\s117飞控系统机载设备组成设备型号数量最大功耗〔W〕重量〔kg〕飞控计算机—150.50航姿传感器SBGellipse-n10.40.07GPS接收板(1)—1——GPS天线1270FW/F10.50.10静压传感器(1)MS5525DSO1——动压传感器(1)MS5515DSO1——备用遥控接收机—10.50.01空速管—1-0.02触地开关Honeywell10.50.02总计6.90.72注(1)：集成在飞控计算机内系统功能飞行控制系统主要实现以下功能：旋翼模式下起飞、悬停与着陆的飞行控制；固定翼模式下的姿态控制、高度控制、三维自主飞行控制；旋翼模式、固定翼模式之间的平稳转换；接收并响应无线电遥控指令、实时传送遥测数据；具备自主起飞与自主着陆功能；具有任务航线装定和回检功能；具有完善的地面检测功能；具有发动机状态监测与控制功能；具有监测飞机姿态的功能；具有根据航路点特征着陆的功能；具有在丧失GPS定位信息、丧失数传信号的情况下自动返航的功能；具有应急转为旋翼模式并自主着陆的功能；具有一键返航并转为旋翼模式定点着陆的功能。主要部件及性能指标飞控计算机CPU：MPC5674尺寸： 120mm×70mm×40mm重量：≤0.5kg电源：+9V~+35V；A/D通道： 3路；PWM通道： 14路；串口通道： 10路 3路RS2324路RS4222路TTL1路SBUS；转速采集：1路；姿态传感器俯仰测量:范围±90º；精度＜0.5º；横滚测量:范围±180º；精度＜0.5º；航向测量:范围0~360º；静态精度＜1º；静态精度＜2ºRMS；角速度测量:范围±300º/s；加速度测量:范围±5G；输出接口:RS232；数据更新率: 200Hz以上；重量: <50g；电压: 5VDC～36VDC；功耗: 0.5W〔典型值〕；尺寸: 46mm×45mm×24mm；工作温度:-40℃～+85电气分系统系统组成100kg级复合翼垂直起降无人机系统电气系统由电源系统、配电系统组成。其中电源系统包括动力电源、设备电源，二次电源和地面电源；配电系统包括配电盒和电缆网。系统工作原理100kg级复合翼垂直起降无人机系统采用锂聚合物电池组作为旋翼动力系统的供电电源，发电机为机载设备供电，采用锂离子蓄电池作为备份电源，发电机的供电、蓄电池电源和地面电源通过不同接口汇入配电盒内的主汇流条，机上的飞控计算机和数据链直接从主汇流条获得电力；配电盒内具有7.2V二次电源，为机上舵机供电；配电盒还将采集汇流条的电压、电流参数和发动机转速、缸温信号，并将参数传送至飞控计算机，以便于地面人员监测电源系统和发动机的运行状况；此外，配电盒还将接收飞控计算机发送的停车指令，切断发动机的点火电源。配电和的原理图如图6-15所示。电源系统设备电源技术指标开路电压：21V~29.4V；标称容量：10Ah；放电电流：≤10A；工作温度：-20℃~55℃；循环寿命：≥500次；重量：≤1.25kg；尺寸：≤150mm×100mm×100mm〔长×宽×高〕；配电盒技术指标配电盒装置性能要求如下：输入线电压： 22VAC-60VAC输出28V电压精度28.5V±0.5V输出7.2V电压精度7.2V±0.2V28V输出功率300W7.2V输出功率20W7.2V电源输入28.5V与上位机通信方式RS422参数监测精度±2%FS重量≤2kg发电机技术指标工作转速：1100rpm-7500rpm；额定转速：7200rpm；额定功率：400W；效率：≥85%；重量：≤1.5kg；地面电源技术指标地面电源主要用于系统的调试、维护和校准。为适应室内和室外不同的使用情况，地面电源应由台式电源和蓄电池组成。台式电源适用于有市电供电的环境，蓄电池可用于外场调试。台式电源输入电压 AC220V±10%(50Hz±10%)；输出电压 DC28V±2%；额定功率≥300W；纹波Vp-p≤200mV；工作温度0℃~40地面蓄电池开路电压 21V~29.4V；标称容量10Ah；放电电流≤10A；工作温度-20℃~55℃；循环寿命≥500次；配电系统配电系统采用双线制传输体制和集中配电形式，除导航设备由飞控计算机供电外，机上的其他设备均通过配电盒配电。机载电缆网的作用是把飞机上彼此独立的设备和部件连接器连接起来组成一个有机整体，实现电力输送以及指令和电信号的传递。根据总体要求，电缆网重量应不大于4.5kg。考虑到电线类别、频率范围干扰特性和敏感度等因素，可将机上电缆分为功率线、敏感信号线和同轴电缆。为保证电力和信号的可靠传输，三种电缆应尽可能分开敷设。功率线可采取绞扭的方式，敏感信号可采用屏蔽，以减小干扰。测控分系统方案系统组成为满足所需功能，无人机测控系统需包括：1套机载数据链设备终端、1套地面数据链设备终端、1套链路监控软件，如下列图所示。图STYLEREF1\s6SEQ图\*ARABIC\s127系统组成图系统功能图STYLEREF1\s6SEQ图\*ARABIC\s128系统功能图无人机测控链路系统的功能可分为图像传输功能、遥测传输功能、遥控传输功能、接口扩展功能、链路管理功能、定向天线跟踪功能和全/定向切换功能。图像传输功能：具备机载图像传感器输出的图像数据到地面链路终端的图像传输功能；遥测传输功能：具备对无人机位置姿态、传输链路、任务载荷及其它机载设备工作状态等遥测数据的传输功能；遥控传输功能：具备对无人机飞行控制指令、任务载荷控制指令、链路参数控制指令以及其它机载设备工作控制指令等遥控数据的传输功能；接口扩展功能：机载数据链预留了HDMI、YPbPr、HD-SDI、RS-422、RS-232以及以太网口，地面链路终端预留了YPbPr、RS-422、RS-232以及网口，支持扩展其他接口；链路管理功能：能够实时监测链路状态，设置电台频点、传输码率等参数；定向天线跟踪功能：地面监控软件能够根据机载和地面GPS信息解算数引夹角，控制定向天线实时指向飞机；全/定向切换功能：主链路地面设备配备全向和定向两套天线，可通过自动切换方式适应近场和远场等不同应用场景。系统指标表STYLEREF1\s6SEQ表\*ARABIC\s118机载数据终端指标参数工程指标作用距离〔无线电通视〕100km工作频率L波段传输速率遥控码速率25.6kbps遥测码速率51.2kbps下行复合编码数据码速率4Mbps传输误码率≤10-5图像分辨率高清720P、1080P抗干扰方式遥控采用扩频传输连续工作时间≥12h机载接口机载测控接口3路RS422或6路RS232机载视频接口1路HD-SDI或1路YPbPr或1路PAL或1路HDMI地面接口地面测控接口RS422/RS232或以太网口地面图像接口以太网口发射功率机载发射功率5W地面发射功率1W天线机载天线0dBi单极子垂直极化全向天线地面天线0dBi单极子垂直极化全向天线和14dBi板状天线环境适应性工作温度-40℃～+55存贮温度-50℃～+65℃湿度(95±3)%(+30℃)振动5g〔15Hz-500Hz-15Hz刚性连接〕冲击垂直方向20g，横轴和纵轴轴向15g外形尺寸机载收发信机125mm(长)×70mm(宽)×17mm(高)机载微波前端149.9mm(长)×108.8mm(宽)×38mm(高)机载天线Φ(80±1)mm×(84.5±1)mm重量特性机载天线≤95g机载微波前端≤560g机载收发信机≤145g机载线缆≤70g机载终端总重量≤870g能耗机载供电电压12～30VDC机载功耗≤42W地面供电电压220VAC地面功耗≤123W机载数据终端〔注：包含机载收发信机〔左〕、机载微波前端〔中〕和机载天线〔右〕〕图STYLEREF1\s6SEQ图\*ARABIC\s129机载数据终端与机载天线机载数据链任务终端包括全向天线、微波前端及收发信机等。机载终端设备组成结构如下列图所示。图STYLEREF1\s6SEQ图\*ARABIC\s130机载数据链任务终端设备构成图表STYLEREF1\s6SEQ表\*ARABIC\s119机载数据链设备组成表序号终端设备子设备数量机载终端收发信机1微波前端1全向天线1线缆射频线缆3电源线缆1综合数据线缆1视频线缆1机载数据链设备通过2个微矩形接口和1个SMA头与飞控设备、载荷设备进行数据交互，包括6路RS232或3路RS422、1路高清HD-SDI视频及1路电源混合口。具体对外接口如下表所示。表STYLEREF1\s6SEQ表\*ARABIC\s120机载数据链设备对外接口表序号链路设备对接设备接口形式要求收发信机飞控及载荷设备串口支持3路RS422或6路RS232，可以根据用户需求选择配置，波特率：115200，8N1高清载荷―――HD-SDI或YPbPr或HDMI，满足720P及1080P分辨率电源月牙头XT60微波前端表STYLEREF1\s6SEQ表\*ARABIC\s121机载设备重量、功耗分配表序号单元名称重量(kg)功耗〔W〕收发信机0.14515微波前端0.56027全向天线0.095——线缆0.1——合计0.942地面数据链设备终端无人机测控链路系统地面终端包括一个全向天线、一个定向天线、一个地面链路设备箱、一个伺服机构、一个电子罗盘、一个电源盒。其中全向天线用于近场(5Km以内)通信，定向天线用于远场〔100Km以内〕通信，地面链路设备箱集成有收发信机、微波前端、切换开关等设备，伺服机构用于控制定向天线指向机载设备，电子罗盘用于获取地面真北夹角。图STYLEREF1\s6SEQ图\*ARABIC\s131地面数据链设备组成框图表STYLEREF1\s6SEQ表\*ARABIC\s122地面数据链设备组成表序号设备名称数量全向天线1定向天线1地面链路设备箱1伺服机构1电源盒1线缆1表STYLEREF1\s6SEQ表\*ARABIC\s123地面设备对外接口表序号链路设备对接设备接口形式数量要求伺服机构PC网口1RJ45电源盒市电三端插头1AC220V其中网口与地面站进行数据交互。该网口中集合了链路遥控、遥测、图像等所有数据，连接简单可靠，并且方便采用交换机实现多个地面站的备份扩展。与机载设备进行相同的重量、功耗分析，如下表所示。表STYLEREF1\s6SEQ表\*ARABIC\s124地面设备重量、功耗分配表序号单元名称重量(kg)功耗〔W〕地面链路设备箱1.8936.7伺服机构796定向天线5.6—全向天线0.09—电源盒1.5线缆0.54—合计16.62122.7链路监控软件链路监控软件的功能可分为链路管理、伺服管理、数字引导解算、电子罗盘定位这几个功能块。链路管理该功能块包含两局部，一是解析接收的链路状态帧，并适时显示链路工作状态，包括链路上下行接收信噪比、链路天线状态、当前工作信道、链路同步状态等；二是发送链路控制指令，包括全定向天线切换、频点切换等。伺服管理该功能块包含两局部，一是解析接收的伺服状态帧，并适时显示伺服工作状态，包括伺服的俯仰夹角、方位夹角；二是发送伺服控制指令，包括获取俯仰方位夹角、伺服程控自检、控制伺服转动等。数字引导解算该功能块包含三局部，一是解析接收的飞机GPS信息帧；二是解析地面GPS信息帧；三是根据两个GPS信息和电子罗盘的测量的真北夹角，确定并控制伺服使定向天线指向飞机。电子罗盘定位电子罗盘可以测算当前地面站的水平和俯仰的角度，并根据该水平角和当地的磁偏角确定地面设备的真北夹角。图STYLEREF1\s6SEQ图\*ARABIC\s132链路监控软件界载荷分系统方案表STYLEREF1\s6SEQ表\*ARABIC\s125载荷性能指标汇总表小型光电载荷测绘相机〔含POS、稳定座架〕高光谱相机小型SAR雷达激光雷达型号龙之眼240B6000万像素数码相机实时光谱成像仪MiniSAR通用型激光雷达厂家龙之眼西安天圆中科院中科院中科院重量8kg9kg8kg5kg10kg平均功耗＜28W<40W＜50W＜100W＜100W尺寸φ240×400mm320×250×220mm200×200×200mm200×120×65mm300×230×180mm供电电压28VDC22~29VDC12~24V24V18~32V通讯接口RS422RS422RS422RS422网口/同步422作用距离--5km1~5km10km/5km/3km10m~500m分辨率1920×1080〔可见光〕640×480〔制冷型红外〕0.44m@5km≤8nm@550nm〔光谱分辨率〕0.15m@2km〔像素分辨率〕1m/0.5m/0.2m视场角〔场景宽度〕2.9×1.6~55.4×31〔可见光〕4×3/10×7.5/24×18〔制冷型红外〕5.86×5.862km/1km/0.5km≥70°700m@500m其他〔1〕可见光探测性能：50m处探测3mm×10mm目标〔2〕相对测温精度：0.5℃〔1〕像元数：9k×7k〔彩色、全色可选〕〔2〕存储能力：500G〔1〕测距精度：10mm@100m〔2〕测角精度：0.001°指挥控制分系统方案地面指挥控制系统用于实现无人机的任务规划、链路控制、飞行控制、载荷控制、航迹及参数显示、数据记录等功能。地面控制站是飞行和测试阶段，人与无人机系统的交互接口，承当着实现任务的关键功能。系统组成地面控制站主要包括核心设备和相关外围设备，核心硬件设备包括加固笔记本电脑、地面数据链设备、高亮显示器、电源模块、载荷控制开关/手柄等，全部集成于一个便携式三防平安箱中；外围设备包括数据链天线、三脚架、连接线缆等。地面控制站主要完成对无人机遥控、遥测、侦察图像信息的实时传输，同时通过测量无人机相对视距地面站的距离和方位角实现对无人机的定位，实现无人机的精准起降。系统功能其主要功能如下：遥控、遥测数据、侦察图像及数据传输；对无人机跟踪定位；接受、解析上级指挥控制系统指令；飞行数据处理、显示和存储；情报信息获取、显示、处理、反应及存储；任务载荷操作。地面控制站地面控制站采用模块化设计，主机为加固笔记本电脑，可从控制站中单独取出，以满足飞行与测试等各种不同任务要求，不同地面控制站之间可以进行模块替换，从而增加了地面站硬件的冗余性。地面控制站的主要功能是任务规划、飞行监视与控制、图像显示与载荷控制、数据记录与通讯、系统监控与链路控制。地面控制站设置2个操作席位，分别为飞行监控席位与任务控制席位。根据不同飞行任务可灵活分配地面站人员，例如侦察任务可由2名控制员完成，图像采集可由1名控制员完成。图STYLEREF1\s6SEQ图\*ARABIC\s133地面控制站〔GCS〕飞行监控席主要运行的无人机飞行监控软件，可供飞行员对无人机平台进行监控，并在适当时候对飞行器进行必要调整。任务控制席位满足光电载荷的任务需求，根据不同任务完成光电平台控制、图像数据提取和显示功能。飞控地面软件主要完成1路飞行控制指令，以及飞控遥测数据的接收、分发。综合保障分系统方案检测维护检测主要分为维护保养检测和飞行任务前后检查。日常维护保养检测维护保养检测的维修保障分两级进行：外场试验级和内场库房级。外场试验级由使用人员在外场完成维修保养工作，具体工作如下：表STYLEREF1\s6SEQ表\*ARABIC\s126外场级维护保养工作设备类别保养工作维修频率故障排除机体结构机体目视检查结构拆装紧固点检查机体内部检查10次飞行或半年贮存普通破裂粘接电子设备通电功能检查状态监视易耗件更换电池维护10次飞行或半年贮存简单故障点隔离设备更换地面控制设备通电功能检查状态监视计算机系统维护非定期简单故障点隔离计算机软件系统重置动力动力装置更换状态监视易耗件/消耗件更换10次飞行或半年贮存隔离动力根本故障内场库房级由相应组织提供机载和地面设备的修理和翻新，对整个飞机的结构和设备进行标定，地面设备的全面检查。飞行任务前后检查飞行前平安检查设备使用记录；地面监控站设备检查；任务设备检查；飞行平台检查；燃油与电池检查；设备通电检查；发动机启动后检查；附属设备检查；关联性检查。飞行后平安检查飞行平台检查；油量/电量检查；机载设备检查。运输及贮存复合翼垂直起降无人机八大结构部件拆卸后可装于一个内尺寸为0.9m×0.8m×2.5m的运输箱内，箱体分为可整体拆卸的箱盖和箱体。机体结构布置方式如下：〔1〕两个尾翼和两对旋翼可固定在箱盖内；〔2〕三段机翼处于机身下方起落架之间，自下而上依次是中段、左段和右段，翼段由框架固定在一起，整体装入运输箱；〔3〕机身处于中间位置，放入机翼后直接将机身自上而下放下，并固定起落架；〔4〕两个尾撑分别位于机身两侧，固定点位于箱体侧壁。运输过程中载荷应拆卸后单独入箱运输，其他地面设备单独成箱或整体入箱运输。图STYLEREF1\s6SEQ图\*ARABIC\s136无人机装箱方案一套100kg级复合翼垂直起降无人机系统〔2架飞机，1套地面设备〕可用一辆改装后的依维柯进行运输。特性设计环境适应性设计电子电气设备的三防设计、单机满足上下温、湿度、振动、冲击和过载要求，机载设备满足协同工作要求。机载环境适应性设计工作温度：-20~+55℃贮存温度：-40~+55℃；工作湿度：≤95%(+30℃)振动、冲击和过载：符合《机载环境条件及设备环境试验要求》。地面环境适应性设计工作温度： -20℃~+55℃贮存温度： -40℃~+55℃；工作湿度：≤95%(+30℃)振动条件：地面设备符合GJB74A-98中.7.2跑车要求；淋雨：车厢淋雨试验条件符合GJB150A中条；可靠性设计根据GJB450A-2004《装备可靠性工作通用要求》，对结构系统、电气系统、飞控系统、动力系统和测控系统开展可靠性设计。可靠性设计工作如下：简化设计在满足性能、功能的要求下，尽量简化设计方案，使用系列化、标准化、模块化成熟的部件，提高集成度，做到优化设计。降额设计在保证技术性能的前提下，对元器件的工作电压范围，温度特性、电特性等参数等应采取合理的降额使用，降低元器件在各种应力条件下的失效率。软件可靠性设计在设备中应充分利用软件资源，减少硬件数量，软件设计要工程化、标准化。结构可靠性结构设计应考虑方便设备装配、调试和维修，认真进行动态、强度和刚性等方面计算，进行模型的模拟验证，确保结构巩固性，以承受规定的环境应力。维修性设计全系统的维修性参考GJB368B《装备维修性通用标准》的有关要求进行维修性设计。使具有规定技术水平的维修人员在分配的维修预测时间内及预期的环境条件下，平安而方便的完成要求的维修工作。保障性设计全系统具有合理的保障设备，全系统采用一体化集成设计，将所有系统全部集成在发射回收车上。同时完成全系统的运输与存储。提高系统的灵活性，偏于部署，可以快速完成任务。平安性设计提高软件的平安性，如采用看门狗、断电保护等平安措施，保证程序的有序运行。控制系统的操作、检查和维修等应尽可能