无人机回收技术及其发展

本文2015-08-18收到，王宏新系武汉军械士官学校副教授，刘长亮系武汉军械士官学校讲师无人机回收技术及其发展王宏新刘长亮成坚摘要本文对降落伞回收、气囊着陆回收、撞网回收、空中回收等常用回收方式及技术最新进展进行了着重介绍，对绳钩回收、撞线回收、拦阻着陆回收、滚翼机和扑翼机垂直着陆回收等新型回收方式及其关键技术进行了重点阐述，对回收的不同方式、适用的机型及相应的优缺点进行分析比较，为无人机选择回收方案提供参考。关键词无人机回收技术发展引言无人机的回收方式是无人机的重要性能之一，回收方式是否机动灵活、准确性及可靠性是否高、设备及操作是否简单等已成为评价无人机性能好坏的重要指标。无人机的回收方式多种多样，传统的回收大致可归纳为降落伞回收、气囊着陆回收、撞网回收、空中回收、旋翼垂直着陆回收和起落架滑轮着陆回收等[1-2]；绳钩回收、撞线回收、拦阻着陆回收、“飞鸟”着陆回收、滚翼机和飞蝶无人机垂直着陆回收等类型是较为新型的着陆方式。有些无人机采用部分回收，只回收有更有价值的设备。比如美国的D-21/GTD-21型无人机，当它完成任务返航至回收阵地时，照相舱被弹出，降落伞自动打开，缓慢降落地面，而机体部分坠毁，比较明显的好处是可以简化回收设备减轻重量。有些无人机在回收时不使用回收设备而是靠机体某部分直接触地回收，通常是小型和微型无人机采用这种简单回收方式[3]，例如英国的UMAC11飞翼式无人机等，完成任务后靠机腹着陆回收。1降落伞回收伞降回收具有结构简单，回收场地要求不高，可重复使用以及成本低廉等优点。经过几十年的不断发展，伞降回收技术日趋成熟，是使用较多的一种回收方式。无人机带着降落伞到达回收区开伞降落在陆地或水面上。地面着陆时，为防止触地时冲击过载造成损坏，无人机要安装滑撬减震器或充气气囊等减震装置，触地时起到缓冲作用[4]。降落在海面时，应配备飘浮系统，可以是无人机的密封机体，也可以是充气的浮筒式气囊，或者是两者的组合。

无人机伞降回收一般应用在低速无人机上。低速无人机主要是指速度在220km/h以下的无人机。由于回收时飞行速度比较低，一般采用引导伞加主伞的回收方式，其过程是引导伞直接拉出主伞，主伞一次充气涨满开伞。目前低速无人机回收系统技术已经较为成熟，伞形一般选用平面圆形伞、方形伞、十字形伞以及冲压式翼伞等。其中十字形伞以其稳定性能好、制造工艺简单、开伞动载较小等优点在低速无人机上应用最为广泛[5]。翼伞具有平稳滑翔的特性，能够以较低的速度下降，可以通过人工或自动控制实现精确着陆。在使用无人机过程中，不安全因素始终存在着，为了确保安全，美国发明了可自动开启的SmartChutes智能降落伞系统，在无人机出现不可预测的故障时，能够及时有效地保障无人机安全回收。其在降落伞系统中内置了传感器，能够时刻监测无人机的飞行状态，当发现状态异常时在第一时间打开降落伞，以确保无人机安全回收。由于该系统使用的是它自带的可充电电池，因此就算无人机的电池用光了它也能工作，所以安全系数很高，如图1所示。图1SmartChutes智能降落伞系统2气囊着陆回收伞降结合气囊缓冲是无人机常用的着陆回收方式。在无人机的机腹下装有气囊，无人机降落时，压缩空气从储气罐进入气囊，部分又从气囊开口中喷出，这个过程在机腹下形成暂时的高压空气缓冲区，使无人机“缓慢”接近地面，避免猛烈撞击产生不良后果。无人机采用气囊着陆的突出优点是，可以在大多数地面或水上着陆，机动性能高。其次，大型和小型无人机都可以使用，回收率较高，使用费用较低。目前国内外无人机所用的气囊，内部是一个用于填充压缩空气的简单空间。填充气囊压缩空气的气源一般预先贮存在高压贮气罐里，小型气囊也使用化学反应产生气体的发生器。为减少气囊对压缩气体的需求，目前研究较多的是多空间气囊。多空间气囊是以压缩空气预先充填起骨架作用的部分气囊来支撑气囊的外形，再吸入外部环境中的空气充填其余部分。该结构去除了机械结构，气囊重量增加很少；由于大部分充填气囊的空气来自于外部，减少了对压缩气体的需求，达到减轻气源系统重量的目的[6]。3撞网回收无人机撞网回收特别适合在舰船上回收小型固定翼无人机。其核心技术在于引导无人机准确地飞向拦阻网，触网后柔和地吸收能量，从而平稳、准确地实现撞网回收[7]。目前，国内外无人机撞网回收的典型结构有两大类：双网和单网。双网主要是指双网双杆结构。单网根据支撑杆的多少又可分为单网单杆、单网双杆、单网三杆结构。由于双网双杆和单网三杆结构强度和面积较大，舰船应用较多，单网单杆与双杆方案由于结构简单，强度较小，主要应于小型无人机的回收。在引导技术方面，国外研究的范围比较广，主要研究了激光、雷达、GPS组合、电视跟踪和机器视觉等末端精确引导技术。瑞典在激光引导方面研究较深，美国在GPS组合引导方面比较先进，典型应用有“银狐”无人机的Piccolo自动着舰系统[3]等。4绳钩回收绳钩回收是在撞网基础上发展起来的，相对于撞网回收，绳钩回收结构比较简单，一般用于回收体积比较小和重量比较轻的固定翼无人机。无人机绳钩回收系统主要包括翼尖小钩、支架、回收绳、橡筋绳、导向轮、阻尼器和导引装置等，如图2所示。回收过程一般可分为滑行和回旋两个阶段。在引导装置指引下，机翼前缘撞绳后，回收绳沿机翼前缘滑行到前缘翼尖处（图2中从H点滑到F点），翼尖小钩钩住并锁定回收绳[8]。在吸能缓冲装置作用下，无人机飞行速度递减，同时翻转运动的半径和速度也是逐渐降低的，当速度降到比较小时可人工回收。图2无人机撞绳回收示意图5撞线回收无人机撞线回收又称为单垂绳拦阻回收。无人机在地面或机载设备引导下，逐渐降低高度、减小速度，直接飞入回收窗口，通过安装在无人机上的自锁挂钩锁定在拦阻缆线上进行回收[9]。撞线回收系统一般由回收吊架装置、拦阻缆绳装置和安装在无人机上的自锁钩装置等组成。如图3所示。其回收所用的关键技术是精确引导无人机飞向预设的回收窗口，并在自锁钩撞击缆绳并锁定后能及时停车，从而准确、平稳地实现回收。目前，撞线回收所用引导方式和设备与撞网回收引导方式相似。图3撞线回收方式示意图9起落架滑轮着陆无人机起落架滑轮着陆使用本身的起落架降落，该种着陆方式在大中型无人机上应用较多。无人机的进场着陆一般采取自主控制着陆、遥控手进行实时控制着陆或两种控制方式复合使用。无人机自主着陆一般是借助导航系统进行定位导航，在飞行控制系统控制下自动完成着陆。目前无人飞行器的导航方式有四种：惯性导航、GPS导航、INS/GPS组合导航和视觉导航。视觉导航系统由于视觉传感器具有轻便、低功耗、成本低、体积小、采集的信息丰富等优点，且机载摄像机具有良好的抗干扰能力，受外界影响小，因此利用机器视觉信息来辅助完成或独立完成无人机的自主着陆或者着舰任务已成为无人机回收新的发展趋势。无人机自主着陆典型代表是美国的X-47B无人机。10“飞鸟”着陆小型无人机一般没有着陆装置，很多都依靠人为控制的碰撞着陆。与鸟儿优雅、准确地落在枝头相比，无人机的着陆方式有些拙劣。美国维什瓦机器人公司从美洲隼那里得到灵感，为小型无人机设计了这种可以加装的腿。远程电脑借助安装在无人机上的摄像头所拍摄的画面来控制飞行，无人机在着陆点上空能紧急制动，并熄火进入悬浮状态，从而稳稳着陆。这套机械装置模仿了具有减震作用的鸟类的腿，借助电动装置可做出抓紧的动作，以此垂直栖息在某处。加装腿的无人机能够在任何方便着陆的有利位置停留栖息，如此一来，相比在头顶盘旋的无人机，它们具有更好的隐蔽性和更近的观察角度。由于停留时并不耗电，通过太阳能电池板充电的有腿无人机便可以长期执行任务。维什瓦机器人公司已将设计的腿安装在了固定翼无人机上，但在实验室用的是四旋翼无人机，如图7所示。这种可栖息的腿能够短距离行走，这样无人机就能勘察室内的空间。美国麻省理工学院正在研究一种栖息在充电线上的无人机，利用充电线所产生的磁场对无人机进行充电，获取更长的续航时间以便远距离飞行。图7四旋翼“有腿”无人机10结束语无人机的回收方式多种多样，具体选择时还应考虑无人机的型号、尺寸、质量、使用条件和作战任务等诸多方面的因素。随着无人机技术的飞速发展和无人机在军事应用领域的不断扩大，特别是对无人机使用的高机动性、高可靠性、高生存率、高费效比以及多任务的要求，对无人机回收系统的设计和技术应用也提出了更高要求，具体表现在要求回收机动性好、通用性强、准确性高、可靠性高、设备简单、操作简单等方面。这对目前还在大量使用伞降回收的我国无人机来说，带来了更大的挑战。参考文献[1]宁东方．无人机自动着陆控制系统的设计与实现．[学位论文]硕士，2006：4-5[2]邹湘伏，何清华，贺继林．无人机发展现状及相关技术．飞航导弹，2006（10）：9-14[3]郭耀江．无人机着陆技术研究．现代导航，2013（3）：196[4]马威，过海，姜宁．海军通用无人机及其起降方式分析．飞航导弹，2006（12）：40[5]李俊．无人机伞降回收系统的设计与发展方向．航空航天科技创新与长三角经济转型发展论坛论文集，2012：194～196[6]邵志建，刘志扩．新型自充气囊研究．南京航空航天大学学报，2009（z2）：84～85[7]裴锦华．无人机撞网回收的技术发展．南京航空航天大学学报，2009（z2）：6～8[8]吴佳凯，马晓平，孙林峰．无人机绳钩回收系统参数设计．航空计算机技术，2012（3）：92～93[9]陶琨，王寅．视觉导航技术在小型无人机撞线回收中的应用．兵工自动化，2013（7）：80～81[10]陈晨．美国海军研究局研发新型无人机起飞与回收系统．战术导弹技术，2012（6）：85[11]聂宏，彭一明，魏小辉，张明．舰载飞机着舰拦阻动力学研究综述．航空学报，2014（35）：1[12]韩雅慧，王亚伟，杨春信，徐晓东，杨雪松．直升机空中回收和投放货物技术发展综述．直升机技术，2012（1）：64～65[13]郭晓鸿．微小型四旋翼无人机控制系统设计与实现，[硕士学位论文]．南京，南京航空航天大学，2012：1[14]聂博文，马宏绪，王剑，王建文．微小型四旋翼飞行器的研