徐文臻

（山东科技大学机械电子工程学院，山东青岛266000）

无人机安全飞行性能测控系统分析研究

徐文臻

（山东科技大学机械电子工程学院，山东青岛266000）

近年来，世界各国都在研究飞行器，且都在该领域已取得了一定的成果。目前，无人机的安全飞行性能仍是制约其发展和应用的主要因素。介绍了国内无人机的研究现状、测控系统的组成、要求和系统误差，并提出了运用先进计算机测控技术提高对无人机安全性能的检测和管理，保证系统控制的可靠度和检测数据的准确性。

无人机；计算机；测控系统；飞行员

无人机，即无人驾驶飞机（UAV），是利用无线遥感技术和自编程序控制装置操纵飞行且不载飞行员的空中飞行器，无人机常采用空气动力为其提供升力，能够自行飞行或远程遥控。随着无人机技术的发展进步，无人机出现多种类型，比如扑翼无人机、固定翼无人机、飞艇及旋翼无人机。在无人机上对各种专业仪器设备进行组装整合，使无人机应用十分广泛，比如科学观测、自然灾害预防与处理、林业资源监测、公安边防、农业资源监测、电力等领域，但是无人机运行成本和安全飞行性能却制约着无人机的发展。无人机技术是新兴的一个技术领域，国内外对此的研究均处于起步阶段。由于无人机具有体积小、重量轻、生产成本较低和多种起降方式等特点，可以在较为复杂的地形和环境中执行烦琐、重复性高的飞行工作，不会因超低空飞行而造成人员伤亡，因此，无人机的研发与应用日益受到世界各国的关注。

1 国内研究进展

国内无人机研究虽然起步较晚，但发展很快，先后有中船重工研究所、中科院遥感与数字地球研究所、中国地质科学院等单位开展了基于固定翼或直升机式的无人机技术研究工作，且部分无人机技术已达到国际水平。无人机与传统的有人驾驶飞机相比，无人机的优势主要有：①能够保障人员安全。因为无人机在飞行过程中不用搭载飞行员，不会因复杂地形、恶劣环境、飞控人员疲劳、机械故障等因素造成人员伤亡，降低了作业风险。②工作效率大大提高。一组地面飞控人员能够同时操控多架无人机协同工作，无人机一次可飞行10 h，而有人机每架需要2名飞行员和多名地面保障人员协同工作，才能保证飞机的正常飞行，且一次最多飞行4 h；无人机生产成本和飞行成本较低，无人机使用普通汽油就能工作，而且燃油经济性很高。比如，彩虹无人机使用97#汽油平均油耗约为15 L/100 km，而有人驾驶的飞机必须使用航空煤油飞行，成本高昂。③可精准地控制无人机飞行。有人机长时间超低空飞行作业的劳动强度十分大，飞行员很难保持高精度的飞行航迹、航向和高度，同时，因为不同飞行员飞行技能的差异和经验不同，在飞控时其飞控质量也存在较大差异，而无人机能够在地面飞控人员的控制下按照事先规划好的航线自主飞行，不会因为经验不足或飞行员疲劳造成飞行质量下降。④无人机在夜间也可正常工作，有人驾驶的飞机靠飞行员目视驾驶，而无人机则使用无线电设备完成自主飞行。

但无人机仍存在些许不足，比如飞控及无人机技术方兴未艾，目前，部分西方发达国家的无人机技术较为先进，特别是用于军事的飞控及无人机技术，虽然我国无人机技术发展较早，但与先进国家相比仍存在20年的差距，如今国内无人机的部分关键技术和零部件仍需进口，导致无人机的飞行和维护成本过高，阻碍了无人机的发展。无人机的地形和气候环境适应有待提高，目前，较先进的无人机系统能够在地形条件较好的低空飞行200 m左右，但在较大的高山区无人机尚不具备超视距预判断和预操作能力，尤其在超出雷达测量范围时无人机的飞行就变得很危险，这严重制约着无人机发展与应用。无人机运营成本较高，主要是因为无人机的操作、维护人员相对较多，且配件昂贵，不利于运行成本的控制，比如彩虹-3无人机虽然不需要高薪聘请飞行员，但地面工作人员较多，导致运营成本较高。安全飞行和飞控技术有待提高，无人机起降有多种方式，比如大中型无人机一般采用轮式自主起降，而一些中小型无人机则采用弹射起飞和撞网或伞降回收，但回收成功率很低。如果回收失败，则不仅会造成无人机损坏，也难保障机载设备的完整性。随着我国经济的持续快速发展，目前，现有资源已经难以满足经济发展的需求，因此，迫切需要寻找新的能源。我国地域辽阔、地质复杂多数矿产资源分布在人迹罕至的山区、峡谷、荒漠等区域，但由于山区地形复杂，交通不便，导致地面勘探工作很难进行，且无人机与专业技术设备集成组装有待提高。

2 无人机安全性计算机测控系统分析

测控系统是采用传感器与数据采集相结合的方式进行无人机的测控工作的。本测试以计算机为核心，利用计算机平台构筑控制系统，实现对信号的检测、分析和处理得到有用信息，它能完成对各个设备的输入输出、数据采集、数字信号、模拟量信号的采集传输、开关量的输入输出、与其他外围设备的通信以及检测流程的指挥调度等所有信号的快速分析处理和实时准确控制，从而求出与研究对象有关信息的量值，并给出其状态判别结果。

传感器是一种检测装置，传感器的功能是一感二传，即能感受被测量信息，并将检测到的信息按其所需的形式输出转换成相应的可用输出信号。传感器由敏感元件、转换元件和其他辅助部件组成。在计算机自动测控系统中，对传感器灵敏度要求非常高，必须能准确、快速、可靠地接收并传递信息，且需要远距离高效传输。因此，要根据具体的测量目的、测量对象以及工作环境合理选择传感器，这对于飞控系统来说尤为重要。传感器的性能指标主要包括灵敏度阈值、灵敏度系数、频率响应特性、迟滞差线性度、重复性和稳定性，但并不是所有的传感器都包括敏感元件和转换元件。信号调节电路是能把转换元件输出的电信号转换为便于显示、记录、处理和控制有用电信号的电路。辅助电路通常包括电源，即交或直流供电系统。信号调理是将待测信号放大、滤波等操作将其转换成能够识别的标准信号。传感器输出的信号通常含于干扰噪声中的微弱信号，信号调理电路有2个作用，即信号放大、信号处理，包括滤波、调制和解调、衰减运算、数字化处理等，也可根据需要进行信号隔离与变换等。

多串口通讯卡是一种可分配多个串/并行端口供终端连接的设备，每个终端可以通过它与主机进行通讯。使用多串口通讯卡是最便捷解决扩展计算机外部设备数量的方案。光电开关是用于判别无人机是否到位的设备，光电开关由红外发射头、接收头及继电开关（电子开关）组成，当打开或遮挡光电开关时，输出信号会相应出现高低电位的变化，计算机可以用此来判别是否到位。当无人机到位时计算机测控系统就开始检测。随着我国经济的快速发展，无人机作为一种高性能、高灵活的空中移动平台，逐渐被人们所重视。无人机本身是一个非常复杂的系统，任何一部分出现问题都会影响无人机的安全飞行，因此，提高无人机续航时间、飞控和任务智能化、复杂地形适应性和任务载荷量等都尤为重要。尤其是提高先进无人机的国产化，降低使用维护成本是无人机能否被广泛应用的一个重要因素。

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〔编辑：张思楠〕

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10.15913/j.cnki.kjycx.2017.19.047

2095－6835（2017）19－0047－02