CN112623252A - 一种基于车载平台的系留无人机系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于车载平台的系留无人机系统，属于无人机技术领域。该系留无人机在车载平台上自主起降、定高悬停、随动飞行等功能，充分利用地面控制车的机动能力，搭载光电吊舱或通信中继设备等任务载荷实现大范围的空中监视、指挥通信等。与传统的系留无人机系统相比，可以满足不同地形条件下大范围机动的环境适应能力，另一方面大大提高了整个系统的全自主能力，系留无人机、系留线缆收放设备、起降方舱等具备较高的自动化水平，作业时只需通过在地面控制站预设作业参数，系统即可实现展开、升空、降落与收纳。本发明具有自主化程度高、环境适应性强、结构简单可靠、维护保障方便等特点。

Description

一种基于车载平台的系留无人机系统

技术领域

本发明涉及到无人机技术领域，特别涉及一种基于车载平台的系留无人机系统。

背景技术

野外作业环境复杂多变，尤其是在高原、山区、陆海边境地区等存在地形遮挡和电磁干扰的场景中，常规的侦察手段和通信体制难以保证良好的侦察效果以及地面各作业单元间的可靠通信。为了提高通视距离，传统的做法是在车载平台上配备可升降桅杆，但皮卡、小型卡车、小型货车等车辆可配备的桅杆长度一般过短，无法满足使用需求。另一种做法是采用无人机，最常用的固定翼无人机对起降场地有着较为严格的要求，无法实现全地形条件下的作业；多旋翼无人机虽然可以做到垂直起降、定点悬停等，但续航时间远远无法满足作业时间要求；复合翼无人机既可以实现垂直起降，又具有较长的续航时间，但飞机自重较大，负载能力较差，不能适应大多数的使用场景。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于车载平台的系留无人机系统。该系统具有升空定高悬停、自主化程度高、环境适应性强、结构简单可靠、维护保障方便等特点。

为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：

一种基于车载平台的系留无人机系统，包括：

(1)系留无人机，用于挂载任务载荷并适应不同的作业场景；且系留无人机内部安装有备用电池，用于保证系留线缆供电中断后仍能降落到地面控制车的方舱；

(2)系留线缆收放设备，设置在地面控制车尾部的方舱中，通过系留线缆连接系留无人机；系留线缆收放设备通过系留线缆中的数据光纤上传控制指令和差分导航信息，下传系留无人机状态参数和任务载荷获取的数据；

(3)地面高压电源，设置在地面控制车尾部的方舱中，通过柴油发电机提供的220V交流电并升压为1020V左右的高压直流电；

(4)综合通信导航设备，设置在地面控制车头部的驾驶舱中，作为整个系统的网络交换机，用于将地面控制站、、系留无人机与任务载荷的数据进行统一处理；

(5)地面控制站，设置在地面控制车头部的驾驶舱中，作为整个系统的控制终端，用于监控和控制系留无人机，并显示任务载荷获取的数据；

(6)方舱，即地面控制车尾部的方舱，用于将系留无人机的升起或收回。

进一步的，所述系留无人机，包括：

(1)机载电源模块，用于将系留线缆输送的1020V的高压直流电转换为系留无人机所需的33V低压直流电，并为系流无人机的动力系统和航电系统及挂载的任务载荷供电；

(2)备用电池，作为系留无人机的备用电源，用于系留线缆供电不足时自动放电补充系留无人机所需电能，并且用于系留线缆供电中断时确保系留无人机安全降落；

(3)电磁起落架，位于系留无人机的底部，用于辅助系留无人机在方舱上的起降。

进一步地，所述线缆收放设备，包括：

(1)系留线缆，为二光二电结构，其内部设有作为数据传输介质的抗微弯单芯光纤和用于导通高压电流的航空镀银导线，其绝缘皮为凯夫拉纤维编织层；

(2)线缆收放机构，包括卷扬机和控制盒。

进一步的，所述地面高压电源用于将220V交流输入通过功率因子校正模块中的桥式整流和boost升压电路变换为1020V直流，经滤波后由系留线缆传输到机载电源模块，机载电源模块将高压直流电转换成系留无人机所需要的33V低压直流电。

进一步的，所述综合通信导航设备，包括：

(1)差分基站，通过光纤通信建立与机上导航板卡之间的差分数据实时传输通道，将车载RTK差分基站采集的基站卫星导航差分电文数据按照RTCM V3协议上传给系留无人机；

(2)地面光端板，用于将系留无人机通过光纤送来的信号转换为网络接口输出，同时将地面控制站等终端设备通过网络送来的信号经过光纤上传至系留无人机上；

(3)低压直流电源转换模块，用于将220V交流电转换成低压直流电进行输出，为地面控制站和综合通信导航设备供电。

进一步的，所述起降方舱，包括：

(1)自动升降台，布置在方舱的正中间，为剪叉自动升降结构，用于将系留无人机伸出舱顶或从舱顶收回；

(2)自动滑盖，用于方舱的密封；

(3)自动归位机构，用于调整系留无人机的位置和机头方向，用于将系留无人机自动归位至自动升降平台中心位置。

本发明采取上述技术方案所产生的有益效果在于：

1.本发明发明通过系留无人机挂载任务载荷升空，同时搭配地面控制车使用，可以很好地适应复杂多变的野外作业环境，尤其是在山区、高原等存在地形遮挡和电磁干扰的场景中，弥补常规侦察手段和通信体制侦察效果以及区域通信的不足。

2.本发明的系留无人机可挂载光电侦察设备遂行边境巡逻、要地警戒，也可挂载通信中继设备执行宽带通信任务，必要时可拓展载荷，承担高空照明、低空预警、电磁探测、电子对抗等任务，从而满足未来社会生产与军事领域对实时侦察、区域通信等的需求。

3.本发明具有操作使用简便、自动化程度高、部署机动灵活以及使用环境多样化等特点，无人机操作人员在车内操控，一方面可以提高舒适性并降低人员的操作强度，另一方面也可有效提升系统在高原、山地、丛林等复杂环境下作业的安全性和可靠性。

附图说明

图1是本发明实施例的正面示意图。

图2是图1中剪叉式升降结构示意图。

图3是系留线缆截面示意图。

图4是本发明线缆收放机构的原理图。

图5是发明地面高压电源工作原理图。

图6是本发明的通信原理框图。

图7是本发明系留无人机冗余供电系统结构图。

具体实施方式

下面，结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。

一种基于车载平台的系留无人机系统，包括：

(1)系留无人机，用于挂载任务载荷并适应不同的作业场景；且系留无人机内部安装有备用电池，用于保证系留线缆供电中断后仍能降落到地面控制车的方舱；

(2)系留线缆收放设备，设置在地面控制车尾部的方舱中，通过系留线缆连接系留无人机；系留线缆收放设备通过系留线缆中的数据光纤上传控制指令和差分导航信息，下传系留无人机状态参数和任务载荷获取的数据；

(3)地面高压电源，设置在地面控制车尾部的方舱中，通过柴油发电机提供的220V交流电并升压为1020V左右的高压直流电；

(4)综合通信导航设备，设置在地面控制车头部的驾驶舱中，作为整个系统的网络交换机，用于将地面控制站、、系留无人机与任务载荷的数据进行统一处理；

(5)地面控制站，设置在地面控制车头部的驾驶舱中，作为整个系统的控制终端，用于监控和控制系留无人机，并显示任务载荷获取的数据；

(6)方舱，即地面控制车尾部的方舱，用于将系留无人机的升起或收回。

进一步的，所述系留无人机，包括：

(1)机载电源模块，用于将系留线缆输送的1020V的高压直流电转换为系留无人机所需的33V低压直流电，并为系流无人机的动力系统和航电系统及挂载的任务载荷供电；

(2)备用电池，作为系留无人机的备用电源，用于系留线缆供电不足时自动放电补充系留无人机所需电能，并且用于系留线缆供电中断时确保系留无人机安全降落；

(3)电磁起落架，位于系留无人机的底部，用于辅助系留无人机在方舱上的起降。

进一步地，所述线缆收放设备，包括：

(1)系留线缆，为二光二电结构，其内部设有作为数据传输介质的抗微弯单芯光纤和用于导通高压电流的航空镀银导线，其绝缘皮为凯夫拉纤维编织层；

(2)线缆收放机构，包括卷扬机和控制盒。

进一步的，所述地面高压电源用于将220V交流输入通过功率因子校正模块中的桥式整流和boost升压电路变换为1020V直流，经滤波后由系留线缆传输到机载电源模块，机载电源模块将高压直流电转换成系留无人机所需要的33V低压直流电。

进一步的，所述综合通信导航设备，包括：

(1)差分基站，通过光纤通信建立与机上导航板卡之间的差分数据实时传输通道，将车载RTK差分基站采集的基站卫星导航差分电文数据按照RTCM V3协议上传给系留无人机；

(2)地面光端板，用于将系留无人机通过光纤送来的信号转换为网络接口输出，同时将地面控制站等终端设备通过网络送来的信号经过光纤上传至系留无人机上；

(3)低压直流电源转换模块，用于将220V交流电转换成低压直流电进行输出，为地面控制站和综合通信导航设备供电。

进一步的，所述起降方舱，包括：

(1)自动升降台，布置在方舱的正中间，为剪叉自动升降结构，用于将系留无人机伸出舱顶或从舱顶收回；

(2)自动滑盖，用于方舱的密封；

(3)自动归位机构，用于调整系留无人机的位置和机头方向，用于将系留无人机自动归位至自动升降平台中心位置。

下面为一更具体的实施例；

如图1所示。本发明提供的是一种基于车载平台的系留无人机系统，主要包括系留无人机(含任务载荷)、系留线缆收放设备、地面高压电源、综合通信导航设备、地面控制站、地面控制车(含起降方舱)等。

本系统中的地面控制车使用轻型高机动底盘，底盘上安装起降方舱，用于系留无人机储存运输、作业供电并提供自动起降平台。驾驶舱内设置2个操作席位，分别为系留无人机控制席和任务信息处理席，用于飞行操作和情报处理。车载方舱内包含系留线缆及线缆收放设备、高压逆变电源、自动升降装置、无人机起降平台、柴油发电机等。

方舱作为无人机起飞降落的平台，系留无人机起飞时，操作人员首先按下自动天窗滑盖开关，滑盖打开，然后自动升降台将系留无人机从舱内上升到舱顶位置，最后系留无人机自检完成并飞行到300m高度；系留无人机降落时，首先降落至方舱顶部，系留无人机利用起落架上的磁铁与舱顶铁板保持吸附状态，然后自动归位机构将系留无人机归位至自动升降台中心，电磁铁装置将系留无人机固定在自动升降台上，最后自动升降台下降到方舱内，系统自动关闭方舱的天窗滑盖。当系留无人机进入随车飞行模式后，方舱上的RTK天线将自身(车)的位置信息通过综合通信导航设备上传到系留无人机，系留无人机通过计算与地面控制车的相对位置和相对速度，进而实现对车辆的跟踪，跟车速度不低于30km/h。

如图1和图2所示，自动升降装置包括自动升降台、自动滑盖及自动归位机构。

自动升降台用于将系留无人机升上舱顶或从舱顶收回，采用结构简单可靠的剪叉自动升降结构。

自动滑盖用于系留无人机出入舱时，完成舱顶RTK天线的开启或关闭。主要由舱盖、滑轨、齿轮齿条传动机构和电机减速机等组成。

自动归位机构用于将无人机自动归位至自动升降台中心，实现无人机的机头方向和机身位置调整，为无人机入舱存储做准备。自动归位机构主要由归位机构、控制系统、传感器等组成。归位机构为系统的执行部件，在控制系统的指令下实现水平移动，推动系留无人机起落架，从而实现系留无人机归位。归位机构主要由电机减速机、归位推杆、传动丝杆、导轨和滑块组成。控制系统采集传感器的状态信号，通过逻辑控制归位推杆的回缩和扩展，完成要求的归位动作。

如图3所示，系留线缆是系留无人机与地面设备连接的纽带，采用光电复合线缆，光纤可提供信号传输通道，电缆为无人机传输电源。选用光纤作为通信介质较为合适，光纤的传输模式为单模传输，数据传输速率不低于1Gbps。电缆的额定工作电压不小于1300V，可以承受10kg拉力，单位长度的直流电阻不大于0.039Ω/m，绝缘线芯间耐压1600V，重量不大于24.5g/m。编织层设计采用16束进口增强凯夫拉纤维，通过适当的绞制工艺把电力导线和光纤紧密束缚在一起，保证线缆柔软且几乎零扭力，并可增强线缆的耐反复收放性能，抗拉强度可达50kg。编织层同时采用耐磨涂层处理，可抗紫外线，防止线缆过快老化。

系留线缆的上端和下端连接器均采用圆形耐环境电连接器，其额定电流7.5A，耐电压1600V。连接器壳体采用铝合金材料，表面进行镀镍处理。同时该连接器具有五键定位、防误插、防淋雨功能，具有较强的耐环境能力。连接器的尾附采用封闭式设计，将缆绳用环氧胶灌封到尾附中，增强抗拉能力。

如图4所示，线缆收放机构的控制盒通过STM32单片机集成继电器，通过线轮预留接口接线实现地面控制站端控制。通过IO口高低电平控制5V电磁继电器实现24V电机的通断。通过DAC功能调节电压信号来控制输出电压控制离合器离合程度。由于电机齿轮与离合器齿轮啮合，电机转速恒定情况下，离合器两端电压越高，啮合度越高，线轮收线速度越快。

如图5所示，为了尽可能地增加系留无人机的负载能力，系留线缆的重量必须足够轻。同时为保证300m的系留线缆实现大功率电力传输，必须提高供电电压从而降低供电电流，从而降低线路的电能损耗。在地面电源中设计了升压电路，将交流AC220V输入通过功率因子校正模块(PFC)中的桥式整流和boost升压电路变换为直流DC1020V的高压，经滤波后由系留线缆传输到机载电源，机载电源将直流1020V的电压转换成无人机所需要的直流电源。地面电源转换效率大于95％，电源输出供电功率大于10KW，电源由交流输入EMI滤波、高压整流、功率因数校正、全桥高频变换、脉宽调制控制、保护电路、高频整流、EMI滤波电路、辅助电源、单片机控制电路等组成。

如图6所示，系留无人机和地面控制站采用有线链路进行通信，通信介质为系留线缆中的光纤。

1)飞控遥控链路：地面控制站发出的飞控遥控指令封装在UDP数据包内，通过组播方式发送至机载数据链路单元，机载通信链路单元收到数据后，将飞控遥控指令通过异步422接口透传至飞控单元；

2)飞控遥测链路：机载通信链路单元通过异步422接口接收飞控单元的数据，并封装在UDP数据包内，通过组播方式透传至地面控制站；

3)载荷遥控遥测链路：机载通信链路单元具有以太网交换和光电信号转换功能，可为地面控制站和任务载荷提供基于以太网的通信链路；

4)机上链路显示：机载通信链路向地面控制站报送链路状态信息，通信模式为TCP；

5)地面链路显示：地面通信链路向车载操控终端报送链路状态信息，通信模式为UDP组播。

如图7所示，系留无人机采用电池供电、系留线缆供电两种方式。为了确保系统工作的可靠性，引入供电系统冗余管理技术，将机载电池分为2块，每块均具备保证整机正常飞行的能力，同时对动力系统设置专用供电线路，保证在紧急情况下无人机应急供电，最大限度降低伤害和损失。

电源冗余管理系统能够实时监测电池的工作状态(电压、电流)和健康状态。与此同时，机载电源模块采用三个直流降压DC-DC模块并联工作的模式，将地面输送来的DC1020V降压到动力系统需要的DC 33V，电源管理模块对DC 33V进一步转换为5V和28V(电子设备、任务载荷供电)。三个电源模块间采用均流技术，确保每个模块平均负担供电需求。

每个机载电源模块具有输出过压、输出欠压、输出过流、输入故障等保护模式，可在超限情况下进入保护模式减少输出，由机载电池或其他模块补充所需供电，待机载电源模块恢复正常后再与其他模块共同承担全部供电。

综上所述，本发明提出了一种基于车载平台的系留无人机系统。系留无人机系统利用地面升压、机载降压的方式可以获得高效率、大功率的电源，并通过系留线缆中的光纤进行大容量高带宽数据的传输，提升了系留无人机系统的续航时间和通信带宽。

本发明的主要优点在于系留无人机系统与车载平台的高度集成，充分利用两者的优点，充分发挥出系留无人机负载和升空优势，采用自动化控制思想设计了系留线缆收放设备、地面高压电源、机载电源模块、自动升降装置等，同时配合车载平台的越野能力和机动能力，可以将系留无人机系统运输至难以到达的地区，使本系统具备了全地形机动、全自动作业与无人化值守的优点，可以极大地扩展该系统的应用场景和使用范围。

需要说明的是，以上对于本发明的具体实施例的叙述仅仅是为了便于本领域技术人员的理解，并不表示本专利的保护范围也被限制在这些个例中。凡在本专利的设计思想和技术方案之内所做的任何修改、等效替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于车载平台的系留无人机系统，其特征在于，包括：

(1)系留无人机，用于挂载任务载荷并适应不同的作业场景；且系留无人机内部安装有备用电池，用于保证系留线缆供电中断后仍能降落到地面控制车的方舱；

(2)系留线缆收放设备，设置在地面控制车尾部的方舱中，通过系留线缆连接系留无人机；系留线缆收放设备通过系留线缆中的数据光纤上传控制指令和差分导航信息，下传系留无人机状态参数和任务载荷获取的数据；

(3)地面高压电源，设置在地面控制车尾部的方舱中，通过柴油发电机提供的220V交流电并升压为1020V左右的高压直流电；

(4)综合通信导航设备，设置在地面控制车头部的驾驶舱中，作为整个系统的网络交换机，用于将地面控制站、、系留无人机与任务载荷的数据进行统一处理；

(5)地面控制站，设置在地面控制车头部的驾驶舱中，作为整个系统的控制终端，用于监控和控制系留无人机，并显示任务载荷获取的数据；

(6)方舱，即地面控制车尾部的方舱，用于将系留无人机的升起或收回。

2.如权利要求1所述的基于车载平台的系留无人机系统，其特征在于，所述系留无人机，包括：

(1)机载电源模块，用于将系留线缆输送的1020V的高压直流电转换为系留无人机所需的33V低压直流电，并为系流无人机的动力系统和航电系统及挂载的任务载荷供电；

(2)备用电池，作为系留无人机的备用电源，用于系留线缆供电不足时自动放电补充系留无人机所需电能，并且用于系留线缆供电中断时确保系留无人机安全降落；

(3)电磁起落架，位于系留无人机的底部，用于辅助系留无人机在方舱上的起降。

3.如权利要求2所述的基于车载平台的系留无人机系统，其特征在于，所述线缆收放设备，包括：

(1)系留线缆，为二光二电结构，其内部设有作为数据传输介质的抗微弯单芯光纤和用于导通高压电流的航空镀银导线，其绝缘皮为凯夫拉纤维编织层；系留线缆的上、下连接器均为圆形耐环境电连接器；

(2)线缆收放机构，包括卷扬机和控制盒。

4.如权利要求3所述的基于车载平台的系留无人机系统，其特征在于，所述地面高压电源用于将220V交流输入通过功率因子校正模块中的桥式整流和boost升压电路变换为1020V直流，经滤波后由系留线缆传输到机载电源模块，机载电源模块将高压直流电转换成系留无人机所需要的33V低压直流电。

5.如权利要求4所述的基于车载平台的系留无人机系统，其特征在于，所述综合通信导航设备，包括：

(1)差分基站，通过光纤通信建立与机上导航板卡之间的差分数据实时传输通道，将车载RTK差分基站采集的基站卫星导航差分电文数据按照RTCM V3协议上传给系留无人机；

(2)地面光端板，用于将系留无人机通过光纤送来的信号转换为网络接口输出，同时将地面控制站等终端设备通过网络送来的信号经过光纤上传至系留无人机上；

(3)低压直流电源转换模块，用于将220V交流电转换成低压直流电进行输出，为地面控制站和综合通信导航设备供电。

6.如权利要求5所述的基于车载平台的系留无人机系统，其特征在于，所述起降方舱，包括：

(1)自动升降台，布置在方舱的正中间，为剪叉式升降结构，用于将系留无人机伸出舱顶或从舱顶收回；

(2)自动滑盖，用于方舱的密封；

(3)自动归位机构，用于调整系留无人机的位置和机头方向，用于将系留无人机自动归位至自动升降平台中心位置。

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