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从航模到无人机

发布时间:2019-01-10 01:06:04 文章来源:未来智讯    
    从航模到无人机作者: 邢强   广义上来讲,但凡不载人飞行的航空器都是无人机。而随着军用和民用无人机的迅速发展,狭义上无人机的观念逐步起初清晰。无人机常常能够多次反复使用(靶机除外),这使它不同于导弹;无人机由自身动力驱动,这使它不同于风筝。然而,无人机与模型飞机之间的界线还是有些模糊。为此,本文将试着从技能和应用的角度来分析两者之间的不同。
  从石像到美人
  为了魅惑人类,宙斯令掌管火、锻造与雕刻的赫淮斯托斯制造了一尊美貌非凡的石像,并且要求诸神都要给予这尊石像一份礼物,使其多拥有一种能力,最后造就了美人“潘多拉”。从石像到美人,我们不去深究其繁杂的锤炼过程,但智慧女神雅典娜所赠礼物却不能不提:她向石像吹了一口“仙气”,让石像有了灵魂和思维。美神赋予的美貌和火神雕琢的婀娜虽然难得,但智慧女神馈赠的思想之能力使石像有了质的飞跃,在所有礼物中,是最无形也最贵重的。由模型飞机到无人机的飞跃,当然也不能少了这口“气”。现代模型飞机的外形已能做到与相应型号的真实飞机别无二致,仅仅在尺寸上有大小的差别,而且模型飞机的飞行演出更易做到让人眼花缭乱的程度,甚至令实机也望尘莫及。能够说,模型飞机已经拥有了迷人的外表和动人的步态。但正因很多模型上缺少一个关键部件,使其无法成为美人,姑且只可被叫做美丽的石像。
  这个关键部件就是无人机的自动飞行抑制系统。模型飞机的飞行品质与遥控它的操纵人员本身的经验和水平有很大关系。人在其飞行的整个过程中都是一个不可或缺的环节。模型飞机进行俯仰、偏航和滚转等姿态变换和它的全部飞行轨迹都受遥控操纵员的直接抑制,且大局部航模只可在操纵员的视野范围内活动。而无人机则不同,其上装备有被称为大脑的自动飞行抑制系统。该系统由加速度计、陀螺仪、GPS接收设备、电子罗盘等传感器和中央处理器组成。在飞行过程中,无人机的运动被分为内回路和外回路两个局部。内回路是无人机的姿态稳定回路。由机载惯性稳定平台提供的姿态信息和飞行器的姿态稳定算法以及无人机的抑制舵面构成的闭合回路对无人机的姿态进行自主抑制,大幅减轻了操纵员的任务量。外回路指的是无人机的航迹抑制回路。无人机的飞行轨迹由事先设定的GPS航路点决定,并能通过双向数据链系统进行实时更新。无人机在执行任务之前,可将其航迹点坐标、任务点坐标以及高度飞行限制等信息存入机上抑制系统当中。在飞行时,由陀螺仪和加速度计构成的惯性导航组件与GPS接收机、电子罗盘等系统配合使用,计算无人机届时的坐标、高度、速度、航向等信息并与预存的航迹点信息进行比对。如果有差别,机上的飞控系统会按照导航策略给舵机发出抑制信号,产生相应的空气动力抑制力,驱使无人机飞向打算的航迹点。
  无人机飞控系统解构了飞行任务,把姿态稳定和飞行轨迹的保持等任务交给无人机自身,把任务规划和技能保障等任务交给无人机操纵员。这样可将操纵员的精力从无人机飞行抑制中解放出来,可以专注于无人机的作业任务本身。
  随着技能的发展,局部航空模型也具有了一定的超视距飞行和自主飞行的能力,如FPV航模。FPV是英文First Person View的缩写,即“第一视角”。FPV航模上加装了带有无线回传功能的摄像头。其地面设备也比普通航模复杂得多,拥有从地面屏幕观看飞行器视角和超视距遥控的功能(或潜力)。这种航模突破了传统航模操纵员的视角限制,可以在更远的距离上受控飞行。例如,已有FPV航模做到了在距操纵员113km之外的地方以150km/h的速度,在 4 685m的高度按遥控信号飞行。较高级的航模已可以实现失去遥控信号后自动返航和在指定区域进行定速定高巡航的功能。这些航模因为加载了较为大略的飞行抑制系统和数据链系统,所以能做一些从前惟有无人机才能做到的事情,这使得仅靠有无自主飞行抑制系统来区分航模和无人机变得有些困难了。为了监管的方便,美国联邦航空管理局(Federal Aviation Administration,简称FAA)已经把FPV航模视作无人机。那么,无人机和航模之间还有没有其他区别呢?
  成长为职场强人
  实际上,由石像成长为美人仅仅是迈出了由航模升级为无人机的第一步。久在深闺,孤芳自赏并不应该是无人机的性格,也必然不会是人们发展无人机的目的。无人机必须进一步成长才能显现出自身的价值,才能与航模区分开来。
  模型飞机从技能上能够做得很前沿,从外形上能够做得很艺术,是个人爱好、是体育运动,更是一种能够追溯到有人驾驶飞机上天前很多很多年的人类文化。作为航空文化的重要组成局部,模型飞机承载了航空科学普及和飞行技能探索等多种使命,但其飞行本身与商业发展和生产建设乃至军事活动之间并没有太多必然的联系。而无人机则不同,从诞生伊始就有着明确的目的。从早期的飞行靶机到后来的航拍摄像再到如今的军事打击、植被保护和货物投递,无人机承担着越来越多的军用和民用任务。
  这些任务使得无人机从设计到使用维护方面都与模型飞机有很大差别。模型飞机着重于飞行本身,而无人机的飞行则是为了给相应的任务提供一个空中平台。如果说模型飞机是一名体操运动员的话,无人机则是一名职场强人。相较于航模,无人机身上多了很多“负担”,这些被称为飞行任务载荷的设备让无人机拥有了执行多种任务的能力。
  最初要提的就是无人机上的稳定平台。这种平台能够隔离空气吹拂和无人机震动等扰动,使摄像头可以像在地面的三脚架上那样稳定拍摄。这样,无人机执行空中拍摄、精确打击等任务时就能拍摄到清晰的视频图像。另外,有的平台还能提供快速响应的抑制信号,使摄像头的视轴可以时刻跟随指标,进行跟踪拍摄。这种基于陀螺仪回路的稳定平台成为了很多无人机的标准配置。虽然早在1936年,以陀螺仪稳定的测距仪就已经出如今了战列舰上,然而无人机的小尺寸和灵活多变的飞行姿态对机载陀螺仪提出了更高的要求。一般来说,重量小且集成度高的微机电MEMS陀螺组件是个不错的选择。MEMS可连续不时地检测平台的角度和角速度信息,并将其反馈给平台驱动电机,以此来对消飞行器姿态变化的影响,使平台上摄像机的视轴保持稳定。另外,无人机载荷平台的机械结构也要特殊设计,以便将无人机震动的高频干扰与摄像头隔离开。   其次,要想让无人机更好地执行任务,其任务载荷上的执行机构也要有较好的本能。无人机上的力矩电机、舵机要具有转速低、力矩大、功耗小、线性度好并且响应速度快等良好本能。一些在普通航模上表现优异的空心杯电机驱动的舵机在无人机平台抑制和一些其他执行机构的精确抑制上会显得力不从心。由于舵机中放慢齿轮回差,会影响执行机构作动的精确性,因此在无人机平台上需要使用舵机进行精确抑制时,多选取双电机差模驱动的方式来消除回差,同时也提高了驱动力矩。
  在无线传输的编码方面,无人机和航模也有差别。以个人爱好为主的模型飞行,其无线传输的信息以抑制指令为主,只要不与周围遥控器的抑制信号产生相互干扰就算是适合要求了。因此模型飞机遥控指令的编码并不复杂,也无需选取专门的加密算法。而无人机传输的信息则包含了视频、图像、航路规划等多种内容。有些无人机因其事务地点和事务性质的特殊,偶尔还会面临被破解和被强制接管抑制的风险。因此,无人机的双向数据链中所传输的信号应具有一定的加密程度和多种冗余备份手段,要在飞行过程中做到航路规划的隐蔽性、可控性以及信号传输的保密性和稳定性。
  另外,无人机的人机界面也比模型飞机复杂。模型飞机的人机界面大多以无线发射的遥控器为主。而无人机在飞行过程中要承担一定的任务。故操纵员不但要关心无人机的飞行状态,更要时刻明白与飞行任务相关的情况。为此无人机的人机界面至少要包括两个局部,可以同时监控到无人机的飞行状况和任务的执行情况。
  多方优化 全面升级
  加装了自主飞行抑制系统,拥有了陀螺仪稳定平台,升级了执行机构、数据链和人机界面等系统后,无人机与航模的另一大明显区别也就显现了出来,那便是――贵。有些可以拍出高质量画面的航拍无人机的售价超过万元,而稍有一些载荷能力(比如15kg)的无人机,其售价达到十万元以上。
  这种价格上的差别既是由无人机机身设备和地面配套设施的硬件成本造成的,又与无人机的设计与生产标准的升级有关。无人机适航标准对其平安性和可靠性做出了详细规定,这就使得无人机与航模之间在机体结构、续航能力、维护保障方面有着越来越多的差别。
  航模的动力系统往往有较大的余量。很多固定翼模型飞机都能做出垂直起飞和小半径转弯等动作。因为其本身载荷少,强大的动力会掩盖模型飞机在机体结构设计和气动外形设计方面的很多不足,让一个不够优化的机体仍能飞出高超的机动动作。而无人机则更加依赖于气动外形和机体结构的综合优化。因为任务载荷对于机体来说是个不小的负担,使得无人机的发动机在坚持正常飞行外很难再提供额外的动力余量来让无人机完成机动动作,也很难去对消不良的气动外形带来的额外飞行负担。所以,各种增升减阻措施和大量的复合材料被集中应用在无人机上。
  另外,人们对无人机提出任务要求的同时也会对其续航时间和最大航程做出规定。原因一是完成航拍、喷洒农药和监控这些任务要靠飞行时间的积累;二是与有人驾驶飞机类似,无人机在起降阶段的事故率高于其在巡航飞行阶段的事故率。而较长的续航时间意味着完成同样任务可削减起降操作次数,提高无人机的综合可靠性。为此无人机的供油系统或电池系统都要进行优化。
  还有,无人机的备件生产有较高的专业性,这与模型飞机的DIY风格有所不同。无人机维修保障的技能门槛也要高于一般的模型飞机。因此,有志于从航模玩家升级为无人机专业人士的人要特别注意学习一些有关无人机的技能标准。
  在经过多方优化之后,无人机作为职场强人有的奔赴战场,成为了百步穿杨的亚马逊战士;有的赶赴自然灾害现场,成为了抢险救灾的急先锋;有的则成长为商业精英,在影视制作、城市快递和精细农业等领域掀起了一场变革。
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