系留无人机:创变催生行业新蓝海

2017-03-27 13:52 出处:其他 作者:佚名 责任编辑:yuyanhong_JZ

轻型的多旋翼无人机已经越来越多地为人们所熟悉,然而一些固有的缺陷限制了它们的广泛应用。用创新思路来提出新的解决方案,将为无人机应用行业带来全新的蓝海市场,也将带动整个行业的自主创新和技术进步。

作为创新的一个案例,北京卓翼智能公司大胆地提出了系留无人机的概念。不但解决了传统上制约无人机应用的一些关键问题,也开创了一个全新的无人机门类,为广泛的用户行业带来了突破性的解决方案。

传统无人机的电力短板

近些年来,轻型多旋翼无人机已经越来越多地用于军事、安防、媒体、娱乐、通信、环保监测等领域。多旋翼无人机飞行稳定、操纵简单,受到了用户的普遍欢迎。特别是起飞重量在100千克以下的多旋翼无人机,因为价格较低而得到了广泛应用。

然而,现有的轻型多旋翼无人机普遍存在着严重的缺陷。主要的问题在于动力系统。它的能量来源一般是自身携带的锂电池。要靠这有限的能量来供无人机飞行,还要给稳定平台、相机、无线数传等电子设备供电,对总体设计提出了严峻的挑战,也造成了严重的性能限制——多数轻型多旋翼无人机只能飞行一两个小时,而且不能携带较大功率的有效载荷。

另外,因为能源不足带来的动力不足,也迫使轻型多旋翼无人机只能在风力较小的环境里飞行,风稍微大一点,就会把动力孱弱的无人机吹得无法控制,甚至坠毁。

能源不足,也严重限制了无人机的无线传输功率,由此带来的是抗干扰性能和通信能力严重不足。很多时候,民用轻型多旋翼无人机的飞行事故,都是控制链路受到干扰而导致的。低发射功率也限制了所能实时传输的图像质量。如果牺牲滞空时间来提升发射功率,又会对其他无线设备造成干扰。

无限电力的系留无人机

既然电力供应限制了轻型多旋翼无人机的性能,那么能不能换个思路来摆脱桎梏呢?电力机车靠外置电缆供电,两套车头就可以牵动万吨级的列车;高速铁路同样靠外置电缆供电,可以实现350千米的时速。如果从外部用电缆给无人机供电,就能让它用上更大功率的电动机、更强健的结构系统,当然也可以携带更大、更重的有效载荷。

系留无人机

系留无人机

当然,拖上一根电缆,会让无人机像风筝一样,只能在有限的高度和范围里低速运动。但很多用户并不需要无人机做大范围高速机动。他们只需要用无人机把载荷吊上低空就可以了,然而他们对无人机滞空时间的要求却相当高——至少要飞上好几个小时,这是电池驱动的电动无人机无论如何也做不到的。在一定程度上,我们可以认为,这些用户所需要的,是一个可以移动的高塔。

或许有人会问,难道不能用气球或者气艇来解决问题吗?这两种飞行器固然可以长期留空,但是它们的充气需要几个小时才能完成,在许多需要应急布设的场景下并不合适。当任务完成撤收的时候,还要消耗几个小时。所以,对于那些时间安排紧凑的任务来说,气球和气艇并不合适。

另外,当今的气球和气艇有三种填充气体:氢气、氦气和热空气。氢气本身易燃,热气球需要携带一个液化气炉飞行,存在安全隐患。而氦气成本高昂,除了少数军用型号之外,很少会有人采用氦气飞艇。靠外置电缆供电、能长时间留空的无人机,是绝大多数场景下的最优选择。

引入电缆能够为无人机带来另外的好处。只要沿着电缆布设一根头发丝粗细的光纤;就可以不受干扰地实现飞行控制和数据传输。沿着这根光纤,有效载荷设计师们可以尽情传输高分辨率的图像和大流量的数据,再也不用担心发射功率、干扰之类的问题。操作员们同样可以放心地操控无人机平台,不会干扰别人也不会受别人干扰。

当然,任何一种想法都不能轻易变成现实,要想用一根电缆加上光纤来驱动和操控无人机,还是需要解决相当多的关键技术。更重要的,是需要一批有行动力的创业者。毕业于北京航空航天大学导航、制导与控制专业的任雪峰硕士带领着一批志同道合的年轻人,开始了系留无人机的研究。

研究伊始,虽然已经积累了丰富的无人机飞控和整机系统研发经验,但团队还是面临着诸多系留无人机所特有的关键技术问题有待解决:线缆自动控制技术、运动平台自动跟随技术、一键起飞和精准降落技术、抗风稳定性技术、精确定位技术、飞行精确控制技术、超轻光电复合电缆技术、有线控制技术、小重量大功率机载电源技术、备电无缝切换技术、异常情况下的飞行安全处理技术....这些问题一个个横亘在任雪峰和他的团队面前。

年轻人永远无所畏惧,创业者总是攻坚克难,系留无人机研发团队选择了攀登,选择了迎难而上。在接下来的一千多个日日日夜夜里,任雪峰和他的团队忘我地投入了关键技术的攻关中,一遍遍地重复着研讨、设计、开发、测试、改进的过程,废寝忘食、没日没夜已经成了常态,这期间既经历了失败、失落,更享受了成功、喜悦,既有飞机突然自行降落后才发现忘开地面电源的低级失误,也有一阵大风吹来飞机如一颗钉子稳稳钉在空中的高光时刻。就在这失败与成功交织伴随的过程中,系留无人机团队慢慢地越走越高。三年过去了,当他们回首一看,突然发现这些险峰难关已经被踩在了脚下。

上述关键技术的解决,为系留无人机设想的实现铺平了道路。经过不懈努力,任雪峰团队和他们的卓翼智能公司研制出了自主知识产权的系留无人机,这种被称为天枢-100型号的系留无人机一经上市,就被诸多行业定制并投入到了市场商业运用。

为了方便入门级用户充分发挥无人机性能,天枢-100采用了简易化的操纵系统和操纵方式。根据系统设计,天枢-100可以一键起飞、一键回收,操作员不需要经过复杂的操作训练就可以掌握。

即使在风力较大的天气,无人机不能直接降落到起飞平台上,操作员也只需要回收电缆,再把无人机从地面上抬回起飞平台,收纳起来。

有些不熟练的操作人员很可能因为误操作而切断了无人机的电力供应。这时候,天枢-100上的备用电池就可以发挥作用,在几分钟的时间内安全迫降到地面,避免因为无人机坠毁带来的可能人身伤害和财产损失。

天枢-100使用模式分析

根据天枢-100的特点,我们可以设想出这样几个应用场景。

1.应急通信

当大型体育比赛、文艺演出举办的时候,会有数万甚至十多万观众来到现场。情动之处,人们纷纷拿出手机,把精彩的画面乃至视频拍摄下来,共享给亲友。这似乎已经成为当今人们的生活方式之一。但对于移动运营商来说,这意味着在某个很小的区域内,出现了通信需求的井喷。

同样的事情也会发生在繁华的商业区、春运的车站和突发社会事件的现场。一般来说,运营商会出动应急通信车来到现场,用升降杆部署天线,满足突发式的通信需求。但是升降杆的高度无论如何也是有限的,一般来说12米是升降杆的极限。这就导致天线必须面临地物遮挡和反射的复杂问题。天枢-100系留无人机有能力携带重达8千克的有效载荷升空,而移动通信服务提供商常用的应急基站天线重量只有不到1千克。当无人机携带着天线上升到100米的空中,可以服务30千米半径内的广大用户,而且不会被遮挡。

2.要地监控与应急指挥

在这个纷繁复杂的世界上,反恐和安保已经成为日常生活的一部分。为了支撑社会的日常运行,电厂、燃气站、油库、车站、港口、自来水厂等民生设施的安保工作压力与日俱增。自古以来,人们就用瞭望塔来满足这样的安保需求。但是高塔本身的造价和工期都让人望而却步。天枢-100可以携带一组多频段的高分辨率监控设备,用几分钟的时间就升到100米甚至200米高空,自由地指向机下的任何一个方向,可以概览也可以特写,可以用可见光也可以用热成像,为监控员提供无遮挡的监视手段。在一些大型固定设施的监控场景下,天枢-100还可以用市电直接提供能源,全寿命成本只有高塔的一个零头。而且,高塔很少能达到百米的高度。

当重要设施真的发生紧急情况,政府、公安、武警、消防、抢修、医疗、民政等所有部门都需要一种能持续监视现场的手段,支持现场指挥员的决策和指挥。在这个时候,天枢-100可以在几分钟之内升空,开通可见光或者热成像视频,让指挥员看个真切。如果需要换个视角,可以发动汽车,天枢-100就会自动跟上。

3.大气监测

雾霾又来了!虽然压力山大,但是环保部门确实在切切实实做着大气成分监测工作,日夜不休。根据一些无人机爱好者的实际观测,雾霾的高度一般在400米以下,这就给传统的气象观测手段带来了难题:地表仪器太低、气象气球太高。至于气象火箭,它留空的时间实在是太短了。天枢-100虽然飞不到400米,但可以带着仪器,在雾霾最为浓郁的200米以下高度精密监测。重要的是,作为动力强劲的系揽飞行器,系留无人机可以精确控制高度。理论上,它可以一米一米地升降,精确地测定雾霾随高度是如何变化的。甚至可以精确监测一街之隔的两个小区,雾霾有什么不同。

4.新闻采集

当突发社会事件的时候,现场总是需要尽可能多的镜头角度捕捉到急需解决的场景。可是常用的无人机只能飞几十分钟,可是常用的无人机留空时间有限,抗风能力差,工作不稳定往往只能长时间在地面上。至于说动用有人驾驶的直升机,最普通的直-9采购单价是4000万元,机组和乘员有4人之多。我们可以想见它一个小时的飞行费用是何等高昂,中小栏目组是根本负担不起的。天枢-100给这样的需求提供了一种现实的解决方案,节目组可以对新闻现场保持24小时不间断的俯视。

5.路线查询

跑着放风筝的事情,大家都做过。开车放风筝,有人试过吗?天枢-100就可以让我们尝试一下开车放风筝的感觉。但这不是玩耍,为了支撑现代生活,各类运营商们使用着不同类型的长途线路,运送着乘客、货物、天然气、石油、自来水、污水、电力和比特。任何一种线路发生故障,就会影响很多人的正常生活。但巡线是个艰苦的工作,传统的人工巡线效率很低,驱车巡线又很难覆盖一些复杂地形上的设施。那么,如果把车辆和无人机结合起来呢。无人机可以跟随载车,用不超过每小时36千米的速度飞行,在百米高度俯视着漫长的线路。至于载车上的工作人员,司机只要认真开车、监控员只要认真看视频就好。

说到这里,广大潜在用户可能会对天枢-100的使用迸发出更多灵感。实际上,已经有很多用户创造了大量成功的案例,我们会在后续的文章里分类介绍。