手机版 欢迎访问南京千里眼航空科技有限公司(www.qlyuav.com)网站

当前位置:主页 > 解决方案 >

自主载人飞行器研究综述

时间:2020-06-12 16:10:04|来源:|编辑:|点击:

自20世纪80年代以来,我国公共汽车快速发展、小汽车逐渐进入家庭;进入21世纪之后,随着城市面积和人口规模的迅速扩张,交通需求加速增长,以小汽车为代表的代步工具已然普及。尤其是在北京、上海等一批超(特)大城市、大城市,城市交通呈现高强度使用、高密度聚集态势。由于城市交通供需长期不均衡,交通拥堵、安全事故、环境污染等问题日渐凸显,社会大众议论广泛。解决城市地面交通带来的诸多问题,是当前城市治理的重中之重。

自1903年莱特兄弟发明的第一架飞机试飞成功以来,人类的飞行梦与飞行探索从未止步。经过了100多年的发展,全球航空业已高度成熟,飞机已成为人类日常出行的交通工具之一,同时以多旋翼为代表的小型无人飞行器近年来也已经得到了广泛应用。面对城市不断发展所带来的交通拥堵问题,以及城市、山地、森林各类复杂环境的救援、特种任务执行等需求,常规民航客机、直升飞机等大型飞行器和各种地面交通工具已无法满足人们的出行需求,因此更为轻便、有效、安全的轻型载人飞行器备受人们期望。美国国家航空航天局(NASA)提出了自由移动出行(On-Demand Mobility,ODM)战略框架,愿景“ 能够让任何人随时随地从一处飞向另一处”。报告指出,垂直起降(Vertical Takeoff andLanding,VTOL)轻型载人飞行器甚至被认为是未来城市内部出行的交通方式之一。

美国国防预先研究计划局(DARPA)则在报告中提出,自动驾驶、垂直起降飞行器(VTOL)发展的关键推动力。DARPA从安全和成本两个方面进行了分析,指出成熟的自动驾驶飞行器将免去飞行员繁琐的仪表操作,大幅减少飞行事故和死亡人数;将免去飞行员培训成本,并解决飞行员短缺的问题;自动驾驶让飞行器不受天气条件限制出行,在复杂的特殊环境下也能正常飞行。

由此可见,对自主载人飞行器的研究具有重要的现实意义,本文将对该领域的研究现状进行系统综述,对国内外已有成果进行分类介绍,阐述该技术的整体架构与关键技术,针对城市交通问题提出空中出行的解决方案。

国内外研究现状

国外研究现状

目前国外对于自主驾驶载人飞行器的研究较多且相对较成熟,相关企业如空客、奥迪等都 陆续推出过不同类型的自主载人飞行器,相关资料披露不同型号的飞行器约有几十种,其中比较典型的有:德国Volocopter公司的Volocopter 2x、 ASTRO公司的 AA360及COAR公司的 Kitty Hawk Cora飞行器。

表1 各类型飞行器性能参数表

深度

深度 | 城市交通问题的空中解决方案——自主载人飞行器研究综述

图1 Volocopter 2x机型

ASTRO公司的AA360

AA360于2017年5月初开始飞行测试,历经几个月的密测试,最终在2017年8月完成第一次载人飞行试航。AA360作为电驱动垂直起降飞行器,可运送2名乘客,飞行过程中具有低噪音、零排放及低振动的特点。且具有自动补偿的控制策略,即使在恶劣的天气条件下,也能自主飞行。为了实现轻量化设计,在保证材料强度情况下,飞行器采用密度更小的碳纤维,摒弃传统的电缆转而使用轻质的光纤。

深度

深度 | 城市交通问题的空中解决方案——自主载人飞行器研究综述

图3 Kitty Hawk Cora机型

国内研究现状

中国在自主载人飞行器的研究上走在世界的前列,比较典型的是亿航智能、中航工业和吉利控股集团,都推出了各自的载人飞行器。

亿航184

2016年国际消费类电子产品展览会上,亿航智能推出世界第一款真正意义上的载人无人机:亿航184,如图4所示。亿航184采用多套独立飞行控制系统来实现自动导航,飞行途中会实时采集分析来自各种传感器的数据,重新规划路径, 从而保证将乘客以最快速、最安全的路径送达目的地。亿航184 具体参数如表1所示,此外还有空调系统和阅读灯,配有支持全天候飞行的全自动飞控、全电动飞机,还有多个旋翼备份保障安全, 可在1小时内完成充电,螺旋桨收起后,可停在汽车停车位上。

深度

深度 | 城市交通问题的空中解决方案——自主载人飞行器研究综述

图5 赛羚飞行汽车

吉利Transition

2017年11月,吉利控股集团全资收购了美国的Terrafugia。2018年 8月1号,吉利正式宣布,Terrafugia的飞行汽车Transition(如图6所示)于10月开启预定,首批正在量产,将于2019年问世。仅需要40s左右,Transition的机翼就能完全伸展, 且只需要30m的跑道就能够飞上天空,基本上能够在任何一条宽敞的马路上起飞。机翼收起情况 下,Transition可以轻松进入家用车库。

在安全性方面,Transition配备有安全气囊、 预紧式安全带、碰撞溃缩区等一系列安全装置, 还装备了降落伞。

深度

深度 | 城市交通问题的空中解决方案——自主载人飞行器研究综述

图6 Transition飞行形态和折叠形态

基本原理与技术框架

飞行器的基本原理及分类

从飞行原理和结构看,目前可用于载人的飞行器主要分为:固定翼飞行器、多旋翼飞行器、直升机、涵道风扇飞行器及倾转旋翼飞行器等。 这些类型的飞行器搭载上无人控制系统,可以在 一定程度上改造成无人驾驶即自主载人飞行器。 不同类型的飞行器各有优缺点,如表2所示。

表2 各类飞行器优缺点对比

深度

深度 | 城市交通问题的空中解决方案——自主载人飞行器研究综述

图7 自主载人飞行器整体组成框架

在操控方面,消费型多旋翼无人机基本都采用地面遥控设备对其进行实时遥控操作来完成目标飞行任务。与此不同的是,自主载人飞行器可摆脱对遥控操作的依赖,实现自动驾驶飞行,这主要依靠飞行器的飞控系统。自主载人飞行器的飞控系统可以根据任务自动生成合理的轨迹,并通过检测周围环境障碍物来实现自动避障,从而控制飞行器安全地飞行。同时因自动驾驶不需要飞行员驾驶,可避免人为误操作,从而可提高自主载人飞行器的安全性能。

与一般无人机的区别是,自主载人飞行器因为要载人,故需要重点关注安全技术;自主载人飞行器要广泛普及,首先需要保证飞行器安全性 方面不差于汽车。自主飞行器设计上需要考虑安全因素,包括在硬件冗余、抗干扰、故障检测及处理等。同时自主载人飞行器也需要关注噪声方 面,噪声不仅仅会引起地面上人们的反感,更会引起飞行器上人员的感受。因此需要研究降噪技术,以降低飞行器的噪声,保证在人们可接受的范围内。

关键技术分析

飞控系统

飞控系统是整个自主系统实现无人驾驶的核心,可以理解成自主载人飞行器的“ 驾驶员”,飞行器的姿态、位置、悬停、巡航飞行等控制都是依靠飞控系统来实现。飞控系统主要包括各种传感器(陀螺仪、加速度计、磁力计、GPS等)和机载计算机两大部分。各类传感器相当于飞控系统 的“ 眼睛”,用于获取飞行器姿态角、位置、速度和高度等参数,是飞控系统的基础,其测量精度也决定了飞行器的控制精度。机载计算机是飞控系统的“ 大脑”,通过各类传感器获取飞行器姿态位置状态,进行运算处理,输出指令给动力系统来完成相应的姿态调整等控制动作。

飞控系统作为飞行器的核心部件,能自动完成飞行器起飞、按设定轨迹飞行、自动返航和自主降落等整个飞行过程的控制。飞控系统涉及的技术主要有:飞行器的导航技术、位姿控制、轨迹规划、自动避障等。

深度

深度 | 城市交通问题的空中解决方案——自主载人飞行器研究综述

图9 无人飞行器数据链示意图

数据链的安全性极为重要,它涉及到数据泄露、数据欺骗和服务器攻击等严重问题。目前使 用的数据链安全技术一般有两种模式:空-地安全 模式和端对端安全模式。空-地安全模式的优点 是安全操作对操作机构而言是透明的,攻击者很难在空-地网络中获取路由信息并进行数据分析, 但它在地-地网络中没有内在的信息安全保护,不 能防止来自内部的攻击。端对端安全模式保障了 从飞机到操作机构地面主机的整条链路,即空-地 链路与地-地链路的安全,但它需要操作机构本身 进行安全防护。

地面指挥中心

地面指挥中心是整个无人机系统的监控和指挥中心,主要任务是实现与无人飞行器的有效通讯,并在此基础上,实现对无人机的飞行状态进行监控,控制无人机的飞行状态。基于这些要求,地面站通常包括显示模块和控制模块两大部分,显示模块包括:仪表显示模块,故障显示模块,跟踪显示模块以及航迹显示模块;控制模块 可以实现无人机的航迹规划,设备自主起落,遇险自动返航以及设备悬停等功能。国内外针对无人机的地面站,做出了很多研究。亿航智能技术有限公司(EHANG)针对旗下的亿航184无人载人飞行器搭建了实施完备,功能全面的地面调 度指挥中心。

深度

深度 | 城市交通问题的空中解决方案——自主载人飞行器研究综述

针对拦截和干扰,无人机的应对策略举例如表4所示。

表4 无人机干扰应对策略

深度

深度 | 城市交通问题的空中解决方案——自主载人飞行器研究综述

图11 BRS整机降落伞

其他相关技术

降噪技术

随着无人机的广泛运用,无人机噪声问题越来越受到人们的关注,无人机在飞行时,尤其是起降过程中常常产生强烈的噪声。以旋翼无人机为例,噪声来源主要是旋翼噪声和电机噪声。为了让无人机飞行时能够减少噪音,亚马逊基于仿生学原理,参照飞鸟翅膀和毛状植物,在螺旋桨边缘增加了锯齿状设计,并且根据类比思想,参照高尔夫球和潜艇螺旋桨,在螺旋桨表面增加了凸起设计,改变表面形态,起到了降噪的效果。

深度

深度 | 城市交通问题的空中解决方案——自主载人飞行器研究综述

图13 人机交互系统

测试系统

为保证飞行器,尤其是自主载人飞行器稳定 可靠地完成飞行任务,对系统各部分进行功能及性能测试是飞行器在研发阶段与飞行前后必不可少的环节。如图14所示,飞行器测试一般包含两部分内容:航电系统检测以及综合性能测试。

<img align="" alt="深度 " 城市交通问题的空中解决方案——自主载人飞行器研究综述"="" border="0" data-cke-saved-src="http://p9.pstatp.com/large/pgc-image/827e9f32093c4d93912a96ccf41b732c" src="http://p9.pstatp.com/large/pgc-image/827e9f32093c4d93912a96ccf41b732c" width="634" style="border: none; display: block; margin: 10px auto; max-width: 640px;">

深度 | 城市交通问题的空中解决方案——自主载人飞行器研究综述

图14 飞行器测试系统的一般组成

航电系统检测主要涵盖单板级、单元级以及系统级的检测。其中,系统级检测对各部分元器件的电信号、参数及兼容性等进行测试,是航 电系统检测中最关键的部分。该技术目前已发展到第三代模块化自动测试系统,即依靠测试总线技术实现模块化的测试仪器方案,同步结合虚 拟仪器技术自动完成测试任务。综合性能测试对象主要包括动力系统、感知系统、机体结构和飞行状态等方面,目前已发展到数值仿真、半物理 仿真与实物测试相结合的方式。

相较以往,目前的测试技术已能大幅降低研发周期与成本,但仍存在诸多问题:测试系统的开发成本依旧高昂、通用性不足并且缺乏统一的规范标准。因此,如何更加经济、快速、安全、有效地完成测试任务,是未来测试技术的发展方向。

未来展望

1886 年,“ 汽车之父”卡尔·本茨发明了世界上第一辆汽车——奔驰1号,汽车从当时18km/h的速度跑到现在,已经诞生了百公里加速度只需要3s的超级跑车以及“ 特斯拉”为代表的无人驾驶 汽车,成为了当今世界最主要的交通工具。纵观整个汽车发展史,先后经历了追求功能与性能的 起步阶段、追求安全与稳定的发展阶段、追求舒适与个性的成熟阶段和追求智能与环保的繁荣阶段。

按照汽车发展的历史,我们有理由相信,未来载人飞行器也将一步一步攻克性能、安全、续航、能效、环保等诸多技术壁垒,达到随时随地稳定地定制化出行(On Demand Mobility)要求。伴随着人工智能和网络信息技术的发展,未来的载人飞行器也必将朝着数字化、自动化、智能化的方向演进。

历史的经验告诉我们,技术的革命必将带动政策的革新。在民用航空器领域,适航政策是整个产业关键的一环。目前我国已经成为了世界上 最大的无人机生产国,民航局等部门相继出台了 一系列关于无人机管理、规范、应用等方面的法律法规和通知公告旨在规范无人机市场秩序的政策与文件。据统计,仅从2017年到2018年8月,我国出台的关于无人机方面的政策已有17条之多。这也体现了我国对于无人机产业有序、持续发展 的重视与支持。一方面,民用适航政策需要通过 对民用航空器设计、制造、使用和维修等环节进行科学统一的审查、鉴定、监督和管理,保障民机的安全稳定;另一方面,当今快速发展的无人 机技术需要更灵活的适航政策来推动行业的快速发展。比如在无人机科研领域,需要出台专项政策,为研究人员提供试验空间和适航授权,这也将鼓励更多力量投入到无人飞行器的研究当中, 促进整个城市空中交通产业的蓬勃发展。

我们可以构想这样一幅面向未来的美好蓝图:未来城市上空不同高度、不同轨迹上会出现无数无人驾驶的飞行器,载着乘客高速前往目的 地,乘客可以按需定制出行,并且在机舱中享受各种服务。城市楼宇等建筑物顶部,会出现大量自动泊机位和充电桩,城市空中交通生态建成, 人类的出行方式迈入“ 飞行时代”,社会生活方式将再一次发生变革。

热门导读

Copyright © 2020 南京千里眼航空科技有限公司 版权所有