“土生土长”的无人机家族

中国科学院沈阳自动化研究所瞄准工业级无人机这片蓝海，经过多年的研究，已具备研发制造系列化无人机的能力，并在无人机应用推广方面做出了积极探索。下面就让我们认识一下沈阳自动化所“土生土长”的无人机家族成员吧。

一、稳定成熟的无人直升机

无人直升机的构型直接由有人直升机的构型继承而来，它的优点是航时长，航程远，载重高，相关理论和技术都非常成熟，有优秀的有人直升机机型可以借鉴，设计难度相对较低。军事上旋翼无人机大多为此构型，随着技术的发展和社会需求的增加，无人直升机开始向民用市场拓展，是目前发展工业级无人机的最佳选择。

图1 不同起飞重量的无人机直升机

　　研究所根据实际任务对航程、航时、任务载荷等需求的不同，已经研发出起飞重量40公斤、100公斤以及700公斤的系列化飞行机器人系统，可以满足不同航时、航程以及任务载荷的需求。该系列无人直升机参与了2013年芦山地震的震后现场勘查与检测、2012年法库县卧牛石乡病虫害防护、2010年抚顺洪灾区域输电线路巡查、2010年大连海域海面溢油监测与处理等工作，得到了相关单位的充分肯定。它在相关技术领域填补了多项国内空白，打破了国外技术封锁，成为国内无人直升机研发和应用的范本。

　　二、廉价高效的软翼无人机

　　软翼无人机是由柔性伞翼悬挂推力发生装置/载荷组合而成的无人飞行器,在飞行性能方面，除了具有旋翼无人机低空低速飞行性能，又有固定翼无人机效率高、滞空时间长的优点外，伞翼充入轻质气体可获得额外升力，单位体积载重远超其他类型无人机；在安全性能方面，软翼无人机即使在油料耗尽的情况下也可依靠滑翔安全着陆；在经济性方面，它易携带运输、造价低廉、维护简单方便。所以软翼无人机在气象探测、灾害监测以及侦察、监视、物资投放、广告展示等诸多民用与军事领域有着广泛的应用前景，特别适合在危险环境或者不可预见的非结构环境进行超低空作业或星球探测。

图6 软翼无人机

　　三、灵活多变的多旋翼无人机

　　提起多旋翼无人机，大部分人首先想到的都会是大疆公司，它的无人机产品以其优良的飞行性能、丰富的外接设备、炫酷的外观和不高的价格迅速占领了国内外消费级无人机市场，成为专业玩家和普通民众的宠儿。那么，多旋翼无人机相比无人直升机和固定翼具有哪些优势呢？

　　首先，多旋翼无人机对飞行环境要求较低，不需要跑道便可以垂直起降，起飞后可在空中悬停和低速飞行，室内空间就足够人们体验小型四旋翼无人机飞行的乐趣。其次，多旋翼无人机操作原理简单，操控器四个遥感操作对应飞行器的前后、左右、上下和偏航方向的运动，各个控制通道间耦合较小，再加上控制系统的优化，即使没有受过专业训练，人们也能在短时间内掌握操控技巧。再次，它的结构简单，没有活动部件，它的可靠性基本上取决于无刷电机的可靠性，因此可靠性较高。若电机、电子调速器、电池、桨叶和机架损坏，也很容易替换。相比较而言，固定翼和直升机有活动的机械连接部件，飞行过程中会产生磨损，导致可靠性下降，而且零部件更换也需要一定技巧。

图7 八旋翼无人机

图8 旋翼机械臂系统

　　沈阳自动化所基于旋翼无人机平台，研发了旋翼机械臂系统，该系统可以实现目标的识别、定位和抓取，整个过程全自主控制，不需操作手干预。与传统的工业机器人相，该系统具有更强的环境交互能力，不会因和环境的意外接触而对机器人或环境造成损伤，可以作为机器人工友在人机共融的环境中协助人们工作，在将来的服务型机器人领域有广泛的应用前景，有望走到普通人身边。

　　四、空中“混血儿”——倾转旋翼无人机

　　能不能设计一种无人机，它既有旋翼无人机可以垂直起降、拥有低空低速飞行能力，又拥有固定翼无人机速度快、航程远、能耗低的优点呢？课题组人员基于上述目标研发了一种倾转旋翼无人机，这种无人机最大特点就是在飞行过程中旋翼倾转系统可以控制螺旋桨转轴进行大角度倾转。起飞阶段，四个旋翼垂直布置，用于提供无人机垂直起降的升力，此时可以将它看作是装有固定翼的四旋翼无人机；达到指定高度和飞行速度后，旋翼由垂直布置逐渐转为水平布置，用于提供无人机向前飞行的推力，这时可以将它看作是装有四个螺旋桨的固定翼无人机。

　　为实现上述飞行模式的变化，设计的倾转旋翼无人机操纵控制系统可能是世界上最复杂的飞行器控制系统之一。除了用于普通的固定翼飞机与多旋翼的操纵控制系统外，倾转旋翼无人机的操纵控制系统还须操纵控制旋翼轴的倾转，以实现不同飞机模式的功能。在倾转过程中，要同时进行固定翼和多旋翼两种控制系统的操纵，即同时通过操纵旋翼和固定翼的常规空气动力操纵面，以实现对旋翼倾转和飞机飞行状态的控制。其操纵和飞行控制比单一的固定翼无人机和多旋翼无人机都要困难许多。

图9 倾转旋翼无人机

　　小结一下，沈阳自动化所在完善现有系列无人机的基础上，将时刻关注社会的最新需求，研发新系列无人机，并在无人机应用领域积极探索。虽然目前无人机发展迅猛，但相关法律法规还不完善，无人机市场管理相对混乱，课题组也将积极参与到相关规定政策的制定与完善中，实践出一条规范化的无人机研发推广的道路，推动全国无人机市场规范化发展。（作者：沈阳自动化所 于利）