無(wú)人機(jī)精準(zhǔn)拋投救生圈方案研究

龔永壽 云南省航務(wù)管理局

沈毅俊 上海普適導(dǎo)航有限公司

李春旭 交通運(yùn)輸部水運(yùn)科學(xué)研究所

1.研究背景

隨著民用無(wú)人機(jī)技術(shù)的不斷成熟與發(fā)展，無(wú)人機(jī)在水上救援中的應(yīng)用越來(lái)越受到重視。無(wú)人機(jī)具有造價(jià)維護(hù)成本較低、起降靈活、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，目前在水上救援中已應(yīng)用在人員定位搜救、遠(yuǎn)距離視頻傳輸、投放定位和醫(yī)療救助設(shè)備等多方面，承擔(dān)了監(jiān)控、探查、尋找等工作。例如在收到海上人員落水報(bào)告后，無(wú)人機(jī)能夠從最近的救援船艇上起飛，第一時(shí)間從空中發(fā)現(xiàn)并定位遇險(xiǎn)人員的具體位置。

但從定位遇險(xiǎn)人員到救援船艇抵達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，可能需要很長(zhǎng)的時(shí)間，期間無(wú)人機(jī)若能向遇險(xiǎn)人員拋投救生圈等器材，可大大提高其獲救的成功率。當(dāng)然救生圈拋投的精準(zhǔn)性也至關(guān)重要，遇險(xiǎn)人員水中活動(dòng)能力受限，如果救生圈拋投后離遇險(xiǎn)人員太遠(yuǎn)，將無(wú)法起到救生能力，因此本文著重研究分析了適用于無(wú)人機(jī)的救生圈精準(zhǔn)拋投方案。

2.現(xiàn)有空投方案分析

自人類(lèi)發(fā)明航空器以來(lái)，從航空器上拋投物體已被廣泛應(yīng)用在軍事、民用等各個(gè)領(lǐng)域。下文將挑選多種典型的空投方案，詳述其步驟，并分析其應(yīng)用于無(wú)人機(jī)拋投救生圈的可行性，以及實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)拋投時(shí)會(huì)遇到的挑戰(zhàn)。

2.1 降落傘拋投

這種方式最早在軍事領(lǐng)域被用于從大型固定翼運(yùn)輸機(jī)中拋出貨物和載具等，可分為低空拋投和高空拋投。

2.1.1 低空拋投

在低空降落傘拋投中，首先固定翼運(yùn)輸機(jī)會(huì)下降至離地100米以下的高度，提前打開(kāi)后貨艙門(mén)，將緊縮的降落傘拋出至貨艙外。當(dāng)運(yùn)輸機(jī)到達(dá)預(yù)定的空投點(diǎn)后，完全打開(kāi)降落傘，此時(shí)降落傘受到的空氣阻力遠(yuǎn)大于固定貨物的約束力，因此貨物被拖拽出貨艙，完成與運(yùn)輸機(jī)的分離，貨物落地滑行后降落傘繼續(xù)起到減速緩沖的作用。

在給定空速和高度后，這個(gè)方法被證實(shí)具有相對(duì)較高的精確性，90%的貨物著陸在預(yù)定撞地點(diǎn)25英尺（7.6米）的范圍內(nèi)。當(dāng)然需要強(qiáng)調(diào)的是，這一方法是為重量為500-2000磅（226-907千克）的貨物設(shè)計(jì)的，而當(dāng)利用固定翼無(wú)人機(jī)在視距外拋投救生圈時(shí)，由于此方法需要非?？拷妫绾卧跓o(wú)預(yù)先計(jì)劃的條件下，保證無(wú)人機(jī)從巡航高度快速接近目標(biāo)水面、拋投后及時(shí)爬升而不墜毀，是個(gè)不小的挑戰(zhàn)。

2.1.2 高空拋投

在高空拋投中，當(dāng)運(yùn)輸機(jī)達(dá)到預(yù)定空投點(diǎn)后，首先打開(kāi)貨物尾部的引導(dǎo)傘，進(jìn)而拉開(kāi)主降落傘，使貨物在著陸前能緩慢下落。在軍用領(lǐng)域中此方法能拋投的貨物重量遠(yuǎn)低于前者，加上空中降落傘受陣風(fēng)影響，精確度較低。實(shí)際案例說(shuō)明運(yùn)輸機(jī)的飛行高度需要低于660米，否則空投將會(huì)散落在各處，甚至飄到數(shù)十公里遠(yuǎn)的地方。而用固定翼無(wú)人機(jī)空投時(shí)，由于拋投的物體重量非常輕，在用降落傘下落的過(guò)程中，陣風(fēng)產(chǎn)生的影響更大，這將使精確度進(jìn)一步降低。

圖2 高空拋投示意圖

圖3 滑索拋投示意圖

圖4 水平空投示意圖

圖5 俯沖空投示意圖

圖6 跳躍空投示意圖

以上是兩種使用了降落傘的經(jīng)典拋投模式，對(duì)固定翼無(wú)人機(jī)空投的應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值，但仍需解決低空飛行的安全性問(wèn)題，或者降落傘落下時(shí)的精確度問(wèn)題。

2.1.3 高空自主制導(dǎo)空投

為了解決上述高空拋投模式中所遇到的精確度問(wèn)題，可在降落傘上加裝自主操控系統(tǒng)。軍用領(lǐng)域例如GDS系統(tǒng)，它加裝了GPS制導(dǎo)設(shè)備，并利用無(wú)人機(jī)上的監(jiān)控設(shè)備，為翼傘投送系統(tǒng)編程，可自主克服下降時(shí)的陣風(fēng)，向目標(biāo)飛去，投放精度達(dá)30米。

民用領(lǐng)域在物流無(wú)人機(jī)上，也有案例在翼傘系統(tǒng)中加裝了微控制器、三軸加速度、陀螺儀、氣壓傳感器等，通過(guò)各種傳感器參數(shù)實(shí)時(shí)計(jì)算并預(yù)測(cè)期望值，對(duì)翼傘進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)空投。

圖7 懸停空投示意圖

對(duì)于這類(lèi)自主制導(dǎo)的空投控制系統(tǒng)，雖可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)空投，但考慮到其控制系統(tǒng)的復(fù)雜性已經(jīng)接近于一臺(tái)微型無(wú)人機(jī)，成本較高，重量上連同待拋投的負(fù)載，也遠(yuǎn)超普通固定翼無(wú)人機(jī)的負(fù)載上限，因此尚不適合廣泛地應(yīng)用在無(wú)人機(jī)水上救援中。

2.2 滑索拋投

這一方法利用一端粘貼在固定翼航空器上的繩索來(lái)空投負(fù)載，其原理如圖3所示。

固定翼航空器拖著一根線纜在目標(biāo)地區(qū)上空盤(pán)旋，這一結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性會(huì)使線纜另一端自然向盤(pán)旋圓心接近。當(dāng)線纜末端觸碰地面時(shí)，末端上的錨釘確保其固定在陸地上；或者線纜末端接觸水面后，利用末端高阻尼材料使其在水中基本靜止。當(dāng)線纜的拉力重量比足夠高、線纜末端重量足夠大時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)將保持動(dòng)態(tài)穩(wěn)定，使得機(jī)載的物品可沿線纜滑降至地面或水面。

如果要將此方法運(yùn)用在固定翼無(wú)人機(jī)上，可以嘗試將救生圈放于線纜末端，起飛前將線纜卷縮在機(jī)艙內(nèi)，當(dāng)飛抵目標(biāo)水面上空開(kāi)始盤(pán)旋后放開(kāi)線纜，使末端逐漸接近水面。這一方法的缺點(diǎn)是在以無(wú)人機(jī)盤(pán)旋軌跡為圓底、線纜末端為頂點(diǎn)的倒圓錐形空間內(nèi)，不能有任何障礙物，否則可能會(huì)纏住線纜，使拋投失敗，甚至拉扯無(wú)人機(jī)導(dǎo)致墜機(jī)。

2.3 空中釋放并自由下落

這類(lèi)方式最早在軍事領(lǐng)域被用于從固定翼戰(zhàn)機(jī)中空投炸彈，具體可細(xì)分為水平空投、俯沖空投和跳躍空投等。

2.3.1 水平空投

水平空投是指固定翼飛機(jī)在巡航高度保持與水面平行，在飛抵目標(biāo)正上方之前，通過(guò)計(jì)算提前釋放拋投物，使其沿著拋投軌跡自由下墜，最終落到預(yù)定目標(biāo)位置，具體示意圖如圖4。

如果無(wú)人機(jī)選用這一方式拋投救生圈，在實(shí)際執(zhí)行時(shí)需要精確計(jì)算出固定翼無(wú)人機(jī)在巡航高度上的釋放位置。被釋放后救生圈的下落運(yùn)動(dòng)，可抽象為一個(gè)具有水平初速度的平拋運(yùn)動(dòng)，它在豎直方向上受重力和空氣阻力，而水平方向上僅受空氣阻力，因此可通過(guò)設(shè)計(jì)理論模型來(lái)計(jì)算下落時(shí)長(zhǎng)和水平位移，并不斷優(yōu)化，從而推算出最佳釋放位置。

2.3.2 俯沖空投

在軍事歷史上，為了達(dá)到比水平空投方式更高的精確度，出現(xiàn)了俯沖空投方法：首先固定翼飛機(jī)從較大高度接近目標(biāo)上空，隨后邊瞄準(zhǔn)邊以超過(guò)60°的角度向其俯沖，在釋放拋投物后，固定翼飛機(jī)隨即拉起機(jī)身飛離，而拋投物則以接近直線的軌跡下落至目標(biāo)。

這一方式幾乎將原本水平空投中的水平初速度減小為零，因此大大提高了精確度，具體示意圖如圖5。

這一方式會(huì)遇到的最大挑戰(zhàn)是固定翼飛機(jī)從俯沖狀態(tài)改出時(shí)要承受極大的過(guò)載，雖然無(wú)人機(jī)系統(tǒng)免除了飛行員在過(guò)載中暈厥的問(wèn)題，但無(wú)人機(jī)機(jī)身仍要承受這些過(guò)載。目前民用固定翼無(wú)人機(jī)一般將最大俯仰角限制在35°左右，離實(shí)施俯沖空投還有較大的差距。

此外，無(wú)人機(jī)在這一方式下需要通過(guò)機(jī)載攝像機(jī)和圖傳瞄準(zhǔn)遇險(xiǎn)人員，而用于瞄準(zhǔn)的時(shí)間受限于俯沖高度，如果在一次俯沖中未能及時(shí)瞄準(zhǔn)，只能放棄本次俯沖空投，拉升復(fù)飛后嘗試下一輪俯沖空投。

2.3.3 跳躍空投

跳躍空投專(zhuān)用于在水面上實(shí)施拋投，它和2.1.1節(jié)中介紹的降落傘低空拋投相似，只是去除了降落傘的緩沖。實(shí)施這種空投時(shí)，固定翼飛機(jī)需要提前下降至接近水面的高度，釋放拋投物，由于具備一定的水平初速度，拋投物接觸水面后會(huì)經(jīng)歷多次跳躍后停止，具體如圖6所示。

這一方法面臨的挑戰(zhàn)與降落傘低空拋投相似，即在無(wú)預(yù)先計(jì)劃的條件下，很難保證無(wú)人機(jī)從巡航高度能快速接近水面、拋投后能及時(shí)爬升而不墜毀。

2.3.4 懸?？胀?/p>

懸?？胀妒侵感盹w機(jī)在飛抵目標(biāo)正上方后先懸停，隨后緩慢下降高度，同時(shí)保證沒(méi)有較大的水平位移。在到達(dá)合適的高度后釋放拋投物，使其自由下墜并最終落到預(yù)定目標(biāo)位置，具體示意圖如圖7。

這一方法比較容易控制拋投的精準(zhǔn)度，與水平空投類(lèi)似，拋投物被釋放后的運(yùn)動(dòng)，可抽象為一個(gè)受到空氣阻力的下落運(yùn)動(dòng)，它在豎直方向上受重力和空氣阻力，而水平方向上僅受空氣阻力，因此可通過(guò)建立理論模型來(lái)計(jì)算下落時(shí)長(zhǎng)和水平位移的關(guān)系，并進(jìn)一步計(jì)算出在不同風(fēng)速下符合精準(zhǔn)度要求的最大釋放高度。

圖8 兩棲復(fù)合翼無(wú)人機(jī)原型

3.結(jié)論

上文羅列了現(xiàn)有航空器拋投的多種典型方案，并分析了它們應(yīng)用于無(wú)人機(jī)精準(zhǔn)拋投救生圈的優(yōu)勢(shì)與挑戰(zhàn)，總結(jié)如下：

各類(lèi)降落傘拋投方案，因?yàn)轱w行安全風(fēng)險(xiǎn)大、拋投精準(zhǔn)性過(guò)低或控制系統(tǒng)過(guò)于復(fù)雜等原因，尚不適合應(yīng)用到無(wú)人機(jī)精準(zhǔn)拋投救生圈上；

滑索拋投因有線纜被纏后拉扯無(wú)人機(jī)的安全風(fēng)險(xiǎn)，當(dāng)前也不適合用到無(wú)人機(jī)精準(zhǔn)拋投救生圈上；

空中釋放并自由下落的方案中，水平空投方案適用于固定翼無(wú)人機(jī)，而懸停空投方案適用于旋翼無(wú)人機(jī)。但在實(shí)際應(yīng)用中，兩者都需要預(yù)先建立理論模型來(lái)計(jì)算救生圈下落時(shí)長(zhǎng)和水平位移，從而推算出最佳釋放位置或最大釋放高度，以達(dá)到精確拋投的目標(biāo)，這也將是后續(xù)研究工作的重點(diǎn)。

4.對(duì)兩棲復(fù)合翼無(wú)人機(jī)的展望

現(xiàn)有民用陸基復(fù)合翼無(wú)人機(jī)結(jié)合了旋翼無(wú)人機(jī)的垂直起降和懸停能力，以及固定翼的巡航能力，其在實(shí)施救生圈拋投上具有很大的潛力：當(dāng)發(fā)現(xiàn)遇險(xiǎn)人員后，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，選擇水平空投或懸?？胀?，以提高拋投的精準(zhǔn)性。但也同樣會(huì)面臨挑戰(zhàn)：目前民用復(fù)合翼無(wú)人機(jī)以旋翼模式飛行時(shí)，會(huì)在短時(shí)內(nèi)消耗較多能量，在懸停空投中，無(wú)人機(jī)要執(zhí)行懸停、下降、拋投、爬升、飛離各個(gè)動(dòng)作，可能導(dǎo)致能量消耗殆盡而掉落于水中。

未來(lái)當(dāng)出現(xiàn)了成熟的民用兩棲復(fù)合翼無(wú)人機(jī)后，將帶來(lái)全新的救生圈精準(zhǔn)拋投方案：兩棲復(fù)合翼無(wú)人機(jī)可在遇險(xiǎn)人員上空懸停后垂直降落在附近水面上，再以船只形式逐漸靠近遇險(xiǎn)人員，在其身邊釋放救生圈，并陪伴在人員附近，直至救援隊(duì)伍抵達(dá)，這將進(jìn)一步提高落水人員的救援成功率。