中国无人机南极科考实验

中国无人机南极科考实验 中国无人机首次南极科考实验实录（节选） --王挺 5.1 概述 无人机在南极现场的实验工作，由于是陌生的地域恶劣的环境，加上科考工作 对于一切实验顺利的渴望和风险的规避，需要预想各种可能出现的问并制定周 全的解决。同时在实验的安排上，需要注意循序渐进的，力求达到预期 实验效果并尽可能减小风险和损失。 5.2 样机的国内飞行实验 07年7月至9月的三个月时间，项目组完成了四架飞机和两套地面站的集成， 并且在保定江城机场和北京郊区分别完成了空机的试飞和自动驾驶试飞测试工 作。在全真模拟试飞中，每架飞机都搭载了与该传感器相等重量的配重铅板，同 时搭载数码相机和图像链路，实现全状态飞行。 在最后一个多月的试飞时间中，四架完整集成的飞机均完成了可靠性全状态 试飞，两套地面站也分别联机调试正常；其中两架飞机实现了150米高度1.5小时 航时的续航飞行，充分验证了长时间低高度飞行的高度稳定性能。全载重状态下 混凝土路面的滑跑起飞距离，采用电子点火发动机的是20～25米，采用磁电机发动机的是35到50米。降落滑跑距离60～100米。 试验结果显示飞机具有良好的飞行性能，起飞距离小于50米，可以实现长时间低空飞行，自动驾驶仪控制性能稳定。实验重复性好，每套飞机系统在试验场 地拆箱组装后即可飞行，无需每次飞行前进行更多调试，可以保证一个人完成所 有操作。系统的整备情况适合一个人在南极进行远离考察站站区的飞行实验工 作。 项目时间紧迫，无法在国内寒冷气候下实施实验，也无法测试飞机在冰雪面 的起降能力，仅仅进行了电子设备和发动机的冰箱状态低温实验； 红外辐射计到货很迟，无法全部飞机实验 5.3 南极现场科考飞行实验 5.3.1 实验方案的选择和实施安全计划 极地科考条件下无人机系统的使用和维护主要面临任务重、气象条件复杂、 温度低、系统庞大而配置人员少等突出问题。对于要完成的海冰观测任务，在系 统上船前就进行多次的演练，在北京周边地区完成超低空的长时间远距离自动飞 行，模拟海冰观测任务，以便在出发前做到技术娴熟、流程清晰、预案充分。 对于复杂的气象条件，要摸清本套无人机系统的适用范围和调整技巧。通过 地面测试估计得到飞机平台的最大抗风能力和飞行品质，针对本平台的飞控参数 进行精细调整，设定各种状态下的非线性参数，确保在大风条件下，飞行器顺风、 逆风、转弯和高度改变时的飞行品质和导航精度。 制定严格的使用操作规程和多个安全应急预案和策略，使得无人机平台具有 很高的可靠性，避免飞丢和坠机事故。为完成飞行任务，配备多套无人机系统和 易损器材的备件，在上船前对问题进行充分的估计，进行严格的出发前检测。 研究适合海冰观测的飞行与航路规划方法，通过研究大风条件下的气动特性 和飞控规律，克服在侧风条件下的超调和逆风条件下的振荡，得到更为平稳的飞 行轨迹；试验全自主飞行模式（UAV），实现有关航路信息与航拍图像、红外数据 的匹配和融合 通过前期地面试验的反复测试，提高整个系统的自动化程度，对参试关键人 员进行强化培训，使得他同时成为飞机操纵手和地面站控制员，实现1个人就能够完成系统的使用。 整个实验飞行采用预编程的全自动驾驶模式，即飞行器完全按照事先编制的 作业航线飞行，获取海冰的高程信息。自动驾驶仪记录飞行轨迹的GPS坐标，并同时记录红外辐射计记录的温度数据，这些信息记录在飞机上的数据记录仪中。 在正式观测作业开展前，可用仅搭载图像系统的空机模式对观测区域内海冰的情 况进行拍摄估计。海冰观测预计采用的自主飞行梳状航线如下图所示。 南极现场的实验飞行活动从07年12月23日开始持续到08年1月2日共11天时间。实验地点经过评估了中山站站区周围的地形分布情况和冰雪面的覆 盖情况，参考等高线地形图和卫星照片并经过实地考察，选择在俄罗斯进步一站 附近一块由大冰盖延伸出来的冰雪面上。此处冰面高于陆地2～5米，成3度斜坡状延伸。冰面上有20厘米左的软雪面。冰面上有原内陆冰盖考察队留下的三 个生活及发电舱，可以做为野外环境的支撑条件，支持开展了现场实验工作。下 图显示了实验所在的位置和环境情况。 中山站 实验场地 2007年12月23日下午2：30实验人员到达位于进步一站的实验场地，开始在南极展开实验工作。具体实施细节如下： 23日下午，主要是完成飞行前的所有准备工作。八个箱子的试验设备经过了 一个多月海上的颠簸和直升机的空运今日刚刚抵达了实验场地，需要非常彻底的 检查系统的完好性。 用4个小时时间，完成一套没有安装在飞机上的自动驾驶仪器的调整工作。 目的主要是在地面测试了针对南半球和高纬度特点而重新改写的导航程序的逻 辑正确性，同时完成了所有机上和地面用电池的充电准备工作。早前在编写导航 程序时，由于都是考虑到国内的北半球中纬度情况使用，大家采用了简化的大地 平面坐标系，并且没有考虑维度数值的正负号问题。此次针对南极高纬度应用， 重新编写的球面坐标系导航体系仅仅经过国内的仿真验证，需要在南极实地地面 测试方可确保可靠。另外中山站位于南磁极的西南方向，从海图上获知当前这里 的罗差为71度，需要重新修订导航系统中电子罗盘的差角并重新校准方可使用。 在地面一千米内沿着东西走向和南北走向分别手持自动驾驶仪行走，导航数据和 实际运动航向吻合，导航逻辑正确。 5.3.2 实验航线的设定和风险规避 24日，开始通过地面站为一架无人机设定航线。根据从简到难的实验规划， 这次设定了三条航线分别是500米边长四边形测试航线、飞往中山站的超视距测 试航线、实际探测冰温的超低空海冰面飞行航线，以方便根据实验进度逐步推进。 航线的设置，需要确保不会受到周边山峰的影响；因此翻阅了中山站所在协和半 岛的地图资料，确保航线高度在山峰高度之上，并且避免山峰处于航线正下方。 下午装好了一架没有任何实验设备的空飞机，用来准备测试这里的起飞降落 条件，包括跑道长度、雪面摩擦大小、雪面坡度情况以及降落进场航线安全性等。 25日，是西方圣诞节。下午4点钟，笔者首次试飞了采用电子点火发动机的 不带有实验设备的飞机，整个飞行过程持续12分钟，安全降落。此次空机飞行目的主要是测试了飞行能见度的距离、飞机降落过程中进场高度和位置、起降滑 跑距离以及发动机工作稳定性等，飞行顺利。在手动飞行的过程中我测试了尽可 能远的飞行距离来测试能见度对飞行的影响。飞行情况证明这个实验场地的空域 和冰面情况能够适合飞行实验的要求，周边的山峰也基本不会对飞机起降造成太 大的威胁。 试飞完成后，利用下午剩余的时间又测试了另外一架采用磁电机点火的发动 机飞机，在地面设备全开机状态下试车30分钟，发动机工作稳定，自动驾驶仪 工作正常，地面站通讯畅通，整机状态良好，但没有试飞。晚上6点返回中山站修整。 5.3.3 全自动飞行实验 26日返回进步一站实验场地后，开始准备自动驾驶飞行。此次飞行飞机采用 的是磁电机点火的发动机，比电子点火的那款发动机功率小30%，但是工作更为稳定、震动小且耗电量更低。由于试飞的是没有搭载红外辐射计的空机，飞机内 搭载了相当于红外辐射计重量的铅板作为试飞的配重。下午，该机完成了搭载相 机和图像传输设备的首次40分钟自动驾驶飞行。飞机自动驾驶绕预先设定的四 边形航线飞行，并且测试了变化高度的航线，完成飞行后手动安全降落。 这次自动驾驶飞行期间遇到了地面站笔记本电脑死机的危险情况，好在自动 驾驶飞行时地面站只起到遥测作用，采用重新启动电脑和地面站程序排出了险 情。同时机载摄像头在有雪面背景的情况下无法聚焦，拍摄效果非常不理想，因 此决定更改方案，在此后的飞行中采用直接机载磁带摄像机，不再实时传输视频 图像。 27日，更进一步加大实验难度的飞行，首次试飞了低空飞越中山站站区的超 视距航线。该航线最远距离起飞点3.6千米，飞行高度300米，飞跃了进步二站 和中山站站区。完成了两个架次的飞行，首次调整了相机的航拍设置，完成对中 山站和进步站的航拍作业。两次飞行证明飞机系统稳定可靠，可以进行难度更大 的试飞工作。 5.3.4 海冰温度观测飞行实验 28日下午，首次搭载了5千克铅板做为配重，为搭载红外皮温传感器做准备。 此次试飞首先飞了四边形航线，在确认搭载配重后飞行没有问题后，切换进入了 150米低空海冰探测的试飞航线。该海冰试飞航线高度150米，总长度15千米， 最远距离起飞点9千米，自动驾驶飞行时间10分钟。期间由于高度太低山峰阻挡，有8分钟时间是没有数据回传的，风险很大，如果出现坠机残骸都不可能找 到。全程飞行证明150米高度的这个海冰航线是安全的，可以进行搭载科学载荷 的飞行。 29日，在28日实验的基础上，将配重更换成真正的传感器，完成了两次探 测海冰温度的实际飞行。飞行过程中搭载了红外辐射计、照相机、摄像机、数据 记录仪和手持GPS。第一架次飞行，按照28日已经飞过的航线飞行，在实现实 验目的基础上确保实验的风险最小。第二个架次，增加了航线的复杂性，使得在 海冰上空飞行的航线达到25千米，自动驾驶飞行时间达到15分钟，并且按照扫描方式沿着经线方向飞行，目的是测量同一经度不同维度的冰温的变化。两次飞 行采集了和位置相匹配的冰面皮温数据，并拍摄了显示冰况的视频。 5.3.5 站区冰况的航拍实验 2008年1月1号元旦节，在已经完成了测量冰温的航拍任务的情况下，此次 飞行设定了一个航拍中山站站区周边冰况的任务，同时获得清楚的站区航拍照 片。在划定了一条扫描航线后，无人机再次起飞，顺利完成了两次飞跃中山站的 航拍航线，拍摄600多张照片。 5.4 小结 从应用的角度考察了无人机系统研发完成后进行的飞行实验及所获得的结果，包括国内 的样机测试性质的飞行实验和在南极实地展开的科考性质的飞行实验。在国内进行的样机飞 行实验验证了系统的可靠性和实用性；在南极的飞行实验测试了小型无人机系统的飞行性能 并进行科学数据的采集，圆满地完成了极地海冰观测科考任务应用示范，获得了冰温观测数 据和航拍的影像资料，成功实现了中国小型无人机首次在南极地区的科学考察。