7、智械计划

Warning SCI009:本章节存在大量其他领域专业知识

【注】本章节属于设定内容，涉及大量专业知识，但不影响剧情推进，请酌情阅读。

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《科研社智械计划规划文件》

【190927A修改版本】

鉴于当前科研社所面临的局势和任务需求，发展以无人机为主要力量的智械计划应该被提上日程，并且被严肃地考虑。

考察分析过科研社的需要，当前所敲定下来的智械计划包含的主要项目有:

A:两架重型运输无人机

B:两架中型通用无人机

C:不少于六架微型侦查无人机

第一部分:无人机相关技术指标

重型运输无人机项目（下简称A项目）技术要求如下:

有效载荷达到6kg以上，空载航程可以达到10km，满载航程可以达到5km，一次满载投送（一趟满载一趟空载）的半径至少达到3km。

留空时间至少在二十分钟以上，最大飞行速度不得低于24km／h，允许折叠携带。

拥有视距外飞行能力。可以通过GPS进行预设轨迹飞行和返航，拥有摄像头允许操作人员通过直接观测的方式定点投送有效载荷，包括货物，包裹等。对航拍等功能暂不做要求。

论证与方案敲定:

采用六旋翼和八旋翼的方案A2，A3，由于旋翼数量多，起飞重量大，必须采取大直径桨叶。这样一来导致桨间距提高，所需的机架尺寸变大，导致重量急剧上升，反而不能达到要求。最终是采用四旋翼+15寸桨的A1方案满足了任务需求。

在续航力方面，优化了电机和电池组合的A8在理论计算上拥有优势。但是A9采用的先进电调+减重电机的方法也同样满足技术需求。最终确定的方案认为无论是电调还是电机都是必要的，并且在动力上拥有更大的冗余将使执行任务的能力更加完善。

关于如何投送有效载荷方面，所有的方案都认为我们需要一个可靠的夹具来负责释放和固定，只有A7采用的是抓钩的结构，理由是能够更好的从地面回收需要的东西。但是鉴于任务条件，多数情况下不需要利用A系列无人机在没有人的情况下从地面回收物品，因此A7被抛弃了。不过尽管如此，设计一个模块化的抓钩系统的工作仍然应该展开，为防范可能出现的状况。

另一个问题是周界环境感知。A8和A4都提出使用云台和一台相机来完成这个任务。而在A3中提出的将摄像头直接固定在机身上却是一个更有吸引力的方案。因为云台和相机系统重量常常接近一市斤，且需要更加复杂的飞行控制程序，因此采用云台是得不偿失的。而如果仅仅使用几个400万像素左右的固定摄像头来获得周围视角，用几十克甚至更少的质量就可以达到感知的效果。

飞行控制程序则使用APM或PixHawk等开源飞控，这从各个角度来看都是合理的选择。

鉴于我们暂且没有技术能力在飞行器内部内置有关的控制系统使其能够完成航点飞行，环绕飞行等等功能，这些功能应该由地面控制站负责完成。关于地面站的建立详见地面站部分。

先进中型通用无人机项目（B项目）技术指标:

在搭载云台与相机的情况下仍然可以拥有大于500克的有效载荷，标准状态下航程10km以上，满载情况下航程6km以上。任何情况下留空时间不得低于十五分钟。

标准状态下最大飞行速度不得低于50km／h，满载情况下最大飞行速度不得低于40km/h。

视距外飞行能力，环绕飞行，航点飞行能力，可以提供稳定的航拍或其他需要空中稳定平台的服务，包括空中打击，空中侦查，目标指示，轻型载荷的空运空投等等任务。

论证与方案敲定:

显然地，大疆系列无人机是这一方案最佳选择之一。然而在需要更多拓展功能的情况下，闭源的大疆系列在特殊任务需求情况下极其棘手。因此大疆系列的方案被遗憾的放弃了。

方案B3，B5以牺牲航程的方式，采用更轻的电池和更大的电机来取得超过一公斤的有效载荷和接近80km/h的最高速度。但我们认为相比于续航力，最高速度和有效载荷是次要的指标。不同于以运输为目的的A项目，B项目不仅要考虑到最大续航半径，更要考虑在任务区域的留空时间，时间太短则不能完成任务需求。

在空中侦查方面，B系列无人机被硬性要求可以携带相机和云台，但是在方案B1，B6，B7中，都提出了使用更轻，精度更低的云台和相机，来换取更大的有效载荷和航程，B1方案还提出采用模块化设计，针对不同任务携带不同的精度的器材。针对这些问题，我们认为为了换取航程，牺牲一些摄影精度是可以的。但是模块化设计则完全没有必要，在时间上和成本上也承担不起。

关于使用B系列进行火力打击的问题经过多次讨论。采用射弹类武器，若以动能杀伤为破坏手段，不管是采取火药动力，压缩气体动力或者电磁动力，其发射装置势必需要巨大重量，并带来强大的后坐力，可能导致失控。而在规定载荷以内的动能武器，则一律对任何目标都造不成威胁。

若以化学能弹头为主要破坏手段，如火箭，导弹等，也不现实。首先，我们没有制作导弹的技术能力，若采取火箭弹，受限于载荷和体积，其战斗部质量将会非常小，再考虑到极低的精度，火箭弹也不是一种能够有效实用的武器。

采用能量打击武器，如微波，激光和电击，受制于体积和重量，都完全没有可行性。

因此，只剩下一种最为古老，传统的方式——自由落体炸弹。这种临空投放的无制导炸弹将可以一枚携带数十，上百克炸药，一次携带多枚。甚至可以选择燃烧弹，烟雾弹等等特殊弹种，以应对不同的目标。

当然，这种方式也是有缺点的，第一需要临空轰炸，第二就是炸弹下落较慢，难以命中移动目标。但是这是驱散大群敌人的一个良好选择。

关于火力控制方面，由于放弃了射弹类武器，不需要制作弹道表格或者建立弹药的动力学方程。因此编写火控程序的难度大大降低。鉴于无人机操纵完全由主动飞行控制系统管理，因此为进行最简单的飞火交联提供了条件。投掷炸弹可以采用热线射击的模式，若要精确的投掷炸弹，只需要从飞机的惯性导航系统里面抽出飞机的角线加速度，再确定高度即可在终端由程序计算出落点，并显示在终端屏幕上。

B系列无人机执行目标指示任务的需求与航拍基本相同，只不过要求更高的精度。B5方案提出了利用额外的控制系统分别控制云台和激光指示器，但是很显然我们并不需要这样做。

空运空投系统与A系列无人机基本类似，B系列无人机将可以在任务开始之前模块化组装各种任务载荷。

微型侦查无人机项目（C项目）

C项目是智械计划里面最简单的一部分，也是应该被最早实现的部分。C系列无人机的任务仅有航拍，且不要求高的精度。唯一的难点在于，C系列被要求具有强大的隐蔽能力。

方案论证与敲定:

事实上，C系列无人机的方案仅仅是在淘宝上找了几家店铺就决定了的。C系列无人机的体积要求尽量小，噪音尽量轻，同时航拍画面不能太过模糊。在最后，我们选择了一款玩具级别的无人机，它的长宽高都只有几厘米，小到可以放在口袋里或者手心里。额外配备了静音桨叶来减小噪声，虽然对马达声仍然没有什么办法，但是在一定距离上它几乎无法被发现。另外，它甚至可以通过手机直接控制。一款可消耗，方便携带，具有基本航拍功能的无人机——这就是我们所需要的C项目。

第二部分:地面站的建立

我们主要使用的地面站系统包括两种，手机地面站和固定地面站。手机地面站暂且不用多说，只需要添加一个蓝牙收发模块和数传电台就可以了，这些设备都可以直接插在手机上，即使在电磁环境复杂的情况下也可以做到对无人机的有效控制。需要解决的问题主要是火控软件不太方便整合到手机地面站的控制软件里面。

第二个比较重要的部分是建立一个较专业的固定式地面站。包括计算机，数传图传，电台等等。目前这些设备都可以设立在学校里面，另找一个房间即可。固定地面站应该能够满足在三公里范围以内复杂电磁环境，密集遮挡情况下的图传和操控。由于无人机软件水平限制，航点飞行，寻迹飞行和航线规划等等功能必须由地面站来发布相关的飞行控制数据。当然，即使是固定式的地面站，设计的时候也不是以高度自动化巡航为主要目的，而是为了单人操作多架飞机完成多个任务。这就略微降低了编写地面站使用软件的难度。与手机地面站类似，火力控制系统作为相对独立的一部分，不容易整合到现有的开源飞控里面。因此需要选用合适的开源系统，尽可能降低编写难度。

固定地面站不仅可以作为一个C4ISR中心，还可以作为一个出发平台。所有的无人机都可以停放在这里，需要时发送出去执行任务，这样既保证了无人机航程的充分利用，又免去了携带无人机的麻烦。地面站的坐标可以十分精确的记录下来，如需返航可以由飞控程序选择最佳路径精确返回。发送时也可以通过编写程序直接从机库中飞出，由于不受风的影响，可以直接使用姿态模式起飞离开机库，惯性导航系统在前数分钟之内定位精度可以精确到厘米，甚至可以做到从室内起飞穿窗飞到室外。然后再切换为GPS模式奔赴任务地点。

三:通讯保障与故障保护

由前两个方案可以很明显地看到，它们的成功实现都需要强大的数据链支持，无论是数传，图传还是GPS信号，指挥控制等等方面都需要稳定，不间断的信号支持。一旦信号中断哪怕几秒钟，或者信号出错，都会造成严重后果。

首先是GPS信号的质量保障，GPS信号作为一种微弱的高频信号，其穿透，绕射能力差，地面功率密度低的特点让它成为上文中几种信号里面最不稳定的一种。然而它又偏偏是最重要的，没有GPS信号，仅凭惯性导航系统将完全无法胜任精确导航的任务，所谓航点飞行等等都将无法实现。更糟糕的是由于飞机本身并不搭载高级飞控软件，仅有常规的增稳系统，所有飞行控制全部在地面站进行。因此一旦GPS丢失，就等于地面站不知道无人机在哪里了。这时地面站人员将会处在对情况完全两眼一抹黑的状态。

针对这种情况，解决途径目前主要有两个。第一是设法增强GPS信号，第二是利用额外的一套定位导航系统在GPS不能发挥作用的复杂环境下，如室内，巷道，大量高楼云集的地方建立临时定位网络，通过确定地面定位系统的大地坐标和无人机与地面系统的相对位置读出无人机的大地坐标。

首先考虑的是临时定位系统。目前较为可靠成熟的是利用室内定位系统。目前能完成米级至亚米级定位精度的技术主要有超声波，红外线，超宽带技术。超声波系统主要存在反应慢，定位精度不高，室外使用很容易被环境背景噪声干扰的问题。这几个致命的缺点使得它不可能用于无人机的定位。红外线系统必须在视距内工作，且需要一直连续不断地跟踪目标。考虑到可能出现的多机编队等等情况，显然我们不能做到让我们的定位系统拥有边跟踪边扫描（TWS）模式，并且红外线定位如果有遮挡就不能工作。因此也不是一个什么好的方案。

有一点可行性的是超宽带技术。但是其纳秒和亚纳秒级别的授时精度和UHF以上的高频脉冲带来了居高不下的价格。通过五个基站可以定位多个标签的三维坐标，精确到亚米级，这没有问题。但是其成本让我们无法承受。

综上所述，目前现有的短距离定位系统都没有办法适应无人机定位速度快，电磁，音响环境复杂，遮挡物多的情况，或是因为成本过高无法实现。采用备用一套便携定位器材来应对GPS信号不好的情况完全是得不偿失。

其二就是加强GPS信号。GPS转发器已经是很成熟的技术了。然而，即使是转发器，其自身也必须处在GPS信号良好的地方才能工作。目前有两种方案来使用GPS转发器，一种是由人力携带，但在天空中飞行的无人机信号尚且不能满足需求，在地面上就更无法想象了。即使使用更大的天线，拥有了更高的精度，也不见得收的到更好的效果。第二种是将GPS转发器放在运输无人机上，可以采取“2+1”的编队模式，一架运输无人机飞在较高空提供数据链保障，两架通用无人机在低空执行任务。或者可以采取一机带GPS一机带有效载荷的模式。然而，大部分时候我们并不知道何时何地GPS信号会突然变糟，即使我们拥有增强措施，除非做到每次都带上转发机，不然仍然难以防范GPS信号丢失问题。

一个折中的方案是，在无人机上携带更大的天线，并且在地面上使用一套车载GPS转发系统来尽可能提高信号强度。

图传和数传由于采用2.4GHZ和5.8GHZ，穿透能力好，一般不需要额外加强。

【科研社智械计划进展情况】

C项目已经与近日完成，A项目与B项目所需的机架结构等将于近几日陆续采购完毕并抵达。所有方案已经敲定，但软件编写将会是之后需要投入大量时间和精力的领域，建议将这些工作交由新社员来做。

预计剩余完成时间:74天（约170个工时）

附录:

A1A2A3A4A7A8A9号方案的设计图纸及其他有关资料。

B1B3 B5B6B7号方案的设计图纸及其他有关资料。

重型运输无人机方案最终稿

先进中型通用无人机方案最终稿

注:A5，A10号方案已经并入A8，A6在设计之初即被放弃。

B2，B4分别并入B1，B5。

修改人:徐时行

智械计划

陈曦，徐时行

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