無人機回收及自動充電就技術(shù)研究的國內(nèi)外文獻綜述1.1無人機回收固定技術(shù)的研究現(xiàn)狀隨著無人機的自動降落的實現(xiàn)，降落之后的固定成為該領(lǐng)域下一個需要突破的技術(shù)，尤其針對無人機的海上降落，其停放平臺由于受海面搖擺、風力等因素的干擾，無人機的固定并不像靜止平臺的固定一樣簡單。調(diào)研無人機的回收與固定技術(shù)，發(fā)現(xiàn)早期無人機回收借鑒傳統(tǒng)飛機降落的方法較多，但近年來隨著自動化技術(shù)和理念的應(yīng)用，小型海上無人機的回收不再依靠簡單的借鑒一般艦載機的降落方式，而是涌現(xiàn)出了豐富的新的專門針對小型無人機回收固定的設(shè)計，例如傘降回收法、撞網(wǎng)回收法、推桿回收法、基于傳感器和圖像識別的精準定位降落法等。以下將針對小型無人機回收的方法做一國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析，大致經(jīng)歷了如下幾個階段：跑道回收法：早期的無人機回收參照飛機降落的跑到回收法和加入鉤鎖的阻攔回收法，由于小型無人機的質(zhì)量和著艇速度遠小于一般艦載機，因此其跑道回收的減速制動很容易，做到單純的降落停止較為容易。早期的跑道回收法具有以下特點：1）跑道回收法主要用于大型飛機和艦載機的降落，由于小型無人機其體型小的緣故，回收精度成為該技術(shù)的主要挑戰(zhàn)，且該方式僅在海上風浪較小的情況下可行。對于鎖鉤等設(shè)備和環(huán)境的要求較高【2】?？紤]以上因素，跑道回收法和加入鉤鎖的阻攔回收法并不適合于小型無人機的回收。傘降回收法：傘降回收是無人機回收方式中較為普通的一種，在無人機降落到接近停機平臺時打開降落傘為無人機減速最終降停。利用傘降回收法當通過控制降落傘打開時無人機的發(fā)動機一般會停止工作，依靠降落傘的阻力減速著陸。澳大利亞的軍用無人機BQM-34和Kaikara【3】曾經(jīng)用傘降回收法回收。后在傘降的基礎(chǔ)上衍生出了滑翔傘回收【4】的方法，利用空氣動力學的相關(guān)計算，設(shè)計降落傘的形狀和狀態(tài)，使無人機在降落時展開滑翔傘實現(xiàn)較為合理的減速和降停。英國航天公司BAE研發(fā)的Skyeye無人機、以色列的戰(zhàn)術(shù)偵查無人機Eyeview等無人機都通過滑翔傘回收法回收。傘降回收法具有以下特點：圖1-2傘降回收的BQM-34無人機具有制造結(jié)構(gòu)簡單、使用成本低、包裝后體積小、重量輕的優(yōu)點【5】。對風力等因素的抗干擾能力差，且回收精度太低。不可控因素較多，尤其針對質(zhì)量輕的小型無人機，降落傘的打開易造成無人機完全由降落傘控制下的姿態(tài)的不可控，易造成無人機的翻轉(zhuǎn)和損壞，例如加拿大的CL-89無人機傘降時機身翻轉(zhuǎn)，可能使機翼等重要部件撞擊地面而造成損失。綜上所述，傘降回收法可用于特殊情況下的緊急迫降和無精度要求的無人機降落，但對海上小型無人機的回收并不是較好的選擇。撞網(wǎng)回收法：基于具有彈性的防撞網(wǎng)的回收技術(shù)是較早的針對小型無人機尤其是固定翼無人機的一種重要回收技術(shù)。撞網(wǎng)回收方法追溯其技術(shù)應(yīng)用的淵源，最早出現(xiàn)在美軍中，1896年在依阿華戰(zhàn)艦上的RQ-2先鋒無人機被認為是最早的撞網(wǎng)回收法的應(yīng)用。上世紀七十年代美國的JGBris-ter的天鷹號無人機也進行了撞網(wǎng)回收的實驗【6】；此外其他國家如以色列的eonaucs公司、俄羅斯對圖1-3RQ-2先鋒無人機撞網(wǎng)回收國內(nèi)撞網(wǎng)回收技術(shù)相對應(yīng)用較晚，20世紀90年代相繼有西內(nèi)工業(yè)大學【7】、南京航空航天大學【8】、國防科技科技大學【9】等高校研究機構(gòu)開始研究應(yīng)用。目前國內(nèi)外對于撞網(wǎng)回收法的利用多結(jié)合連桿加彈性網(wǎng)的組合方式，例如雙桿加網(wǎng)、四桿加網(wǎng)、六桿加網(wǎng)的緩沖結(jié)構(gòu)。圖1-4六連桿撞網(wǎng)回收專利示意圖如圖為國內(nèi)較新的六連桿連接緩沖網(wǎng)的回收裝置專利，將六根連桿的上端點和下端點分別連接起來構(gòu)成兩個正六邊形，無人機撞網(wǎng)之后由網(wǎng)帶動的整個結(jié)構(gòu)收縮而達到夾持固定無人機的目的【10】。通過對比分析國內(nèi)外撞網(wǎng)回收法的研究成果和應(yīng)用，裝網(wǎng)回收法主要由以下優(yōu)缺點：首先其優(yōu)點是制作簡單、成本低，占用有效空間小，可隨時移動回收和安裝。無人機撞網(wǎng)后在彈性網(wǎng)的緩沖和吸收下釋放了較大量的動能，可以很大程度上對無人機進行減速。利用彈性網(wǎng)就造成撞網(wǎng)回收法存在由諸多不確定因素導致的缺點，當無人機以較大動量撞網(wǎng)和機體與網(wǎng)之間可能互相纏繞而造成無人機的損壞，網(wǎng)的使用壽命也較短。該方法回收精度不高，難以實現(xiàn)無人機回收和充電的自動化。撞網(wǎng)回收法應(yīng)用范圍小，主要針對固定翼無人機，對目前應(yīng)用廣泛的旋翼無人機并不能實現(xiàn)理想的回收固定。綜上所述，撞網(wǎng)回收的方法是一種簡單的低成本的回收方式，主要應(yīng)用在對于精度要求和自動化程度要求不高的小型固定翼無人機上，對旋翼無人機一般不可回收。（4）推桿固定法：相比于撞網(wǎng)回收法，推桿回收是近年來無人機自動降落停機平臺常用的無人機固定方式，國內(nèi)外也出現(xiàn)了較多的發(fā)明專利。針對常見的底座為四根撐桿的無人機，現(xiàn)有利用推桿固定的實例，美國的Insitu公司研究出了采用兩級彈性回收桿部件和能量吸收裝置回收的專利。三一汽車制造公司的無人機回收裝置專利提出了用兩根推桿固定無人機起落架的方式【11】，如圖1-3，當無人機降落在回收區(qū)域時，位于無人機起落架兩側(cè)的兩根推桿在驅(qū)動裝置的驅(qū)動下向無人機靠近完成夾持固定，且推桿上設(shè)置有齒狀結(jié)構(gòu)增加穩(wěn)定與防滑作用。上海大學利用如圖1-4所示的升降抓取裝置在兩側(cè)位置抓住固定無人機【12】，其抓取結(jié)構(gòu)為對稱半圓形機械臂，固定之后可實現(xiàn)對無人機的回收充電。圖1-5兩推桿固定法圖1-6升降抓取裝置固定法不同于撞網(wǎng)回收法，推桿固定法的結(jié)構(gòu)決定其有以下優(yōu)點：固定效果好、精確度更高、適用范圍廣，由于推桿的驅(qū)動方式可以根據(jù)不同需求采用任意可行的驅(qū)動裝置，例如電機、氣缸、液壓缸等，所以針對不同屬性的控制需求選擇性更多。推桿固定法可根據(jù)推桿形狀和推動方式設(shè)計無人機的起落架，直接吻合推桿的運動，對無人機的損壞比撞網(wǎng)回收法小很多。缺點是結(jié)構(gòu)相對復雜，需要提供動力的驅(qū)動裝置，且對于精度要求較高的設(shè)計需要復雜的控制方案的設(shè)計和精度高的驅(qū)動裝置，增加了其使用成本和維護費用。（5）總結(jié)：以上四種固定方式為無人機著陸、著艦的常用依靠機械結(jié)構(gòu)的回收固定法，其中跑道回收法和傘降回收法是早期的借鑒大型飛機的降落方法，在技術(shù)的革新中這兩種方法在無人機的回收領(lǐng)域逐漸被淘汰。撞網(wǎng)回收法和推桿回收法是目前國內(nèi)外專利研究較為熱門的方向，兩種方式各有優(yōu)缺點，具體應(yīng)用針對不同的使用條件和需求來選擇。除此之外，還有鎖鉤抓取法、磁吸式回收法等方法以及基于GPS定位和圖像識別的高精度降落法。個人認為推桿固定法是目前針對海上小型旋翼無人機的回收固定相對更好的方式，故本文的設(shè)計方案將以推桿回收為主要思路，充分利用其優(yōu)勢，總結(jié)現(xiàn)存方案中的不足，設(shè)計一種新的推桿回收固定法。1.2無人機自動充電技術(shù)的研究現(xiàn)狀隨著人們對電能的需求和使用的多元化，電能自被發(fā)現(xiàn)應(yīng)用以來其應(yīng)用技術(shù)便一直高速發(fā)展，無論在什么時代都處于科技創(chuàng)新的前沿領(lǐng)域，現(xiàn)在已經(jīng)實現(xiàn)了自動充電和無線充電技術(shù)并應(yīng)用于人們的日常生活中。無論電池還是自動充電技術(shù)，誕生和早期研究國外均領(lǐng)先于國內(nèi)的技術(shù)，以下將從國內(nèi)外兩個方面分析無人機的自動充電技術(shù)研究現(xiàn)狀。（1）國外無人機自動充電技術(shù)研究現(xiàn)狀2014年日本名古屋大學的碩士研究生開發(fā)了一種通過停機平臺面上充電接口裝置滾動連接的方式連接到無人機的充電接口，該方式可抵御外界風力等不穩(wěn)定因素的影響，對環(huán)境要求較低，因此適用面較廣。Airmada公司設(shè)計了一款可以停放無人機并對其自動充電的機械盒子，當無人機降落到盒子中時，無人機機翼和可折疊的機體部分會自動折疊，電池被盒子內(nèi)的裝置自動取出進行充電，接受起飛指令后盒子自動打開，無人機折疊部分展開并起飛。圖1-7Airmada公司的無人機回收盒德國的SKYsense公司設(shè)計了一款鍍金的無人機自動充電墊，且配備了高功率的充電速率，該充電墊安裝簡便，在室內(nèi)外均可使用，可以對不同的無人機進行便捷地快速自動充電，充滿大疆無人機僅需半個小時。后SKYsense公司對該充電墊進行改進加裝，設(shè)計成無人機機庫的形式，并加入了平臺與無人機之間的數(shù)據(jù)傳輸和通訊功能。圖1-8無人機自動充電墊圖示（2）國內(nèi)無人機自動充電技術(shù)研究現(xiàn)狀成都的一家主要研究農(nóng)業(yè)應(yīng)用無人機的科技公司研發(fā)了一種可以給無人機自動更換電池且可以自動補充農(nóng)藥等的智能農(nóng)業(yè)無人機平臺，通過機械臂對停放的無人機自動更換電池和加裝農(nóng)藥等。此外無人機自動充電領(lǐng)域應(yīng)用較多的方式有：（1）通過紅外傳感器等定位輔助措施判斷無人機充電口和平臺充電接口之間的相對位置來調(diào)整平臺充電接口所在機械臂的位置進行充電接口之間的校對連接；（2）利用圖像處理和模式識別技術(shù)提取無人機充電接口位置的圖像，通過算法優(yōu)化實現(xiàn)平臺充電接口機械臂和無人機充電接口的精準對接，閉合電路實現(xiàn)自動充電；（3）采用磁吸式或電磁接口連接充電接口實現(xiàn)充電電路的閉合。1.3總結(jié)無人機的自動充電是基于其停機平臺的，降落在地面靜止平臺的無人機自動充電實現(xiàn)相對容易，只要降落誤差控制在設(shè)計范圍之內(nèi)，以上面所述的磁吸式、充電墊等為代表的方式均可實現(xiàn)無人機的自動充電。但對于海上平臺就要在固定無人機的基礎(chǔ)上進行充電，很多方式便受到了限制，本文將提出基于推桿固定方案的海上小型旋翼無人機自動充電方案。參考文獻【1】張衛(wèi)東,劉笑成,韓鵬.水上無人系統(tǒng)研究進展及其面臨的挑戰(zhàn)[J].自動化學報,2020,46(05):847-857.【2】譚立國,楊小艷,宋申民,霍建文.面向小型艦船的固定翼無人機海上回收方法綜述[J].哈爾濱工業(yè)大學學報,2019,51(10):1-10.【3】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