无人机航母系统的构建与应用

材料。在无人机航母结构设计上，位于对角的两旋翼固定于同一根碳纤维管的两端，相互水平正交的两根碳纤维管组成了无人机航母的四个旋翼支臂结构，并采用两碳纤维管分别固定于一整块碳纤维板的上下端的方式。相比于每个旋翼支撑单独固定于主板的传统四旋翼无人机结构，本设计对于主板几乎不会产生弯矩，主要的弯矩是靠强韧的碳纤维管受力，因此不需增加碳纤维板的厚度和数量，同时能够有效减轻无人机航母自身重量。表1介绍了无人机航母主要的技术参数。

无人机航母上安装有多个供子无人机停靠和起飞的停机坪，停机坪中央安装有电磁铁，子无人机底部安装有薄铁板，可使子无人机与停机坪间进行较大冗余度的磁力固定。当子无人机需要固定在停机坪上时电磁铁通电吸附子无人机;而当子无人机起飞时电磁铁断电，停机坪与子无人机可以迅速脱离。图3为无人机航母系统整体构造。

2.4 子无人机设计

如图4所示，子无人机采用上下两层碳纤维板加固，同样采用四旋翼结构设计，碳纤维管作为起落架。子无人机底部安装有铁质较薄的吸附板，其安装位置与子无人机起落架底部形成的支承平面相平。吸附板与航母停机坪上的电磁铁可以紧密吸合，使子无人机可以在无人机航母上稳定停靠。即使在恶劣环境下，电磁铁提供的吸引力足以使子无人机保持固定。子无人机主要技术参数如表2所示。

3 控制系统设计

无人机航母的控制系统部分分为两部分：地面站和无人机控制器。地面站主要负责无人机的控制和航线的规划;无人机控制器主要负责获取飞控相关信息，发送回地面站，同时解析地面站的指令并把指令发送给飞控、云台和其他附属设备。地面站分为三个部分，分别是地面站服务端、地面站控制端和地面站设计端，整体架构如图5所示。

地面站服务端作为数据传输的中心，其他各地面站和无人机控制端都直接与服务端连接。服务端主要负责数据的解析和转发;地面站控制端主要用于无人机航母系统的运行调试和控制，例如查看各个飞控的运行参数，查看各设备的发送和接收的数据包等;地面站设计端主要用于多无人机轨迹的规划设计和航母系统作业的启动运行停止等操作。

控制系统的通讯采用基于TCP的Socket连接，其中地面站服务端、地面站控制端、地面站设计端和各无人机控制器连接到同一局域网内进行通讯。地面站计算机和各无人机控制器之间通讯采用一个特殊设计的仿Mavlink（微型无人机通讯协议）的通讯接口协议，用于地面站对各个无人机的控制。

4 应用场景

利用无人机航母系统的长时间空中系留、子无人机功能灵活多样、系统整体搭建回收速度较快的特点，目前无人机航母系统开发的应用场景有应急信号基站快速搭建、反恐防暴、舞台舞美、农药喷洒、工厂监测等。

4.1 应急基站

当自然灾害发生时，保证灾区的灾情和救援信息的及时传递以及良好通讯的通讯状况是抢险救灾的首要要求。而灾害发生后当地的通讯设施极易受到损坏，灾区变为信息孤岛，大大提高了救援难度。无人机空中航母系统可以实现快速的应急基站搭建，基于无人机航母系统搭建的应急基站可在高空长时间工作，保持信号畅通，子无人机可作为中继站分布于峡谷、森林等信号较弱的特定区域实施定点信号增强。

4.2 反恐防暴

在室外大型活动现场，难以快速搭建临时的监控系统，利用无人机航母系统的长续航和子无人机的合理排布，通过各子无人机在高空的视频监控，可令活动管理者监控活动现场每个角落，将危险防患于未然。

4.3 舞台舞美

传统舞台灯光音响设备是固定在舞台某处的，其光源和声源无法移动，这就导致舞台灯光音响效果的局限性。因此，在舞台上，将灯光和音响设备挂载到无人机的云台上，使用无人机搭载灯光和音响并多自由度移动，给观众营造出一种互动性体验更好的舞台效果。利用该系统的舞台舞美的快速搭建和回收，极大的降低了人工和场地搭建成本。

4.4 农药喷洒

传统农药喷洒需要人工或设备沿田垄依次喷洒，效率较低。采用本系统进行农药喷洒工作时，无人机航母在高空运行，农药灌可负载于无人机航母上，农药可通过管路分配至各个子无人机。子无人机运行于低于航母平台的平面，每个子无人机负责一条田垄的农药喷洒，系统工作一个周期即可实现整片农田的高效率农药喷洒。

4.5 工厂监测

在工业生产中经常用到有毒的化学试剂，工厂管路的泄露和工厂周围的大气环境的实时监测就极为重要。利用本系统在高空的合理排布，在子无人机上搭载的环境监测装置可实时监控工厂各个方位的环境状况并及时反馈至地面监测人员，使工厂的环境监测工作变得更加简单易行。

5 结束语

无人机行业的快速蓬勃发展与危机并存，目前阶段无人机续航时间短，且充电时间明显长于工作时间，导致无人机单位时间内有效工作时长较短，且难以在正式场合实际应用，更多的是应用于娱乐层面。此外在无人机目前已有的应用中，较少有多无人机协同完成的实施案例。基于目前无人机的技术瓶颈，本研究提出了由子母无人机组成的航母系统概念及线缆供电的无人机航母系统，实现了无人机航母系统具有理论上的无限续航能力以及小型无人机集群在空中航母上的搭载、起飞和降落的功能。配合无人机母舰上搭载的多种子无人机挂载设备，使无人机航母系统具有多功能性、强应用性的特点。无人机航母系统的出现将在一定程度上丰富现有无人机的应用场景，有助于无人机发展成为具有实际应用价值的并能协助生产生活的一种难以替代的特殊飞行设备。

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