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当前,国内外的空中物流行业已经开展了一系列的试验和产品研发,如瑞士等国开展了空中物流等无人机定期飞行试验。但是这些活动仍然属于试验性的飞行,并且基本上都是在偏僻、地面人畜车辆等较少的偏远环境开展。

以空中物流为代表的民用无人机的使用瓶颈在于:(1)承担物流载体的无人机的防坠毁设计和坠毁时对地面减灾设计尚未得到根本性的突破;(2)缺乏一个国家或行业认可的公共试验与测试环境。

无人机运送货物 怎样才能确保安全?

无人机运送货物,怎样才能确保安全?/图 来源网络

对无人机生产商而言,公共试验和测试环境将用来对计划进入市场运营的物流无人机进行全方位的试验和测试;对于无人机管理者而言,则可用来对物流无人机的运行模式和监管模式进行考评。因此,我国应当尽快建立物流无人机试验与实验基地。

国外物流无人机试验与测试进展

2015年2月,多家媒体报道了小型无人机“空中快递”的新闻。消息称,美国联邦航空局(FAA)于2月15日在世界上首次发表了关于小型无人机“空中快递”的技术性以及飞行条件等方面的准则。

该准则规定:快递物品重量为25千克以下;飞行可能的时间段为公共机关所规定的黎明到日落;最高飞行速度为160千米\时;最高飞行高度约152米;飞行中,飞行的管理者能够目视。

2013年12月,亚马逊公司首度在视频中公开了小型无人机“空中快递”服务,用以小型货物的配送利用。另一方面,谷歌公司于同年4月宣布收购小型无人机送货的开发企业泰坦航宇公司,8月公开了固定翼小型无人机送货项目的“项目·翅膀”的试验验证视频。

2015年3月19日,FAA批准了亚马逊的“空中快递”的飞行试验。进一步,4天后关于飞行器的相关法规333部以无人机系统(UAS)作为特例,将UAS的飞行范围嵌入于以塔台控制的机场为中心的约9.26千米范围内等项目之中。

2015年4月,FAA决定向亚马逊和谷歌公司发放进行小型无人机“空中快递”的飞行试验许可,表明政府支持小型无人机“空中快递”业务的发展。由此可见,2015年成为小型无人机“空中快递”的元年。

今后,小型无人机的“空中快递”与自动驾驶汽车,包括由DARPA所推进的人型机器人技术领域将对美国乃至世界行业发展所带来极大影响。

物流无人机主要需要解决两方面的问题:

(1)无人机自身的安全性,包括自身可靠性和坠地时对地面减灾;

(2)运营模式,偏重于管理和运行过程。

一旦满足两方面的无人机出现,将会快速占领市场。物流,只是空中货运无人机的一个使用子类,广义的物流(包括人员运输)将是无限的。

为了研发满足安全性、运营模式要求的无人机,美国共建立了6个无人机系统试验场,分布于北达科塔州、纽约州、内华达州、弗吉尼亚州、阿拉斯加州和德克萨斯州,研究领域覆盖了无人机系统的耐飞性、数据传输链路、将无人机融入空域的实施、空中交通管制、失效模式检验、标准的制定等等,基本覆盖了无人机试验与实验环境研究的各个方面。在这个领域,美国已经做了很多扎实的工作,将为美国的无人机行业的发展提供坚实的基础和强大的助力。相比之下,我国在该领域尚处于起步阶段,与美国相比差距非常明显。

物流无人机试验与测试研究必要性

与军用飞机、无人机不同,民用无人机在使用时,不能要求地面做避让、防护等行为。因此,民用无人机的飞行可靠性和一旦坠地时对地面的伤害减灾技术,就成为必须考虑的问题,这类似于民航客机首先要考虑可靠性,再考虑经济性的问题。

尤其是空中物流用无人机,飞行、投递、接物,都是在城市上空使用,首先必须考虑的就是飞行可靠性、不仅仅是正常飞行能力,还必须在严酷的各种自然环境和人为环境、甚至是人为威胁和打击的情况下、保持继续飞行的能力。此外,一旦因自身、外界环境或事件,导致不能正常飞行,必须有下降时对地面人员及物品的危害减灾能力。

那么未来运行时,物流无人机将会在什么样的环境中运行?将会受到什么样的威胁?将会产生什么样的威胁呢?

归根到底,物流无人机要有以下能力:

(1)规避能力:规避固定障碍物和迎面的、侧击的、尾随的各种飞行物。

(2)定位能力:各种卫星定位、惯性定位和手机基站定位。

(3)抗地磁干扰能力:高压线、钢铁制构架、手机基站等引起的地磁指南针紊乱。

(4)抗打击能力:意外的各种重量、速度的飞行物撞击,如弹弓等。

(5)抗电磁干扰能力:地面电火花、各种遥控装置、无线电台、手机基站等等。

(6)抗各种气象能力:风/阵风/持续风/、雷电、雨、雹。霾、雾,反映抗风、抗冲击电流、抗湿等。

(7)坠毁时对地面的灾害足够小的能力:预知坠毁、预知何时开启坠毁安全减灾装置。

(8)足够飞行的能力:结构紧实、足够的飞行航程和足够的载重。

只有满足了应对这些威胁因素的能力要求,物流无人机才有可能在城市上空,在各种自然、人为的干扰下安全地使用。为此,无人机经得住上述各种情况的考验,这需要通过试验来验证。

一般而言,在设计有人机时,通常要经过强度使用、风洞试验、电磁兼容试验、雷电RCS试验等等,然后是飞行试验、武器打靶试验,舰载机还有着舰试验。这些试验,无不是为了验证飞行的作战性能。那么,作为物流无人机的实验环境,就必须能够创造出这些威胁因素,来模拟实际运行中的各种可能不利的环境,物流无人机必须通过这类试验的认证,才能放心地投入市场运行。

除了验证无人机的安全飞行能力和坠地减灾能力,无人机的飞行管理和规则验证也是需要特定的试验环境,不能要求在无人机不成熟、没有安全把握的情况下,到真实的城市环境来验证规则。因此,需要这个环境开展管理规定、空域监管方面的试验。

物流无人机试验与测试系统构成

首先,需要明确物流无人机试验与测试系统建立原则:能够涵盖上述各种测试的试验环境,要具备真实的或者接近真实的城市运行环境,具备试验种类的完整性,才能考评无人机可靠性、对地面减灾和运行模式合理性 。

物流无人机试验与测试系统需包括以下方面内容:

(1)摸拟城市建筑环境

试验场必须具有一定的面积,需要建设代表各类城市“建筑起伏”的建筑群,包括楼字、高压线塔、桥梁等,以及假人和植被,统称为地面效应物,,这些效应物将模拟无人机运营的城市上空环境,,同时,还将作为无人机坠毁时的撞击试验环境 。

(2)电磁和地磁干扰环境

物流无人机必须能够承受电磁干扰和地磁素乱,将设置各种功率、频谱的电磁干扰装置,以及钢架、手机基站等影响地磁的装置(含计量装置) ,作为评估无人机在飞行、起降的抗电磁干扰、地磁紊乱的手段。

(3)气流环境

创造持续风、阵风、紊乱风测试环境,,测试物流无人机在各种风环境下的飞行稳定性,即抗风能力。

(4)导航定位测试环境

测试物流无人机在其装备的卫星定位、惯性定位或者其他定位的精准飞行能力,测试物流无人机在其装备定位系统受到干扰时的精准飞行和应对能力。

(5)坠毁测试环境

评价物流无人机开启坠毁减灾措施后的效果,评价物流无人机在各种正常和不正常坠落情况下对地面物品(房屋、车辆、植被、人员等各种效应物)的损害程度。同时,还能够开展物流无人机坠地时的起火情况评估(对森林、高压线、油库等)。

(6)空中撞击测试

测试物流无人机在各种速度情况下,遭到各种体积、重量、速度、角度的物体撞击后的稳定性、抗坠毁性以及坠毁后对地面灾害的评估。

(7)空中避让测试

测试物流无人机在各种运行模式下,对出现在航路前方的空中障碍物、侧方和后方飞来的物体的避让能力和恢复原航线飞行能力的测试评估。

(8)任务规划测试

反映各种路径规划下的飞行航迹与规划航迹的吻合度,属于飞控、抗风、 抗雨等自然环境的综合测试。

(9)降雨环境测试

测试物流无人机在各种级别的降雨环境下(往往连同各种级别风) 的可靠性,以及坠毁灾害测试。

(10)雷电坏境测试

测试物流无人机在各种级别的雷电环境下(往往连同各种级别风) 的可靠性,以及坠毁灾害测试。

(11)热环境、冷环境测试

测试民用无人机系统在各种温度环境下的系统可靠性。

结论

综上所述,对产品的测试,不仅仅是性能指标的测试,还必须是环境的测试。尤其是以空中物流无人机为代表的民用无人机,必须考虑在任何环境下的城市上空飞行安全问题。把日常的各种不测提前到测试环境来,通过尽可能多的试验和实验,才能最大程度上保证产品的使用安全。

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