无人机编队表演原理|无人机表演失败原因分析|RTK在无人机表演中的应用

2021-10-11


1、无人机编队表演的技术解密


(1)无人机编队表演的系统组成:


示意图如下:

 

1)机架动力套装

2)无人机飞控系统,目前市场的主流,pixhack飞控硬件。支持ardupilot与PX4的固件。

3)无人机集群数传系统:目前主流的有xbee,zigbee,lora,3DR无线数传,WiFi,433,4G等通信方案。

4)无人机RTK定位系统

5)LED驱动控制系统

 

(2)无人机编队表演大致的原理过程


进行一次无人机表演之前,无人机操控团队需要对无人机的飞控系统和地面站进行编程,现在有很多软件可以设计空中舞步,空中舞步最后通过软件转换成每台无人机的飞行路线、速度、坐标等参数进行设置,同时还有LED灯光的亮度和闪动频率等,让无人机能够按照预设的图案进行表演。

随着科技的进步,目前无人机表演编程所花的时间正在逐步缩短,从创意到完成整个设计,只需要半天甚至几个小时就可以完成。

 

(3)无人机编队表演的市场价值


目前,无人机表演的“出场费”从开始的1万元/架,降低到现在的500-1000元/架。随着无人机制造成本的不断降低,加上无人机表演无污染,绿色环保,将更多地替代烟火等其他的表演形式,成为各种大型庆祝活动的宠儿,有着巨大的市场潜力。

  

2、无人机编队表演的关键技术,RTK技术在无人机表演中的应用


作为已经量产了RTK高精度GPS定位器的我们,达盟GPS小编对RTK技术是比较了解的。

无人机表演关键是使用了RTK技术的GPS北斗定位系统,通过“地面站”和飞机的配合,能够精确定位每一台飞机在空中的位置,精度可以做到厘米级别

可以简单的理解RTK定位技术就是GPS北斗定位的升级版本,是可以精确到厘米级别的定位技术,简单原理是通过地面基站获取GPS北斗的修正参数,上传到无人机修正坐标位置,使其精确到厘米级别。若想详细了解RTK定位技术,参考达盟GPS小编以前的文章《GPS精确定位的RTK与RTD技术比较》

普通GPS北斗定位精度(空旷环境)5米左右,不能满足无人机编队精准“画”出精彩的图案的需求,大批无人机若是不能精准定位,很容易发生撞击事件。

所以,无人机编队表演最难的是让无人机待在精准的位置上,厘米级别的误差,才能保证飞行轨迹整齐划一。

另外,无人机编队表演还需要解决授时、导航、抗干扰、路径协调等多个技术难题。 

 

3、无人机编程表演的最大难题


无人机编程表演的最大难题在于安全保障。

因为同时几百甚至几千架无人机飞在空中,若失控撞击到建筑物、高架线都是非常危险的;失控坠落到人群,高速旋转的旋翼刮到人肯定是要见血的,高空炸机坠落的话,想想高坠落的鸡蛋都能砸伤人,无人机比鸡蛋可重多了。

所以表演的安全保障是最重要的。

现在无人机编队很多采用了传感器双备份、多冗余设计的智能无人机,以及专属实时通讯网络,多个数传通道,确保在多种环境下安全飞行。通过前期空域报备和设立电子围栏保护区域,确保编队飞行的合法合规,多重的安全保障让精彩表演顺利呈现。

尽管采用了很多预防措施,还是出现了很多次的表演事故。

一般最容易出问题的是这几个地方:

(1)数传通讯出现故障:无人机无法及时执行控制中心发出的指令乱飞,无法更新RTK数据而导致无法精确定位。

(2)GPS信号丢失:无法定位,无人机乱飞。

(3)磁罗盘(电子指南针)被干扰:无人机容易画圈飞。

这几个问题都会导致编队无人机大面积乱飞,飞机坠落,撞击等严重事故。

个别的电池故障,机械故障,传感器未校准等只会影响到个别无人机,对整个编队表演影响不大,不在本文讨论范围。 

下面针对几次重大无人机表演事故进行分析。

 

4、几次重大无人机表演事故分析


(1)西安无人机表演失控分析


2018年4月29日,亿航在西安古城墙前进行无人机编队飞行表演,1374架无人机成功获得吉尼斯世界纪录荣誉“最多无人机同时飞行”,但在5月1日的表演中,496架无人机受到影响,出现“乱码”。如下图:

 

在表演事故发生近一周后,亿航给出官方说法,表演当晚,无人机设备、通信系统和飞行系统正常,但部分无人机的定位及辅助定位系统在起飞后受到定向干扰,造成其位置和高度的数据异常。

定向干扰分多种情况,比如有人利用反无人机技术,用电子干扰枪发出电磁信号,阻断卫星(GPS L1,L2频段,北斗B1频段等)、无人机与地面站的通信链路(2.4G和5.8G WIFI频段,这2个频段是公开不用授权使用的频段,干扰本身就很多),让无人机失控。在某东输入“无人机干扰器”,很容易得到下面的参考样机.

方便携带,操作简单。在1-2公里外偷偷按下按钮,就能“射杀”无人机,或者直接把控制中心与无人机的链路切断。

再比如表演地点有广播电台,表演时广播电台恰好发出信号,也有可能影响到无人机编队的定位。

如果编队飞行碰到定向干扰,很难急救,除非能识别定向干扰的位置。

达盟GPS小编认为西安无人机表演失控,定向干扰可能性不大,因为西安这次表演是控制台与无人机是通过4G信号通讯的(亿航人说的)。无人机干扰器不能干扰4G信号(应该是不让卖这种对公网有干扰的大功率设备)。因为是496架无人机同时失控(将近总数的1/3),应该是RTK链路数据更新出问题了。

因为5月1号现场人太多,4G基站负荷太大,导致这496架无人机注册的基站(或者临时加强4G通讯用的移动基站)重启或者掉电,导致RTK数据无法及时更新,无人机从RTK模式切换到GPS+气压计定位模式,最终导致局部“乱码”。

现在很多数传采用WIFI+433双通路的方式,尽量避免这种因为数传通道故障导致的大规模无人机失控。4G在现场人多的时候,也很容易注册不上基站,或者被基站踢掉。

 

(2)重庆无人机撞大楼


2021年1月25号,重庆朝天门大约数百架无人机在表演时突然撞上大楼,最终多驾无人机失控散落在地上和江面。如下图:

还好大楼和人员没有受到伤害。官方给出的解释是主机死机了。这里的主机应该是控制中心的电脑。

这种数百台无人机集体撞向大楼的情况,达盟GPS小编猜测应该是舞步的软件坐标写反了。好在这是试飞,出错是难免的,正式飞也很难保证100%成功。

损失不小啊,一台无人机要几千元。至少几十万打水漂了。


(3)郑州无人机坠落事件


2021年10月1日21时许,在河南省郑州市高新区万达广场举办了一场无人机表演,在表演期间,多架无人机纷纷“熄灯”并缓缓坠落,砸向人群,还有的砸中了汽车,现场如同下冰雹,一度十分混乱。如下图:


郑州万达广场无人机编队“炸机”,一开始被怀疑成是控制信号受到干扰,后来官方确定是8架无人机出现了机械故障,表演被迫暂时终止,其余无人机系迫降,并非坠落,网上流传的“数千架无人机表演时被竞争者进行干扰,导致飞机失控”的说法也并不属实。据悉,事故未造成人员伤亡和重大财产损失。

一共200架飞机参加表演,8架飞机机械故障,达盟GPS小编认为同时出现这么多机械故障,若是真的,那这次表演的主办方的无人机品质也太差了,事先也没做好测试准备。这种情况挺像受到了无人机干扰器的干扰。