标签: 无人飞行器

8月12日，美国联邦航空管理局(Federal Aviation Administration，以下简称航管局)发布了一项公开声明，对非法使用无人机的行为提出了前所未有的严厉警告。该声明中称：“航管局想就此传达一条明确的信息：在飞机和直升机附近操作无人机是既危险又非法的。未经批准的使用者可能会面临严厉处罚和刑事指控，甚至有可能入狱。” 在美国，越来越多的小企业开始使用无人机，如用于房地产、汽车营销、婚礼行业、体育赛等。 非法无人机泛滥令人忧心 作为一项时新的高科技产品，无人机近年来在美国已掀起了一股关注热潮。除了政府和公司、企业广泛地探索其军事、公共和商业用途之外，无人机的民间爱好者也数量激增。 在声明中，航管局还公布了一组统计数字，充分解释了航管局为何对非法无人机忧心忡忡。美国民间无人机的发展速度和其对正常航空工作的潜在威胁均已达到了不容忽视的程度。在2014年里，美国境内的飞行员所目睹的无人驾驶的飞行器共有238起，而今年截至8月9日，该数字就已超过了650起。 在2014年的6月和7月里，美国飞行员共遇到了16次和36次无人机。而在今年的相同月份里，次数已分别上涨至138次和137次，甚至在一万英尺的高空中都能看到无人机的踪影。 更为严重的是，无人机严重干扰了消防部门的正常工作。在美国西部同山林大火作战的空中消防员曾数次因为在附近遇到了无人机而被迫中止任务并提前降落。这也成为航管局发布该项警告声明的直接诱因之一。 航管局在声明中称，他们会继续通过推行“官方安全飞行指南”(Know Before You Fly)来与工业部门合作，教育无人机的使用者合理、合法地使用机器。也会继续支持美国跨部会消防中心(National Interagency Fire Center)所发起的“你们若飞翔，我们将下岗”(If You Fly， We Can’t)的活动，以减少无人机对消防工作的干扰。 但同时，航管局今后会大力加强与国家、地方各级执法部门的合作，鉴定和调查未经批准的无人机活动。航管局已对其中的一些进行了民事处罚，并鼓励市民积极地向当地执法机关报告所发现的未经批准的无人机，以减少这类危险而非法的行为。 该项警告声明意味着航管局对无人机的规范方式的转变。以往航管局主要采用的是教育手段，以制定和出台建议性标准为主。而今却极大强化了民事和刑事的处罚力度，更多地依赖于法律强制手段，而非无人机使用者的自愿服从。 无人机的立法相对滞后 无人机无疑是一项极具发展潜力的高新技术。在军事和安保用途上，它在美国已获得了长足的发展和应用。在过去10年间，该计划已协助抓捕了超过8000名非法移民，并缴获了超过2.5万磅的毒|品。此外，无人机还被广泛运用于境内的消防、监控、救援、搜索等工作之中。 此外，人们在众多的好莱坞警匪、战争电影之中均能看到它的身影。举例来说，美国自2005年就开始了一项名为“捕食者B”的计划，使用无人侦察机在边境附近进行空中巡逻和侦察，用摄像机、传感器和雷达系统向执法部门提供实时的智能信息。 在商业和民事用途上，包括亚马逊在内的众多商业巨擎均在积极开发无人机运输技术，从而能够极大缩减人力和物力成本，甚至彻底改变传统的物流模式。而随着无人机技术的不断成熟和产品的极大丰富，民间的无人机爱好者也数量剧增。 但另一方面，无人机的巨大发展潜力同样可以应用于非法用途，对他人造成妨害，甚至会酿成巨大灾难。例如，在日常生活中，无人机常常会侵犯民众的隐私权——人们不太可能驾驶汽车穿过别人家的庭院或窥探隐私，而使用无人机却很容易实现这些目的。 正因如此，许多不胜其扰的美国人民常在网上提出“用qiang打掉邻居家的无人机合不合法”之类的问题。而更危险的是，无人机可以轻易地被用作犯罪甚至恐|怖|袭|击的工具。它能干扰其他飞机和飞行器的正常飞行，甚至能运送炸|弹和各种危险品、毒|品、违禁品等。 今年在华盛顿特区附近发现了数起无人机的活动，开始引发了美国民众对于国家安全和公共安全的警惕。而就在本月，美国警方还发现了有人利用无人机从墨西哥向美国运送毒|品。 遗憾的是，对于这一新兴科技，美国的相关立法进展迟缓。当前针对无人飞行器，美国尚没有全国性的立法。各州对于无人机的法律规定也进展不一。截至今年上半年，只有弗吉尼亚、佛罗里达、德克萨斯等15个州已然通过了相关立法，对无人机的使用施加了约束和规范。而大部分州还在讨论或制定过程中。在现实中，除了主要机场、军事基地、国家公园等地属于无人机的禁飞区外，其他地方并无严格和统一的规范标准。 正因如此，美国航管局日前发布的这一警告声明，受到了民间的纷纷赞同与支持。很多人甚至批评航管局行动太过迟缓，呼吁制定更科学、更严格的管理规范和监控手段，建立完善的飞行执照体系，以消除无人机技术潜在的安全威胁。 无人机带来的法律难题 事实上，无人机所带来的法律难题，远远不只是法律缺位的问题，更有管辖权方面的困境。最大的难题是：无人机应由哪个部门来负责管理和规范？或者更具体地说，美国航管局究竟有没有权力对无人机进行管理？ 在这方面，有一个重要案例发生于2011年，一名叫拉斐尔·皮克(Raphael Pirker)的摄影师因在弗吉尼亚大学校园里操作商用无人机而被航管局以“不顾后果的飞行行为”为由罚款一万美元，他也因此成为了美国第一个因使用商用无人机而被罚款的人。 在皮克提出诉讼后，一位联邦行政法法官否决了该项惩罚，认为并没有法律禁止小型无人机的商用行为。而且，从技术上来说，“模型飞机”并不算是真正的“飞行器”，因此并不受航管局现有的法律管辖。 然而，2014年11月，美国国家运输安全委员会对该案提出了上诉，认定航管局现有的对“飞行器”的管理规范可以适用于模型飞机、无人机和遥控飞机，从而对这类无人操纵的飞行器施加了远为严格的法律管制。 上诉的理由提出，联邦对于“飞行器”的定义从字面上来看，并没有将“模型飞行器”排除在外，也没有对飞行器里是否有驾驶员作出区分。因此，“一个飞行器可以是‘任何’一种‘用于飞行’的‘设备’”。这一定义赋予了航管局对于一切无人飞行器的法律管辖权。在此之前，航管局曾在1981年6月9日发布过一项《模型飞行器操作标准》，鼓励模型飞行器的操作者自愿遵守这些标准，其中包括不要飞过400英尺以上的高度、保持在视野之内飞行、在飞到距离机场3英里之内时应通知机场管理员等。 如果法院支持美国国家运输安全委员会的上诉事由，无人机的使用者必须服从、而不是自愿遵守航管局的各项管理规范。而根据其规范，任何一种“飞行器”在500英尺以下的任何一次飞行，都有可能被认定是“不顾后果的行为”，并和皮克一样受到处罚。这同航管局之前的《模型飞行器操作标准》的严格程度相比，完全是天壤之别。 当然，该上诉中对于“飞行器”所做的过于宽泛的阐释，受到了很多批评和质疑。有人甚至提出，按照该定义，连玩具飞机、飞盘、风筝等，都可以算作是“飞行器”了，因此该种认定不免荒谬。而客观来看，将无人机等同于常规的航空器固然不当，但若将其归类于传统意义上的“模型飞行器”，似乎也有不妥。 尽管都是由使用者远程操作，但无人机的技术水平和发展速度早已远远超过了我们传统中对于模型飞机的理解。美国国会曾于2012年通过了一项法律，命令航管局于2015年9月之前出台对商用无人机全国性的正式法规。但就目前来看，对于无人机的法律定义都还处于极大的争议之中，针对无人机的立法工作尚可谓任重道远。

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1.引言 目前无人飞行器主要飞行于大气对流层和平流层低层区间。该区间大气温度变化复杂，大气环境的温度过低或过高都将直接影响无人飞行器控制系统的正常工作。由于无人飞行器机身需要检测温度的部位较多，监测目标比较分散，使用单一结构的温度传感器或结冰探测仪表难以实时、全面地掌握整个机身表而温度状况，因此，本设计结合已有的民用多路测温技术，提出一种基于FPGA的适用于无人飞行器机身各部位温度检测和功能事务管理的多路温度巡检系统。该系统可在无人飞行器飞行过程中，根据需要循环监测各部位的温度状况，以便能够及早测出机身可能出现的结冰低温并向系统发出报警信号使飞机及时飞离结冰区域或开启除冰设计，从而达到保障飞行安全的目的。 2.设计方案的总体结构 无人飞行器温度巡检装置的结构框图如图1所示。 本设计采用FPGA作为核心芯片，电源电路供电后，信号调理电路通过铂电阻传感器PT100将采集的电压信号通过放大器放大后送给A/D采样电路，A/D采样电路通过采样把模拟信号转换为数字信号后送给FPGA进行处理，处理数据后FPGA自动把处理结果送出，通过液晶显示并且与键盘电路设定的值进行比对，如果超出设定值范围，FPGA送出信号，使得蜂鸣器电路报警，继电器电路响应，启动加热装置，图1给出了系统的整体框图。 【分页导航】 第1页： 设计方案的总体结构 第2页： 硬件电路设计及实现 第3页： 软件设计 第4页： 实测结果 3.硬件电路设计及实现 按照系统的功能要求，装置的硬件电路依据其功能划分为信号调理模块、A/D采样模块、FPGA最小系统模块等部分。 3.1 信号调理模块 系统采用惠斯通电桥接入铂电阻传感器PT100信号，如图2所示。 图2中INA、INB之差与PT100阻值变化呈线性关系，通过将INA、INB变化值采样再对应铂电阻传感器P100刻度表即可换算得到实测温度。考虑到铂电阻传感器PT100探头产生的信号非常微弱，很容易受到噪声干扰，所以放大电路选择单运放构成的仪表放大器。仪表放大器拥有差分式结构，对共模噪声有很强的抑制作用，同时拥有较高的输入阻抗和较小的输出阻抗，非常适合对微弱信号的放大。图2中R3，R4，R5，R6，R7，R8均采用低温漂的精密电阻，R2为多圈精密可调电阻。通过电路可以计算出： 由式(1)可看出，通过增减R8的阻值即可改变增益，得到理想的放大倍数。 3.2 A/D采样模块 系统选用AD7476作为采样芯片。该芯片是12位低功耗逐次逼近型ADC，采用单电源工作，电源电压为2.35V至5.25V，最高吞吐速率可达1MSPS，完全满足本系统的采样精度和速度的要求。该芯片内置一个低噪声、宽带宽采样保持放大器，可处理6MHz以上的输入频率。 AD转换过程和数据采集过程通过CS和串行时钟SCLK进行控制，从而为器件与FPGA接口创造了条件。输入信号在CS的下降沿进行采样，而转换同时在此处启动，转换速率取决于SCLK的时钟频率。图3为AD7476的典型接线电路。 【分页导航】 第1页： 设计方案的总体结构 第2页： 硬件电路设计及实现 第3页： 软件设计 第4页： 实测结果 4.软件设计 温度巡检装置的软件以VHDL语言为基础，采样模块化的设计思路编程，分为液晶显示模块、AD采样模块、键盘输入模块、报警模块和PWM控制模块模块。图4给出了各模块之间的关系图。 系统首先通过AD采样模块对温度进行采样，将采样的数据送入温度检测模块进行处理。温度检测模块的任务是计算将采样来的温度值与系统的预设值之间的差值，利用差值的大小来控制PWM模块输出脉冲宽度不同的脉冲波，通过脉冲波开控制继电器的通断，从而达到温度的恒定控制。 【分页导航】 第1页： 设计方案的总体结构 第2页： 硬件电路设计及实现 第3页： 软件设计 第4页： 实测结果 5.实测结果 5.1 系统的定标 首先用高精度电阻箱代替铂电阻传感器Pt100对测量系统进行定标。根据式1所示的铂电阻传感器Pt100电阻和输出电压之间的关系，通过改变电阻箱的取值来设定相对应的测试温度点标称值，经过测量系统、A/D采样的计算，得到测量温度显示值。根据初测数据对测量电路、补偿电压进行校准后，完成对系统的定标工作。 5.2 系统实测 将铂电阻传感器Pt100接入测量系统，并置入高精度恒温箱中(温控精度0.01℃)进行整个温度测量系统定标测量。测量时要注意恒温箱的密封，以提高环境温度稳定性；恒温箱温度稳定后，每隔1min对同一温度点进行20次测量。由表1中数据可见，测量系统的最大误差为0.009℃，说明Pt100铂电阻传感器的定标误差较小，精度也较高，能满足高精度温度测量系统的测量要求，但温度高端误差较大，可能与恒温箱温度控制精度有关，有待于进一步定标。 6.结论 本文提出了基于FPGA的无人飞行器温度巡检装置的设计方案，该方案中所设计的无人飞行器温度巡检装置利用FPGA快速性、可并行性、延时固定性等特点，能够快速，准确的检测无人机的各部件温度。通过实验验证，系统的最大误差不超过0.01度，完全满足无人飞行器对温度采集的要求。 【分页导航】 第1页： 设计方案的总体结构 第2页： 硬件电路设计及实现 第3页： 软件设计 第4页： 实测结果