用于電力線作業(yè)的大載重?zé)o人機(jī)防墜落傘降系統(tǒng)

鄺江華，李化旭，喬曉光，鄧志勇，李劍川

1.智能帶電作業(yè)技術(shù)及裝備(機(jī)器人)湖南省重點實驗室(湖南省電力有限公司輸電檢修分公司)

2.帶電巡檢與智能作業(yè)技術(shù)國家電網(wǎng)公司實驗室（湖南省電力有限公司輸電檢修分公司)

3.湖南中部創(chuàng)新科技集團(tuán)有限公司

本文提出一種大載重多旋翼無人機(jī)防墜落傘降系統(tǒng)的設(shè)計方案，重點介紹墜落實時監(jiān)測的算法及實現(xiàn)裝置。

近年來，隨著多旋翼無人機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，電力行業(yè)已嘗試采用大載重?zé)o人機(jī)及機(jī)器人開展電力線作業(yè)，在許多方面取得了一系列創(chuàng)新成果。

但是，大載重?zé)o人機(jī)在作業(yè)中一旦意外墜機(jī)，就會造成較嚴(yán)重的后果。一方面，大載重?zé)o人機(jī)墜機(jī)動能較大且成本較高，撞擊地面后無人機(jī)發(fā)生解體，經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重；另一方面，大載重?zé)o人機(jī)墜落將危及地面人員及設(shè)施的安全。

如何防止大載重?zé)o人機(jī)發(fā)生意外墜落，其自身防護(hù)裝備顯得尤為重要。任務(wù)載荷重量超過100kg的重載無人機(jī)在100m以下低空飛行的傘降保護(hù)技術(shù)面臨一系列挑戰(zhàn)。

下面闡述用于輸電線路作業(yè)的大載重?zé)o人機(jī)防墜落傘降系統(tǒng)，并介紹墜落監(jiān)測時間、快速彈傘裝置及快速開傘技術(shù)。本文研究的大載重?zé)o人機(jī)低空開傘系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期效果。

傘降保護(hù)裝備發(fā)展概況

圖1 大重載無人機(jī)進(jìn)行電力線作業(yè)。

從21世紀(jì)60年代開始，傘降保護(hù)技術(shù)已用于空投和飛機(jī)保護(hù)。傘降保護(hù)裝備的典型代表是美國和俄羅斯產(chǎn)品。俄羅斯大型裝備的傘降保護(hù)技術(shù)研究起步較早，也較為先進(jìn)，可以空投重量達(dá)幾十噸的裝甲步兵戰(zhàn)車系統(tǒng)。美軍T11 高級戰(zhàn)術(shù)傘降系統(tǒng)的開傘高度為150m，投放載荷僅為一個單兵系統(tǒng)，未涉及重載系統(tǒng)。近年來，隨著無人機(jī)產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，無人機(jī)傘降保護(hù)技術(shù)與應(yīng)用成為剛需，它是一種防止無人機(jī)在空中墜落的有效保護(hù)措施，許多院校的研究課題涉及了傘降保護(hù)技術(shù)。

傘降保護(hù)系統(tǒng)的作用

大載重?zé)o人機(jī)廣泛應(yīng)用于輸電線路作業(yè)，優(yōu)勢明顯。當(dāng)大載重?zé)o人機(jī)懸吊技術(shù)輔助帶電作業(yè)時，作業(yè)環(huán)境或無人機(jī)運(yùn)行狀態(tài)可能發(fā)生突變導(dǎo)致的無人機(jī)墜落，會對作業(yè)人員、電網(wǎng)、設(shè)備等生命財產(chǎn)造成危害。為最大程度降低大載重?zé)o人機(jī)墜落造成的影響，須要研制大載重?zé)o人機(jī)防墜落裝置，使無人機(jī)能以較低的速度降落地面，確保生命財產(chǎn)和無人機(jī)的安全。

表1 技術(shù)信息一覽表（以一種類型裝置為例）。

系統(tǒng)組成

該傘降保護(hù)裝置主要包括特種降落傘、降落傘容器、自動彈射器（發(fā)射筒拋射機(jī)構(gòu)）、獨立控制器（包含加速度傳感器、氣壓計、黑匣子系統(tǒng)）、微型傘降北斗接收機(jī)（該接收機(jī)可選配，經(jīng)緯度定位，定位精度±3m）、無線通信模塊等設(shè)備。其中，傘衣、獨立控制器、微型傘降北斗接收機(jī)、無線通信模塊、自動彈傘器是主要功能部件。

圖2 傘降保護(hù)系統(tǒng)示意圖。

系統(tǒng)作業(yè)原理

當(dāng)大載重?zé)o人機(jī)在作業(yè)中出現(xiàn)能源不足或旋翼損壞等異常情況時，傘降保護(hù)系統(tǒng)的實時監(jiān)測設(shè)備可監(jiān)測到無人機(jī)的墜落。無人機(jī)墜落通常是垂直墜落或傾斜墜落，一般會使Z軸重力加速度的突變達(dá)到一定量值，或氣壓傳感器數(shù)值急速增大，這時控制器迅速打開自動彈射器，自動彈射器把降落傘多角牽引繩彈射出去，遇到空氣阻力后降落傘迅速張開，保證無人機(jī)緩慢降落，避免大載重?zé)o人機(jī)直接墜落到地面。

系統(tǒng)作業(yè)流程

（1）系統(tǒng)上電，監(jiān)測中央處理器（CPU）與慣性測量單元（IMU）是否正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

（2）IMU監(jiān)測到Z軸加速度異常。

（3）5次異常監(jiān)測（每次1ms，共5ms），確認(rèn)墜落，發(fā)出開傘信號。

（4）發(fā)射器發(fā)射傘邊緣牽引頭，射出開傘，預(yù)計響應(yīng)時間25ms。

（5）傘降保護(hù)系統(tǒng)預(yù)計1s開傘后，受風(fēng)阻影響，傘自動張滿。

（6）無人機(jī)以傘降方式自動降落到地面。

在作業(yè)過程中，控制器與主控之間可交換數(shù)據(jù)，通信模式是串口、I2C或SPI。

關(guān)鍵技術(shù)

本文主要研究用于輸電線路作業(yè)的大載重?zé)o人機(jī)防墜落傘降裝置，涉及降落傘裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計、彈射策略、傘型分析、降落傘容器設(shè)計、降落傘彈射裝置設(shè)計、降落傘開傘機(jī)構(gòu)以及降落傘控制電路（彈射執(zhí)行電路）、低空拋傘的關(guān)鍵技術(shù)等內(nèi)容。

其中墜落實時監(jiān)測技術(shù)是最核心關(guān)鍵技術(shù)，即利用加速度傳感器的數(shù)據(jù)分析，判定無人機(jī)是否處于墜落狀態(tài)，從而驅(qū)動彈傘裝置執(zhí)行彈傘操作。下面針對彈傘判斷，做進(jìn)一步分析與代碼設(shè)計。

//先取Z軸加速度，再根據(jù)5ms的歐拉角輸出結(jié)果，計算出垂直重力方向上的加速度分量，針對IMU的加速度值、低通濾波、保持趨勢的穩(wěn)定性，其STM32 MCU的C++代碼如下。

acc_Z=acc_Z+0.1*(imu_data.w_acc[Z] - acc_Z)；

acc_X=acc_X+0.1*(imu_data.w_acc[X] - acc_X)；

acc_Y=acc_Y+0.1*(imu_data.w_acc[Y] - acc_Y)；

圖3 加速度傳感器板與MCU監(jiān)測系統(tǒng)。

//計算垂直重力加速度的分量，即垂直加速度值acc_D。當(dāng)?shù)貙?dǎo)航系定義為北東地NED，C++代碼如下：

acc_D=-sin_pitch*acc_X+sin_roll*cos_pitch*acc_Y+ cos_roll*cos_pitch*acc_Z；

輔助判斷條件可以設(shè)置為Z軸速度的判斷，代碼如下。

（1）采用Z軸加速度進(jìn)行估算的Z軸速度（向上為-，向下為+）

Z_vel_acc=-(imu_data.w_acc[Z]+0)*0.01；

其中，0是補(bǔ)償因子，補(bǔ)償后靜止時加速度值為0，0.01=10ms的采樣周期。

（2）采用高度值進(jìn)行估算的Z軸速度（20ms采樣一次）

Z_vel_alt=-(baro_h-baro_h_old)*0.01；

//0.01是匹配因子，正常是除以時間獲得速度，這里匹配到個位數(shù)的變化，向上為正，向下為負(fù)。

（3）互補(bǔ)融合濾波

Z_vel=2.5*(0.5*Z_vel_acc+0.5*Z_vel_alt)；

此外，利用高度信息來做彈傘決策也非常準(zhǔn)確，其原理比較簡單，本文不贅述。

試驗測試結(jié)果

傘降保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計完后，制作出試驗裝置。微機(jī)電（MEMS）加速度傳感器與微控制器（MCU）監(jiān)測系統(tǒng)詳見圖3、圖4、圖5。若干次高處墜落的試驗數(shù)據(jù)詳見圖6。

圖4 拋投器與牽引傘管套。

圖5 主傘筒與牽引傘。

根據(jù)以上設(shè)計與分析，對彈傘策略實現(xiàn)的裝置進(jìn)行試驗。試驗結(jié)果表明，該傘降保護(hù)系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠。當(dāng)大載重?zé)o人機(jī)出現(xiàn)墜落時，該系統(tǒng)可以準(zhǔn)確彈傘，這種傘降保護(hù)方法切實可行。

圖6 上圖和下圖為無人機(jī)自由墜落的實時數(shù)據(jù)記錄結(jié)果。