一種用于機場道面結(jié)冰點GPS定點反饋并清除的無人機

溫宇軒 隋依桐

摘 要：中高緯地區(qū)的機場冬季普遍面臨機場道面結(jié)冰的問題，由降雪和結(jié)冰導(dǎo)致的機場延誤對機場和航空公司雙方都造成嚴(yán)重的損失;且如今道面除冰設(shè)備單一、效率低，主要應(yīng)用大型除冰設(shè)施，例如除冰車等。但大型車輛裝置除冰具有時間長、不準(zhǔn)確噴灑、易浪費的特點，甚至有些機場依舊采用鐵鍬等簡易設(shè)備除冰的現(xiàn)象。本項目使用載有除冰液的無人機對機場道面進行快速、無人化結(jié)冰檢測同時定點噴灑除冰液除冰并反饋其坐標(biāo)，實現(xiàn)檢測-除冰-反饋一體化。能夠大大減少除冰液的使用以及人力和大型機械的使用，減輕除冰液對道面設(shè)備的腐蝕，加快整個機場的除冰流程，降低因長時間封閉機場作業(yè)產(chǎn)生的損失。

關(guān)鍵詞：道面 無人機 結(jié)冰檢測 GPS定點反饋 定點除冰

1引言

1.1 研究背景

中國秦淮以北地區(qū)冬季普遍會產(chǎn)生降雪。一般情況下，隨著緯度的升高，降雪量隨之增大，普通道面在積雪情況下也會被限制使用，對于極度重視安全和高效的機場來說，積雪、結(jié)冰和積水會嚴(yán)重影響跑道、滑行道等機場道面設(shè)施的使用，嚴(yán)重將導(dǎo)致機場封閉、航班延誤，給機場和航空公司雙方帶來重大損失。

道面有積雪時，一般應(yīng)將積雪清除后在進行起飛和降落作業(yè)。不同的飛機對跑道積雪時起飛著陸的限制條件有差異，如TU-154飛機手冊限定跑道上雪泥厚度不超過12mm，干雪厚度不超過50mm時，飛機才可以起降[3]。然而當(dāng)前機場的除冰流程為大型除冰車系統(tǒng)除冰——觀察是否留存結(jié)冰點——除冰工具深度清理——允許放行，此流程具有占用時間長、消耗人力多、對道面?zhèn)Υ蟆埩舫阂赘g道面等情況存在，如圖1所示沈陽桃仙機場機械除冰后仍有明顯結(jié)冰點。

1.2研究意義

本項目針對中高緯度地區(qū)的機場冬季出現(xiàn)的結(jié)冰與積雪導(dǎo)致封閉機場的現(xiàn)象，擬使用無人機對初步除冰雪的機場道面進行除冰雪作業(yè)。應(yīng)用此無人機可以增加結(jié)冰探測精度、加快除冰時間、減少人力使用、使機場管控中心及時了解機場內(nèi)結(jié)冰情況并快速做出相應(yīng)調(diào)整，最終降低因封閉機場作業(yè)而產(chǎn)生的損失;同時還能減輕除冰液過量使用造成的環(huán)境污染和資源浪費并減少其對機場道面的腐蝕。

2設(shè)計方案

2.1技術(shù)路線

本項目主要涉及以下三個部分

（1）無人機結(jié)構(gòu)：該部分研究無人機GPS、如何使電池在寒冷條件下正常工作及無人機配重三部分。其中無人機配重采用15kg的無人機;無人機的電池采用帶有溫控單元的鋰電池在繼承其高效輸電的優(yōu)良條件下，降低因低溫而導(dǎo)致其續(xù)航時間縮短的問題。

（2）紅外檢測裝置：該部分研究無人機如何對結(jié)冰區(qū)域判定。擬采用無人機對接收到紅外波長與冰所反射的波長一致的區(qū)域進行標(biāo)記，計算并獲得結(jié)冰面積。[4]

（3）除冰機制：該部分研究無人機防結(jié)冰系統(tǒng)和除冰液噴灑系統(tǒng)[11][15]兩部分。

具體流程圖如圖2所示。

2.1外部結(jié)構(gòu)

本項目無人機欲采用六旋翼無人機，在保持其能在風(fēng)雪中穩(wěn)定前進的同時[14]加裝儲藥箱和噴頭，紅外檢測設(shè)備能夠檢測是否結(jié)冰[4]，并通過控制噴頭噴灑除冰劑。本項目結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

2.2控制系統(tǒng)設(shè)計

單片機系統(tǒng)是本系統(tǒng)的核心部分，起到檢測到結(jié)冰后控制噴頭噴灑除冰劑的作用。本項目采用STC89C52系列單片機作為除冰系統(tǒng)的主控制系統(tǒng)。

STC89C52單片機是一種帶8K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的低電壓、高性能COMOS8的微處理器，由兩部分組成。

紅外傳感器額定電壓5V，水泵驅(qū)動電壓為12V，電源采用日常12V充電器用以給STC89C52單片機和整個系統(tǒng)充電。

3工作流程

當(dāng)?shù)烂孢M行基本除雪操作后，地面仍有明顯結(jié)冰點從而造成車輛輪胎與地面間摩擦系數(shù)未達到規(guī)定系數(shù)時，使用本無人機。使用時通過無人機對除冰作業(yè)范圍內(nèi)道面進行初掃描，當(dāng)巡視過程中發(fā)現(xiàn)反射波長符合0℃及以下溫度的冰層時，控制器控制單片機從機載水箱中抽取除冰液對結(jié)冰點進行精確噴灑，待作業(yè)范圍內(nèi)巡視完畢后，沿原路返回進行二次巡視，并將仍無法清除的結(jié)冰點反饋給控制人員。

4創(chuàng)新點及應(yīng)用

（1）利用紅外探測，能夠增加對道面結(jié)冰情況的判斷精度，降低因人工檢測或其他設(shè)備檢測所帶來的誤差。

（2）使無人機做到在風(fēng)雪等低溫條件下的正常運行。

（3）將檢測到的信息反饋給機場運控中心，使相關(guān)負責(zé)人及時了解機場結(jié)冰情況與除冰情況。[10]

5應(yīng)用前景分析

如今，中國的基礎(chǔ)道路建設(shè)正處于飛速發(fā)展階段，尤其秦嶺-淮河線以北的北方大部將面臨的除冰作業(yè)壓力將會越來越大，而現(xiàn)如今的除冰工具大部分需要耗費大量人力，或者機械體積過于龐大導(dǎo)致無法進出相對來講狹窄的道面出入口，因此本項目依靠無人機輕捷、快速、靈活等特點，快速對結(jié)冰區(qū)域進行除冰作業(yè)，將大大解放人力，并將減輕冬季，包含機場、高速等各類道面的除冰作業(yè)壓力。雖然如今新建大型機場選擇鋪設(shè)機場跑道“自發(fā)熱”[12]，但由于其造價高昂、導(dǎo)熱效率不算很高、維護成本高等缺點[13]，導(dǎo)致小型機場、高速道面以及普通城市道路不可能使用此方法，因此未來使用無人機進行清冰作業(yè)的場景將越來越成為相關(guān)負責(zé)任的熱門之選。

參考文獻

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[15]宋雷潔.植保無人機施藥技術(shù)研究進展[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技， No.745（11）： 125-128.

作者簡介：

溫宇軒（1999-），男，山東青島人，濱州學(xué)院機場學(xué)院。隋依桐（2000-），女，山東煙臺人，濱州學(xué)院機場學(xué)院。

指導(dǎo)老師：朱新銘（1987-），女，山東菏澤人，濱州學(xué)院機場學(xué)院，助教。

苗飛（1979-），男，山東濱州人，濱州學(xué)院飛行學(xué)院，講師。

基金項目：2020年省級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（項目編號：S202010449059）