油電混合多旋翼無人機技術(shù)在鐵路勘測中的應(yīng)用

邢 玥，郭 磊，劉 暢

0 引言

目前，無人機行業(yè)中多數(shù)航測設(shè)備廠家研發(fā)的測繪無人機為固定機翼結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)無人機體積較大，日常作業(yè)需要3～5人的團隊，便攜性較差，且起降受場地限制較大。部分廠家研發(fā)多旋翼結(jié)構(gòu)測繪無人機[1]，但由于續(xù)航時間較短，不適宜鐵路行業(yè)長距離、長航時應(yīng)用。目前無人機測繪[2，3]專業(yè)程度較高，操作復(fù)雜，需要專業(yè)團隊操作，不能滿足用戶自主使用的要求。

本文對固定機翼結(jié)構(gòu)測繪無人機和電動多旋翼測繪無人機的優(yōu)點進行技術(shù)融合，以實現(xiàn)現(xiàn)場高質(zhì)高效的航測數(shù)據(jù)收集，使數(shù)據(jù)達到共享互通，設(shè)計人員無需耗費大量人工及時間成本進行現(xiàn)場踏勘，在辦公室就可以獲得現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)，并對收集到的現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行匯總、瀏覽，滿足鐵路測繪高精度的需求，大大提高了數(shù)據(jù)的精確度、時效性，確保鐵路設(shè)計的高效率和準(zhǔn)確度。

1 方案設(shè)計

依據(jù)現(xiàn)有航測無人機設(shè)備結(jié)構(gòu)特征進行方案設(shè)計，主要研究內(nèi)容及攻關(guān)目標(biāo)如下：

（1）實現(xiàn)高效率、長航時、高安全性的目標(biāo)。無人機的供電部分采用航空汽油發(fā)動機搭載發(fā)電機經(jīng)變壓整流為全機提供電力，利用鋰電池作為后備電源。從目前動力型鋰電池行業(yè)整體技術(shù)水平來看，單位重量下能量密度尚未超越傳統(tǒng)燃料，因此采用內(nèi)燃機提供電力在相同載重及續(xù)航下效率更高。同時動力型鋰電池雖然重量較輕，但壽命相對較短，不穩(wěn)定因素較多，因此利用內(nèi)燃機發(fā)電驅(qū)動電機巡航，鋰電池僅作為惡劣天氣下內(nèi)燃機功率不足以巡航時的后備電源及故障情況下的備用動力，較單一能源方式更加安全可靠。

（2）系統(tǒng)需具備易操作的特點。拋棄傳統(tǒng)無人機需要人工實時操作的遙控器，基于模塊化設(shè)計將所有控制設(shè)備整合于控制站，利用控制站及自駕儀，設(shè)置航路坐標(biāo)、高程、重疊率等，實現(xiàn)無人機完全自主起降、自主飛行，無需人工實時操作。

（3）滿足鐵路測繪高精度的需求。為滿足測繪高精度的需求，應(yīng)具備高像素、低延時、結(jié)構(gòu)簡潔、抗震性強、通信可靠、控制靈活、接口規(guī)范等特點。

本設(shè)計采用數(shù)碼相機CCD成像技術(shù)[4，5]進行數(shù)據(jù)記錄。系統(tǒng)的硬件部分由探查系統(tǒng)、無人機遙感平臺、數(shù)據(jù)傳輸裝置、地面控制站單元、數(shù)據(jù)管理中心組成，如圖1所示。

圖1 油電混合多旋翼勘測無人機系統(tǒng)整體架構(gòu)

1.1 硬件設(shè)計

（1）機身本體。機身采用四旋翼結(jié)構(gòu)，整體結(jié)構(gòu)均由碳纖維材料構(gòu)制而成，機架、支臂、起落架等皆為輕強結(jié)構(gòu)設(shè)計。中心采用3K碳纖維管為主體，上部為碳纖維制燃油箱固定板，下部為碳纖維制電池固定板。電機架采用7075鋁合金CNC加工而成，機臂采用傘式折疊結(jié)構(gòu)，折疊關(guān)節(jié)采用卡隼固定，展開方便快捷。機身本體如圖2所示。

圖2 機身本體

（2）數(shù)傳系統(tǒng)。由于測繪任務(wù)多、面積大、距離遠，為此選擇專業(yè)的數(shù)傳系統(tǒng)，功率1 W，頻率800 MHz，以完成雙向數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)。雙向數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏y控鏈路能可靠實現(xiàn)飛行數(shù)據(jù)下傳和獲取飛行參數(shù)。

（3）飛控系統(tǒng)。飛控系統(tǒng)由主控芯片、穩(wěn)壓芯片、姿態(tài)傳感器、磁力計、氣壓計、存儲器、USB串口、直插排針等組成，系統(tǒng)示意如圖3所示。飛控系統(tǒng)可將飛行器的姿態(tài)、位置、高度、速度、航向以及動力電壓等數(shù)據(jù)參數(shù)通過測控鏈路實時下傳至地面工作站，提高信息獲取效率。

圖3 飛控系統(tǒng)硬件示意圖

（4）動力部分。動力部分選擇日本小松32cc航空燃油發(fā)動機，上部通過減震橡膠與機身本體相連，發(fā)動機曲軸輸出端固定連接2 000 W變頻發(fā)電機線圈輸出，并通過穩(wěn)壓整流器轉(zhuǎn)換為44.4 V直流電，為電動機提供動力，增加航時的同時可提高測繪效率。發(fā)電機部分采用高集成、易檢修模塊化設(shè)計，安裝、調(diào)試、檢修實現(xiàn)一步到位，設(shè)計如圖4所示。

圖4 發(fā)電機設(shè)計

整套設(shè)備均采用模塊化設(shè)計，具有較強的可擴展性，可方便地實現(xiàn)各設(shè)備部件的更換，滿足電力巡檢等業(yè)務(wù)的需求，適應(yīng)業(yè)務(wù)量、業(yè)務(wù)流程的擴展。設(shè)備具備多種應(yīng)急自動處理機制，包括低電量、發(fā)動機熄火、下降速度過快、數(shù)據(jù)鏈中斷、GPS信號丟失、姿態(tài)超限與角速率超限等異常保護，進一步提高安全性。在機載電池電壓不足時，會發(fā)出報警（在遙控器和地面站上均會發(fā)出報警），提高了安全性。

1.2 無人機控制系統(tǒng)設(shè)計

無人機控制系統(tǒng)由于其組成復(fù)雜，且戶外作業(yè)時的惡劣環(huán)境大大影響了控制系統(tǒng)的可靠性。為實時、可靠、有效地控制無人機，提出模塊化整合無人機控制系統(tǒng)，如圖5所示。

圖5 無人機地面控制站單元系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

外部以防水、防塵、防摔的三防安全箱保護，預(yù)留了RTK、圖傳饋線以及USB接口，并在內(nèi)部設(shè)計了雙重散熱風(fēng)道，確保不影響整套控制系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運行。同時為了更直觀地觀察到實時影像，該設(shè)計在控制系統(tǒng)中加入了1.2 GHz實時影像圖傳以及圖傳攝像頭，方便日常巡檢等任務(wù)。

1.3 數(shù)據(jù)采集相機自穩(wěn)云臺單元設(shè)計

由于采用內(nèi)燃機為動力，內(nèi)燃機產(chǎn)生的震動成為影響采集精度的主要因素。為此，設(shè)計了可滿足精度要求的云臺組。

首先設(shè)計了云臺固定架，固定架采用航空級7075鋁合金材料，下部安裝板采用碳纖維復(fù)合材料，表面采用陽極氧化處理，并進行輕量化處理，以保證整體剛性與強度。上部固定采用碳纖維管材吊裝、抱箍結(jié)構(gòu)固定的方式，穩(wěn)定可靠，同時該框架式結(jié)構(gòu)也可防止運輸移動過程中因意外發(fā)生磕碰相機的情況。云臺固定架與相機如圖6所示。

圖6 云臺固定架與相機

自穩(wěn)云臺本體采用三軸結(jié)構(gòu)，使用碳纖維復(fù)合材料及輕質(zhì)高強度7075鋁合金CNC加工，抗震性強；自穩(wěn)伺服機選用高速無核伺服機，角速度最快可達到7.476 rad/s，控制靈活，俯仰動作、橫滾動作、航向動作均可實現(xiàn)及時糾偏，并根據(jù)相機規(guī)格設(shè)計了固定夾具。動作部分選用了高角速度伺服機，以齒輪傳遞結(jié)構(gòu)連接至云臺。云臺下部與云臺固定板之間裝有4只濾波減震橡膠，進一步有效過濾、降低震動，如圖7所示。

圖7 自穩(wěn)云臺單元

2 試驗驗證

設(shè)備研制完成后，組織了設(shè)備驗收及測試，并對距離、面積等測量數(shù)據(jù)的精度進行了驗證。通過實時遙感影像傳輸，獲取相應(yīng)坐標(biāo)高程參數(shù)及高精度數(shù)據(jù)，還可進行數(shù)據(jù)計算，同時提高了數(shù)據(jù)處理的效率。

2.1 試驗驗證1

首先在鐵路線路附近拍攝約3 km2的實時地形信息，并獲取相應(yīng)坐標(biāo)高程參數(shù)。經(jīng)過實地測量，該路段路燈桿間距為50 m，利用無人機航測獲取的數(shù)據(jù)為49.999 m，相對誤差為0.1%，滿足高精度測距的精度要求。

2.2 試驗驗證2

在集通電氣化改造工程項目好魯庫220 kV牽引變電所選址中，利用研制的無人機對現(xiàn)場周圍環(huán)境進行勘測，設(shè)定6處路徑，將獲得的數(shù)據(jù)分別與人工現(xiàn)場測距進行對比，對比數(shù)據(jù)如表1所示。結(jié)果表明，無人機測試距離誤差小于5%，滿足工程選址精度要求。

表1 測量數(shù)據(jù)誤差對比數(shù)據(jù)

3 經(jīng)濟效益分析

研制的油電混合多旋翼無人機于2019年8月在京廣鐵路電氣化工程改造項目中進行了現(xiàn)場實地勘測與測量。經(jīng)統(tǒng)計，采用該方式較傳統(tǒng)方式累計節(jié)約成本12萬余元，經(jīng)濟效益較好。

4 結(jié)語

本文研究在傳統(tǒng)多旋翼無人機設(shè)備的基礎(chǔ)上，重新構(gòu)建新型油電混合多旋翼無人機勘測設(shè)備設(shè)計方案，采用系統(tǒng)集成、模塊化設(shè)計思路，最終實現(xiàn)了全部航測數(shù)據(jù)的共享互通，極大提高了鐵路工程勘測的作業(yè)效率，并在工程項目中得到了實際應(yīng)用，獲得了良好的經(jīng)濟效益。