基于多旋翼無人機防墜機裝置的研究

黃興，賴照明，陳國平，琚成炎，李龍生

（廣州供電局，廣東 廣州 510310）

在電力行業(yè)的架空線路運維工作中，無人機巡檢已成為必不可少的運維工具，在日常的巡視、線路驗收、故障排查、檢測中廣泛使用。由于線路巡檢工況復雜，對無人機操作人員要求非常高，而且隨著無人機的功能逐漸完善，除本身耗費較大之外，所攜帶的電子設備也越來越尖端、精密，且造價昂貴，所以無人機的使用安全問題顯得尤為重要。

本文通過研究多旋翼無人機的防墜機裝置，有效克服炸機問題，為作業(yè)人員減少心理負擔，提高作業(yè)的成功率，為巡檢人員提供安全、可靠、便捷的巡檢作業(yè)，能夠極大地避免因錯誤操作帶來的巨大社會經(jīng)濟損失。此外，本裝置可形成具有自主知識產(chǎn)權的新產(chǎn)品，彌補我國在無人機墜機防護領域的技術空白。

1 無人機墜機的因素

在無人機的日常巡檢中，有時會發(fā)生無人機墜毀事件，炸機一般由以下原因造成：

（1）運維人員操作失誤。對于線路運維，高壓線高壓塔一般都建造在山區(qū)，飛行環(huán)境比較復雜，運維飛行人員需要承受很大的工作壓力，特別是在高強度的飛行作業(yè)中，運維人員更容易飛行操作失誤，從而導致無人機墜機；

（2）電池掉電。高強度的運維工作往往會致使無人機電量大幅度衰減，即電池電量為虛電。由于掉電很快，按照遙控器APP上顯示的電量來規(guī)劃返航往往來不及，這時也常導致炸機；

（3）突現(xiàn)障礙。無人機在高壓線飛行開展作業(yè)時，偶爾會有許多鳥在附近飛行活動，如果這時候無法準確預判小鳥的飛行軌跡，操控無人機避開小鳥，也將會導致炸機事件的發(fā)生；

（4）強風大雨。在遠距離巡檢時，突降大雨，導致無人機無法及時返航，也將容易導致炸機。

無人機炸機不僅是設備損失，還可能造成其他次生事件，造成更大不可知的損失。因此，無人機的使用安全問題尤為重要，有必要對無人機墜機前進行保護，確保不出現(xiàn)炸機情況。

2 總體技術方案

2.1 無人機降落傘設計

通常按時序將降落傘的工作過程劃分為三個階段，即拉直過程、充氣過程和穩(wěn)定下降過程。在拉直過程中，處于緊捆扎狀態(tài)的傘繩和傘衣從傘倉里迅速拉出；充氣階段是指從傘衣系統(tǒng)全長拉直起到傘衣第一次充滿為止的整個過程；在傘衣完全充滿后，啟動阻力將物-傘系統(tǒng)繼續(xù)減速直至到達穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，這一過程為穩(wěn)定下降階段［2］。傘衣充滿條件如下：

為了使降落傘能夠順利的充氣并充滿，物-傘系統(tǒng)在開傘時的速度要求足夠大，滿足開傘所需動壓。但是降落傘充滿所需的速度有一定的范圍限制，即傘衣充滿條件。通過推導可以得到降落傘是否能充滿的判據(jù)：

（1）若Vmin＜V＜Vlk，則傘衣立即充滿；

（2）若4Vd＜Vlk＜V，則傘衣經(jīng)歷過一段時間后充滿；

（3）若Vlk＜4Vd＜V，則傘衣不能充滿。

其中，Vmin為最小開傘速度，Vlk為臨界開傘速度，Vd為傘衣充滿后系統(tǒng)穩(wěn)定下來的速度，V為傘衣充氣時系統(tǒng)的速度，降落傘為彈射開傘，重量可縮小50g以內。

圖1 無人機降落傘包示意圖

2.2 無人機保護罩結構設計

近年來，小型無人機在航拍、測繪、農業(yè)植保、線路巡查、電力巡檢等領域得到了廣泛應用。多旋翼無人機失控掉落時，其狀態(tài)是無法確定的，機械機構對無人機全方位保衛(wèi)可以大大降低無人機因小碰撞而導致的失控問題［3］。如圖2所示用保護罩對無人機各個方位都進行了保護，最大地保障了無人機因操作失誤對物體進行小剮蹭而導致的炸機，槳葉停轉時，也能在無人機墜落前提供一定的緩沖，極大減少無人機的損壞。但飛行掛載較多，可能會小幅度地影響無人機的續(xù)航時間，續(xù)航時間會因此而減少。

圖2 無人機降落傘包加保護罩示意圖

2.3 通過2.4g控制降落傘包打開

2.4g無線技術是一種無線傳輸技術，其將頻段設置在2.405GHz與2.485GHz之間，而且這一頻段在很多國家都是免費的，因此其使用價值及前景非常廣泛。無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崿F(xiàn)是通過RFW102無線芯片模組來完成的，所需頻段為2.4GHz的ISM頻段，適合電壓在2.7V-3.6V之間，對任何電源都適用，速率可達到1Mbps，有效傳輸距離為2千米，降落傘模塊可通過手動控制打開降落傘，無人機在失控后，可迅速按打開鍵，降落傘包可完成打開動作。降落傘順利打開后可大大降低墜機的損壞程度。

2.4 人工智能算法高速判斷

基于人工智能算法技術，以及結合多年研究無人機的豐富應用經(jīng)驗，針對無人機防墜機應用領域自主研發(fā)一種防墜機安全算法，無人機防墜機裝置通過搭載防墜機安全算法和高性能芯片，可對無人機進行每秒50次的狀態(tài)判斷，每秒325次的姿態(tài)數(shù)據(jù)分析，每秒6000次危險檢測，通過對狀態(tài)判斷數(shù)據(jù)、姿態(tài)數(shù)據(jù)、危險檢測數(shù)據(jù)等與墜機相關的多維度核心數(shù)據(jù)綜合分析判斷，構建一個立體化的防墜機判斷模型，在通道巡視或者精細化巡視的作業(yè)中，無人機一旦發(fā)生墜機，瞬間判斷，響應速度只有10毫秒，開傘反應時間僅為140毫秒。

2.5 海拔與姿態(tài)傳感器雙冗余檢測

如果無人機在巡檢作業(yè)中一旦發(fā)生墜機，那么在墜機的過程中，無人機海拔高度和姿態(tài)數(shù)據(jù)對于防墜機安全算法做出是否開傘的判斷而言，是十分重要的。因此，無人機防墜機裝置將配備高性能的無人機海拔和姿態(tài)傳感器，高性能傳感器能夠每秒采集無人機所處海拔高度、螺旋槳轉速、空間方位姿態(tài)、各方向速度、空間重力情況等多維度的數(shù)據(jù)，并實時更新，提供全面、及時、可靠的全方位數(shù)據(jù)，幫助防墜機安全算法在無人機墜機之時做出最為正確的判斷［4］。而且海拔與姿態(tài)傳感器采用雙冗余設計，提升無人機墜機裝置的可靠性。一旦其中一套傳感器發(fā)生故障時，無人機防墜機裝置將自動切換至備用傳感器采集數(shù)據(jù)，為防墜機安全算法提供所需數(shù)據(jù)。

2.6 采用大面積傘布減小緩沖距離

降落傘的基本原理就是利用空氣阻力減小下降速度。簡單地說就是用比較大的傘面增加自由落體下降時的阻力，減小下降時的速度，使無人機能夠承受自身下降的速度和由于自身重量產(chǎn)生的動量，避免由于速度過高摔壞，甚至危機周邊物品及人員安全。降落傘的下落速度和空氣密度、傘的形狀特性、載重量等因素有關，總體上可以用降落傘拉力方程來表述：

其中，F(xiàn)D為拉力，ρ為空氣密度=1.22kg／m3，Cd為風阻系數(shù)，A為降落傘面積，v為空氣的相對速度。

當載重的重力與降落傘拉力相等時，降落傘勻速下降，即有：

其中，F(xiàn)G為重力，m為載重質量，g為重力加速度=9.81m ／s2。

降落傘面積：

又因為：

由式（4）和式（5）得出降落傘直徑：

基于以上降落傘拉力方程和電力行業(yè)常見的無人機負載重量綜合計算的結果，為最大化適應電力行業(yè)的應用，無人機防墜機裝置將采用0.5m2的大面積傘布，以及結合布料特殊涂層，降低傘布質量，提高布料密閉性，減緩下降速度，使得緩沖距離大大減小。

2.7 47g極致超輕和流體外觀設計

在電力行業(yè)的通道巡檢和精細化巡檢作業(yè)中，無人機需要搭載相機，無人機在無掛載的情況下，續(xù)航時間一般在30-60分鐘之內，而搭載了相機或其他掛載的話，續(xù)航時間將進一步縮短。為了最大化減少對原本作業(yè)時長的影響，保障原本的作業(yè)效率不變，無人機防墜機裝置將會把重量做到低至47g，將其安裝在無人機上，就相當于一個成年人手上拿著兩個雞蛋的重量，幾乎可以忽略不計。

另外，無人機防墜機裝置在外形設計方面將采用流體外觀設計，有效降低風阻，減少作業(yè)時安裝裝置帶來的額外續(xù)航損失，高效貼合無人機背部，平穩(wěn)飛行，不影響下置負載的任何功能。

2.8 強勁續(xù)航與防塵防水

無人機防墜機裝置將配備新一代節(jié)能芯片，待機功耗將降至6.8微安，80天超長待機，連續(xù)啟用時續(xù)航時間長達25小時，可供滿電無人機循環(huán)多次，不但如此，還將為無人機防墜機裝置配備自動休眠、低電量預警反饋功能。30分鐘快速充電，大容量鋰電池理論充放電500次以上。

IP54防塵防水，在巡檢過程中，如果遇到下雨，也無需擔心無人機防墜機裝置被淋壞，而且底部采用硅膠材質，具有防滑穩(wěn)定的性能，最大化克服雨天帶來的影響。

3 結論

本文研究了無人機的防墜機裝置，包括對無人機可控降落傘包和保護罩的設計?？煽亟德鋫惆山档蜔o人機墜落損壞率，在無人機飛行時，遇到認為操作失誤及不可避免的外接因素導致墜機時，最大幅度減少無人機的損壞，保障無人機的安全作業(yè)，以及無人機萬一炸機損壞的維修成本，并大大排除無人機砸到人導致的人員傷亡事故，提高運維人員和作業(yè)的安全性；而保護罩可降低無人機的墜機率，使人為操作失誤導致墜機的概率大大降低，可避免小剮蹭無人機炸機，碰撞后即可反彈，與傳統(tǒng)無人機碰撞后易導致墜毀相比，添加無人機保護罩大大增加了其安全性。