微型多旋翼無人機(jī)油箱檢查系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（濱州學(xué)院飛行學(xué)院，山東濱州市，256600）王士發(fā) 何 坤 王 碩

1 引言

近年來，國(guó)內(nèi)外民航事業(yè)發(fā)展迅猛，飛行安全變得尤為重要[1，2]。其中，飛機(jī)油箱故障是引起飛機(jī)安全事故的重要因素之一。飛機(jī)油箱作為飛機(jī)結(jié)構(gòu)的重要組成部分，是確保飛機(jī)飛行安全的基礎(chǔ)，需要對(duì)油箱滲漏及腐蝕情況進(jìn)行定期檢查。

目前，針對(duì)飛機(jī)油箱檢查的方式主要以人工目視檢查為主，需要機(jī)務(wù)人員進(jìn)入飛機(jī)油箱對(duì)漏點(diǎn)和腐蝕位置進(jìn)行確定，由于工作環(huán)境惡劣，油箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，操作空間小，燃油滲漏路徑難以分析，內(nèi)漏點(diǎn)很難確定，所以檢修油箱工作往往需要很長(zhǎng)的停場(chǎng)時(shí)間[3]。在油箱里工作的員工，大多會(huì)出現(xiàn)不同程度的惡心、興奮、疲勞、脫發(fā)等癥狀[4，5]。針對(duì)人工檢查飛機(jī)油箱存在的問題，國(guó)內(nèi)外有研究機(jī)構(gòu)提出多種利用機(jī)器人檢查飛機(jī)油箱的方案，其中包括浮游、爬行、吸附和連續(xù)體型機(jī)器人[6-8]。這些機(jī)器人系統(tǒng)能夠在一定程度上實(shí)現(xiàn)飛機(jī)油箱缺陷的檢查，但普遍存在行動(dòng)不便、設(shè)備笨重、檢查速度慢的缺點(diǎn)，而且還可能對(duì)油箱內(nèi)部造成損傷，相比于人工方式，提升效果有限。

本文設(shè)計(jì)了一種基于微型多旋翼無人機(jī)的飛機(jī)油箱檢查系統(tǒng)，應(yīng)用微型多旋翼無人機(jī)搭載微型高清夜視攝像機(jī)和微型超聲探測(cè)模塊對(duì)油箱按照規(guī)定的路徑進(jìn)行檢查，并將圖像信息實(shí)時(shí)傳送到地面站，以供機(jī)務(wù)人員進(jìn)行初步分析。該系統(tǒng)能夠極大地提高油箱檢測(cè)效率和精度，降低機(jī)務(wù)維修人員的工作強(qiáng)度、改善了機(jī)務(wù)人員的工作環(huán)境，避免出現(xiàn)人身安全等事故，對(duì)民航事業(yè)快速健康發(fā)展有著重要意義。

2 微型無人機(jī)本體介紹

由于飛機(jī)油箱環(huán)境體積有限，因此本系統(tǒng)擬設(shè)計(jì)搭建微型多旋翼無人機(jī)，對(duì)所選用機(jī)架、電機(jī)、電調(diào)、飛行控制器、電池、數(shù)據(jù)傳輸鏈路等進(jìn)行選型，將上述部件進(jìn)行有序組裝，完成微型多旋翼無人機(jī)本體構(gòu)建?？紤]油箱油氣混雜、易燃易爆的特點(diǎn)，對(duì)無人機(jī)本體進(jìn)行防爆處理，重點(diǎn)對(duì)電池接口、飛控板插針、電調(diào)電機(jī)接口等易發(fā)生電火花的裸露部分進(jìn)行封裝，以避免引起油箱爆燃。

基于微型多旋翼無人機(jī)的飛機(jī)油箱檢查系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。由圖1（a）可以看出，無人機(jī)本體上安裝有外殼，外殼上下是碳纖維板（6），無人機(jī)的四周為塑料外殼和海綿保護(hù)層（4），具體設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)如圖1（b）所示，電機(jī)座（5）固定安裝在碳纖維板上，所述碳纖維板的中間位置安裝有飛控與圖像處理模塊（1）；無人機(jī)的機(jī)頭方向固定安裝有云臺(tái)、攝像機(jī)和超聲探測(cè)模塊（2），無人機(jī)的機(jī)尾安裝信號(hào)傳輸模塊（3）；無人機(jī)通過圖像傳輸模塊連接地面站。

圖1 無人機(jī)本體結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)總體技術(shù)路線圖如圖2所示。主處理器采用STM32嵌入式芯片，主要負(fù)責(zé)采集傳感器檢測(cè)到的姿態(tài)信息并實(shí)時(shí)解算，根據(jù)攝像頭采集到的圖像信息，通過二值化算法，得到具體的信息，通過openmv計(jì)算輸出控制量，并把控制量傳遞給STM32，控制無人機(jī)的飛行姿態(tài)。通過無線通信模塊與遙控器進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的起飛、降落及飛行姿態(tài)和位置的調(diào)整。

圖2 技術(shù)路線圖

3 油箱特征檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)油箱檢測(cè)的特征檢測(cè)模塊主要包括油箱特征提取模塊和采樣信息處理模塊系統(tǒng)，具體介紹如下。

3.1 油箱特征提取模塊設(shè)計(jì)

由于微型多旋翼無人機(jī)體積較小，且作業(yè)環(huán)境為光線較暗、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的油箱環(huán)境，因此，本系統(tǒng)擬選用微型高清夜視攝像機(jī)和微型超聲探測(cè)模塊對(duì)油箱特征進(jìn)行提取。無人機(jī)搭載微型高清攝像機(jī)進(jìn)行油箱特征提取，并將采樣信息通過圖像傳輸模塊傳回地面站。對(duì)于油漬堆積較多的區(qū)域，攝像機(jī)采集的圖像信息難以真實(shí)反映油箱結(jié)構(gòu)缺陷情況，利用微型超聲探測(cè)模塊進(jìn)行輔助檢查，并實(shí)時(shí)將探測(cè)信息傳回地面站進(jìn)行信息處理。

3.2 采樣信息處理模塊設(shè)計(jì)

對(duì)圖像傳輸模塊進(jìn)行選型，地面站實(shí)時(shí)接收無人機(jī)飛行狀態(tài)信息、攝像機(jī)和超聲探測(cè)模塊發(fā)回的油箱特征采樣信息。為了提高油箱檢查精度，采用基于非線性濾波器的數(shù)據(jù)融合算法對(duì)圖像和超聲探測(cè)信息進(jìn)行融合處理，確定油箱缺陷位置，并將信息處理結(jié)果實(shí)時(shí)傳送至顯示模塊，使機(jī)務(wù)人員及時(shí)了解油箱表面受損情況。

基于微型多旋翼無人機(jī)的飛行油箱檢查系統(tǒng)工作流程圖如圖3所示。無人機(jī)通過圖像傳輸模塊連接地面站，圖像傳輸模塊采用FPV（第一人稱視角）模式操縱無人機(jī)進(jìn)入飛機(jī)油箱內(nèi)部，無人機(jī)通過圖像傳輸模塊將采集到的圖像和超聲探測(cè)信息傳送至地面站，地面人員對(duì)采樣結(jié)果進(jìn)行分析，確定油箱缺陷位置。地面站實(shí)時(shí)接收無人機(jī)飛行狀態(tài)信息、攝像機(jī)和微型超聲探測(cè)模塊發(fā)回的油箱特征采樣信息。為了提高油箱檢查精度，機(jī)務(wù)人員重點(diǎn)研究圖像和超聲探測(cè)信息的數(shù)據(jù)融合算法，確定油箱缺陷位置，并將信息處理結(jié)果實(shí)時(shí)傳送至顯示模塊，使機(jī)務(wù)人員及時(shí)了解油箱表面受損情況，對(duì)損壞的油箱進(jìn)行及時(shí)檢修。

圖3 系統(tǒng)工作流程圖

4 結(jié)語

該系統(tǒng)預(yù)計(jì)會(huì)對(duì)民航機(jī)務(wù)維修行業(yè)帶來一個(gè)巨大的革新，采用無人機(jī)代替人工作業(yè)，可減少勞動(dòng)力需求，提高作業(yè)效率和質(zhì)量，給民航維修業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，通過無人機(jī)可大大減少在飛機(jī)維修時(shí)所產(chǎn)生的安全事故，保障機(jī)務(wù)人員的生命安全和身體健康。通過民航業(yè)對(duì)無人機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用，有利于提高我國(guó)無人機(jī)整體發(fā)展水平，對(duì)我國(guó)推動(dòng)無人機(jī)發(fā)展水平有顯著效果。