無人機掛載照明裝置的研究與分析

摘 要：對無人機照明的研究背景以及無人機掛載照明裝置的設(shè)計原理、性能評估及成效分析進行探討，以發(fā)掘其在夜間施工、應(yīng)急救援等多個場景的應(yīng)用潛力。首先，概述了無人機照明領(lǐng)域的研究背景；隨后，詳細分析了掛載照明裝置的關(guān)鍵技術(shù)，包括掛載結(jié)構(gòu)、照明燈選配、控制系統(tǒng)開發(fā)等；同時，評估了無人機掛載照明裝置的優(yōu)缺點，通過深入分析和實驗驗證，證明了無人機掛載照明裝置作為新型照明解決方案的可行性和優(yōu)越性；最后，分析了應(yīng)用成效，并對未來發(fā)展方向提出了展望。

關(guān)鍵詞：無人機；無人機掛載；照明裝置

中圖分類號：V279" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2025）07-0028-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.07.007

0" " 引言

隨著無人機技術(shù)的快速發(fā)展，無人機的掛載能力、飛行穩(wěn)定性、續(xù)航能力等不斷提升，為掛載照明提供了更加可靠的技術(shù)支持。同時，照明技術(shù)也在不斷進步，如LED光源的能效提升、智能控制系統(tǒng)的應(yīng)用等，使得無人機照明的效果更加顯著。無人機掛載照明結(jié)合了無人機的靈活性和照明及控制技術(shù)，為多種場景提供了創(chuàng)新解決方案，盡管當前技術(shù)仍存在一定缺點和不足，但隨著技術(shù)的不斷進步和完善，無人機掛載照明裝置將在更多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，為經(jīng)濟社會發(fā)展注入新的活力。

1" " 研究背景

現(xiàn)有無人機技術(shù)不僅具備垂直起降、高空懸停、快速轉(zhuǎn)移等功能，還具有較強的負載能力，能搭載各種附屬設(shè)備進行高空作業(yè)。但夜間光線昏暗，能見度低，無人機作業(yè)安全性下降，導致應(yīng)用受到限制。隨著城市化進程的加快和夜間活動的興起，社會對夜間照明的需求不斷增加，無人機與高效節(jié)能照明技術(shù)結(jié)合，解決了無人機夜間作業(yè)[1]受限問題，在多個領(lǐng)域展現(xiàn)出了其獨特的優(yōu)勢和潛在的價值。社會對于無人機產(chǎn)業(yè)的發(fā)展給予了高度關(guān)注和支持，對于照明產(chǎn)業(yè)與高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的跨界融合也給予了積極鼓勵，在實景三維、低空經(jīng)濟等國家戰(zhàn)略規(guī)劃的推動下，無人機照明的應(yīng)用場景將進一步拓展。

無人機系留照明[2]作為無人機照明解決方案之一，在應(yīng)急救援、夜間施工等場合中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。無人機通過系留電纜與地面電源相連，能夠持續(xù)穩(wěn)定地懸停在空中，為特定區(qū)域提供長時間連續(xù)照明，但是在高續(xù)航照明的同時，無人機受到系留電纜長度限制，無法脫離電源遠距離飛行，限制了應(yīng)用場景和范圍。為突破無人機照明的技術(shù)瓶頸，研制了一種可以無線遙控的掛載照明裝置，將自帶電源的照明設(shè)備與無人機腳架結(jié)合為一體，設(shè)計成無人機標準配件，以提高無人機在夜間飛行的可視性、識別性和安全性，為無人機夜間作業(yè)創(chuàng)造安全的飛行環(huán)境。

2" " 設(shè)計原理

2.1" " 掛載結(jié)構(gòu)

無人機掛載照明裝置的掛載結(jié)構(gòu)設(shè)計，需要分析結(jié)構(gòu)材質(zhì)、掛載點以及固定方式等方面。作為無人機附屬配件，掛載重量應(yīng)該盡可能輕盈，減輕無人機負載，因此選擇與無人機腳架相同的碳纖維材質(zhì)較為適宜。掛載點的選擇應(yīng)考慮不能影響無人機飛行穩(wěn)定性和照明效果，掛載后保持重心與無人機一致，因此選擇兩主四輔的照明組合掛載方式，如圖1所示。

兩臺主探照燈通過圓形可調(diào)卡具掛載于兩副起落腳架外側(cè)，避免遮擋無人機云臺鏡頭、視覺傳感器等功能組件，主探照燈與腳架之間設(shè)置轉(zhuǎn)向舵機，腳架四角末端設(shè)置四只方位燈，通過內(nèi)置于起落腳架空心管中的線纜供電，如圖2所示。

2.2" " 照明燈選配

無人機掛載照明應(yīng)具備高亮度、長續(xù)航等特性，以提供足夠的光照來滿足夜間場景需求。LED照明近年來技術(shù)不斷成熟發(fā)展，成本隨之降低，其因獨特的發(fā)光原理，不會產(chǎn)生過多熱量，具有節(jié)能、高效、環(huán)保、小巧等優(yōu)勢，因而成為搭配無人機照明的首選。主探照燈選擇聚光、泛光兩種大功率高亮度白光燈珠，可根據(jù)光照強度、照射面積等實際需求切換聚光和泛光；方位燈可選擇紅色或白色LED燈珠，達到示廓避障和裝飾照明的雙重效果，如圖3所示。

2.3" " 電池選配

主探照燈內(nèi)配可充電鋰電池，為主探照燈、方位燈、掛載裝置供電，可根據(jù)無人機載重情況選配電池容量，實現(xiàn)脫離系留線長時間照明。在無人機滿電狀態(tài)下掛載照明裝置啟動，與未掛載時的續(xù)航能力進行對比，進行續(xù)航能力測試，由于掛載照明裝置增加了無人機的負重，無人機的續(xù)航能力小幅度下降，但仍在可接受范圍內(nèi)，后期可通過優(yōu)化電源管理、減輕掛載重量來提高無人機續(xù)航能力[3]。按照大疆M200型號無人機設(shè)計，5 W照明及控制供電，選配3 000 mAh鋰電池即可實現(xiàn)長達4 h以上照明續(xù)航，滿足夜間巡檢需求。

2.4" " 控制系統(tǒng)開發(fā)

主探照燈內(nèi)置無線控制模塊，通過集成遠程遙控、光照切換、故障自檢等電路設(shè)計，可以實現(xiàn)多路無干擾便捷控制，并根據(jù)實際需求調(diào)整照明效果。燈體搭配數(shù)字舵機，編寫控制邏輯，精準控制旋轉(zhuǎn)角度和方向；采用2.4 GHz跳頻遙控技術(shù)，通過編寫代碼來控制發(fā)射器發(fā)送信號，編寫接收器的代碼來解析信號并執(zhí)行相應(yīng)的動作，實現(xiàn)照明裝置無線控制，也可與其他智能設(shè)備或系統(tǒng)聯(lián)動以實現(xiàn)智能控制?？刂葡到y(tǒng)原理圖如圖4所示。

3" " 性能評估

3.1" " 性能測試

通過仿真分析和實際測試，分別對比掛載照明裝置前后無人機的飛行姿態(tài)和飛行速度，分析無人機的振動情況和飛行軌跡穩(wěn)定性。掛載后飛行姿態(tài)變化范圍略有增加，平均飛行速度略有下降，但仍在可接受范圍內(nèi)，驗證了掛載結(jié)構(gòu)對無人機飛行性能的影響較??；安裝后兩側(cè)對稱、與機身保持重心一致，在高速飛行、急轉(zhuǎn)彎等復雜飛行動作下，照明設(shè)備均能保持穩(wěn)定，不產(chǎn)生晃動或偏重現(xiàn)象。飛行穩(wěn)定性對比測試如表1所示。

經(jīng)過嚴格的電氣性能、光學性能、掛載穩(wěn)定性、安全性檢測，無人機掛載照明裝置各項性能指標均達到設(shè)計要求，在照明范圍、亮度與角度、耐用性與穩(wěn)定性、智能化與可控性等方面均表現(xiàn)優(yōu)異。

3.2" " 優(yōu)勢分析

1）高效性：實現(xiàn)視距100 m遠距離遠程遙控，能迅速到達指定區(qū)域，實現(xiàn)快速部署和照明，大幅提高應(yīng)急響應(yīng)速度，提供快速、穩(wěn)定、均勻的照明效果，確保施工或巡檢工作的順利進行。

2）靈活性：可以靈活調(diào)整無人機飛行高度和角度，實現(xiàn)大范圍、多角度的照明覆蓋，滿足不同場景下的照明需求，也可通過多架無人機協(xié)同作業(yè)，可以進一步擴大照明范圍，實現(xiàn)無死角照明。

3）適應(yīng)性：不受地面障礙物限制，能夠在復雜地形和惡劣環(huán)境下進行照明作業(yè)，對于一些難以到達或傳統(tǒng)照明方式無法覆蓋的區(qū)域極為適用。

4）安全性：通過無人機進行照明作業(yè)，可以減少人工參與高空作業(yè)或進入危險區(qū)域的需求，降低了人員安全風險，特別是在危險或難以到達的區(qū)域作業(yè)時，更能體現(xiàn)出其安全性優(yōu)勢。

5）便捷性：裝置整體重量為0.6 kg，便于攜帶和放置，按照無人機標準配件設(shè)計，可以方便地掛載到各種類型的無人機上，無須對無人機進行改裝。

3.3" " 缺點分析

1）續(xù)航能力與載重限制：無人機的續(xù)航能力和載重能力有限，掛載照明裝置后飛行時間進一步縮短，這就限制了照明設(shè)備的功率和重量，使其在長時間、大范圍照明任務(wù)中的應(yīng)用受到影響。

2）操作難度與技能限制：操作人員應(yīng)具備無人機駕駛員資質(zhì)和一定的技能水平，需要經(jīng)過專業(yè)培訓才能熟練掌握，在緊急情況下，如何快速、準確地操作無人機進行照明作業(yè)是一個挑戰(zhàn)。

3）環(huán)境干擾限制：惡劣天氣或電磁干擾等環(huán)境下無人機飛行受限，直接影響無人機照明作業(yè)的安全性和穩(wěn)定性。

4" " 成效分析

4.1" " 經(jīng)濟效益

對于無人機操控者而言，掛載照明裝置有效提高了無人機的安全性能，降低了無人機意外撞擊或墜落的風險，減少了相關(guān)的經(jīng)濟損失和社會負面影響；對于無人機照明應(yīng)用者而言，掛載照明裝置有效改善了夜間作業(yè)環(huán)境，顯著提高了夜間作業(yè)效率，減少了因光線不足導致的重復作業(yè)和事故風險，從而節(jié)約了人力、物力成本，為企業(yè)帶來了持續(xù)的成本節(jié)約效益。

4.2" " 社會效益

無人機掛載照明裝置拓展了無人機的應(yīng)用場景，能夠引起社會對無人機技術(shù)的廣泛關(guān)注，進而提升公眾對無人機技術(shù)的認知度和接受度，增加無人機市場需求，促進無人機產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和創(chuàng)新，使其能夠在更多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用；同時帶動了相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)的協(xié)同發(fā)展，有利于推動整個行業(yè)的健康發(fā)展，進一步促進經(jīng)濟發(fā)展和社會進步。

5" " 結(jié)束語

無人機掛載照明裝置作為創(chuàng)新的照明解決方案，具有顯著的優(yōu)勢和廣闊的前景，隨著技術(shù)的不斷進步和應(yīng)用場景的不斷拓展，會有更多無人機照明產(chǎn)品推向市場，為更多領(lǐng)域提供更加高效、靈活、安全的照明解決方案。無人機照明市場規(guī)模將保持快速增長態(tài)勢，相關(guān)標準規(guī)范也將逐漸建立完善，這將有助于規(guī)范市場秩序、提高產(chǎn)品質(zhì)量和安全性、促進產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展。

[參考文獻]

[1] 國網(wǎng)江西省電力有限公司.江西贛州公司：無人機照明助力夜間作業(yè)[J].農(nóng)村電氣化，2024（1）：44.

[2] 藍偉松.基于多旋翼無人機的系留照明系統(tǒng)的研究[J].機電信息，2019（36）：12-13.

[3] 鄭玉浩，于學超，梁剛，等.一種虛擬電池的無人機長續(xù)航照明系統(tǒng)的研究[J].農(nóng)村電氣化，2023（2）：76-80.

收稿日期：2024-12-20

作者簡介：原偉森（1986—），男，山東人，工程師，研究方向：輸電線路運檢技術(shù)。