航空攝影中油動無人機再啟動技術研究

劉遐齡，趙 楨，周云波

（1.四川測繪地理信息局測繪技術服務中心，四川 成都 610081）

航空攝影中油動無人機再啟動技術研究

劉遐齡1，趙 楨1，周云波1

（1.四川測繪地理信息局測繪技術服務中心，四川 成都 610081）

針對油動固定翼無人機在執行航攝任務中易發生熄火的現象，以無人機發動機工作原理為基礎，結合無人機在航攝過程中的實際工作情況，探究了發動機意外熄火后的遠程再啟動技術。通過此項技術可以顯著提升現有無人機裝備性能，確保無人機飛行平臺、作業人員及作業區域的安全，從而保證無人機能夠穩定且有效地開展數據獲取作業。

無人機；發動機；再啟動；航攝

無人機航攝技術以其現勢性強、數據獲取快、成本低等優勢，在地質災害監測與防治、農業估產、土地調查、土地整理、水利電力工程建設、鐵路、公路、輸油管道帶狀選線工程等領域得到廣泛應用。其中，與電動固定翼無人機相比，油動固定翼無人機作業范圍更廣、續航時間更長、載荷量更強，成為無人機航攝的主力機型。近年來，無人機航攝作業過程中，發生過多起發動機熄火事件，雖然多數情況下無人機迫降成功，但也給無人機帶來了損傷，更有少量無人機墜毀，不僅耽誤了作業工期，還造成了巨大的經濟損失。若在搶險救災關鍵時期開展核心災區或生命通道航攝作業，發動機熄火將會嚴重耽誤搶險救災進程。因此，開展無人機遠程再啟動技術研究具有重要意義。

1 國內外研究現狀

目前，國內外學者們關于無人機飛行故障的研究主要集中在對設備故障檢測和診斷方面。對于油動無人機發動機的熄火后再啟動，僅限于理論研究。而且，在實際生產中應對油動無人機在飛行狀態中發動機熄火問題并無有效解決措施，通常僅是地面站操作人員發送開傘指令打開降落傘或依賴飛控手飛行經驗進行迫降以減小無人機飛行平臺的損失，但如果這一問題發生在高山、峽谷等地形復雜的作業地區，很可能丟失無人機及其搭載的航攝設備。

發動機意外熄火后，為了避免無人機設備損失和作業進程延誤，確保無人機安全返航或繼續執行航攝任務。本文從油動無人機發動機、自駕儀、地面站等軟硬件出發，探究油動無人機發動機遠程再啟動技術。

2 研究方案

2.1 總體方案設計

本實驗先對國內外油動無人機進行深入調研，然后以調研資料為依據選定實驗所需的油動無人機發動機、無人機飛行器和自駕儀等設備，接著開展發動機電子點火系統的設計和安裝、地面站和自駕儀程序的升級改造、集成調試等工作，最后進行實驗驗證。具體技術路線見圖1。

圖1 技術路線圖

2.2 發動機遠程啟動設計方案

通常，油動無人機發動機的啟動是借助外力帶動發動機曲軸旋轉，進而點燃發動機汽缸內的油汽混合氣，達到啟動目的。無人機在地面點火時，通過撥動螺旋槳進行啟動，但無人機在空中時，無法借助外力啟動。為了解決這個問題，本實驗對發動機進行改造，如下圖2所示。選用DLE60汽油雙缸發動機作為改造對象，在發動機上安裝減速齒輪組和動力裝置（啟動電機）。其中，減速齒輪組的主動輪安裝在啟動電機的主軸上，從動輪安裝在發動機的曲軸上。無人機發動機熄火后，地面站傳輸啟動脈沖信號啟動電機，啟動電機做的功通過電機主軸-主動輪-次動輪-從動輪傳遞到發動機曲軸，帶動發動機曲軸旋轉從而啟動發動機。

圖2 發動機改裝示意圖

2.3 地面站和自駕儀升級改造

為了實現啟動信號從自駕儀到發動機的傳輸，本實驗對地面站和自駕儀程序進行升級改造，選用多功能自動駕駛儀以及與其配套的地面站作為改造對象。改造過程包括：在自駕儀系統中開辟一個“啟動”脈沖通道，一方面將啟動電機的開關連接到該通道，另一方面將通道的控制啟動指令接口分別與數傳電臺、接收機相連。同時，在地面站軟件和遙控器中設置一個“啟動”功能鍵，用于向自駕儀的“啟動”通道發送啟動指令。在地面站對無人機工作狀態進行實時監測期間，一旦監測到發動機熄火信號，便由自駕儀系統控制無人機，使其保持較平穩姿態，接著地面站操作人員通過地面站電臺向自駕儀發出啟動指令，達到遠程啟動無人機的目的。

2.4 集成和驗證

將改造后的無人機發動機、自駕儀、地面站加以集成，形成一套新的無人機航攝系統，系統工作原理如圖3所示。

圖3 系統工作原理圖

驗證過程分3步進行驗證：

1）電子點火啟動測試。將無人機組裝調試完畢后，飛控手撥動無人機遙控器“啟動”開關啟動發動機。連續測試30次均啟動成功，進入地面站靜態啟動測試。

2）地面站靜態啟動測試。首先人為固定住無人機，通過地面站發送啟動指令，控制發動機遠程啟動。連續測試25次均啟動成功，進入飛行狀態啟動的測試。

3）飛行狀態啟動測試。按照無人機航攝作業流程，操控無人機起飛，起飛后切換至自駕狀態，按預設航線飛行。正常飛行期間無人機姿態平穩，高度基本保持一致。在無人機飛行10 min后，地面站操作人員發送發動機熄火指令，發動機停止工作，無人機進入滑翔狀態?；杵陂g，無人機的姿態參數、飛行高度、飛行速度均在飛行安全指標范圍內。發動機熄火5 s后，地面站操作人員發送發動機啟動指令，發動機成功啟動后，無人機沿自駕儀預設航線飛行。表1顯示了無人機在各個時期的飛行參數，從中可以看出再啟動后的無人機各項飛行參數值與熄火前相差較小，其中熄火過程中無人機飛行高度較預設航攝高度值僅低7 m，且在發動機再啟動后2 min內爬升至預設航攝高度，恢復正常飛行狀態，可繼續進行航攝作業。整個驗證過程共完成35次測試，每次測試無人機均能夠在發動機熄火的情況下成功完成再啟動。

表1 飛行狀態啟動測試相關飛行參數

驗證過程中，無人機多次電子點火啟動，地面站靜止啟動以及飛行狀態啟動測試，飛機均能夠使發動機在熄火的情況下再次啟動，期間未出現任何安全問題。

3 結 語

通過對油動固定翼無人機發動機改造，實現了油動固定翼無人機發動機熄火后遠程再啟，顯著提升了現有無人機發動機的工作性能，降低了無人機墜機事故的發生概率，確保無人機飛行平臺、作業人員及作業區域的安全，有效突破了當前制約無人機數據獲取的技術瓶頸。

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P231

B

1672-4623（2017）02-0036-02

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.02.011

2015-09-06。

項目來源：四川省測繪地理信息局科技支撐項目（J2015ZC07）。

劉遐齡，碩士研究生，主要從事無人機航攝關鍵技術研究工作。