用于電力線作業的大載重無人機防墜落傘降系統

鄺江華，李化旭，喬曉光，鄧志勇，李劍川

1.智能帶電作業技術及裝備(機器人)湖南省重點實驗室(湖南省電力有限公司輸電檢修分公司)

2.帶電巡檢與智能作業技術國家電網公司實驗室（湖南省電力有限公司輸電檢修分公司)

3.湖南中部創新科技集團有限公司

本文提出一種大載重多旋翼無人機防墜落傘降系統的設計方案，重點介紹墜落實時監測的算法及實現裝置。

近年來，隨著多旋翼無人機技術的不斷發展，電力行業已嘗試采用大載重無人機及機器人開展電力線作業，在許多方面取得了一系列創新成果。

但是，大載重無人機在作業中一旦意外墜機，就會造成較嚴重的后果。一方面，大載重無人機墜機動能較大且成本較高，撞擊地面后無人機發生解體，經濟損失嚴重；另一方面，大載重無人機墜落將危及地面人員及設施的安全。

如何防止大載重無人機發生意外墜落，其自身防護裝備顯得尤為重要。任務載荷重量超過100kg的重載無人機在100m以下低空飛行的傘降保護技術面臨一系列挑戰。

下面闡述用于輸電線路作業的大載重無人機防墜落傘降系統，并介紹墜落監測時間、快速彈傘裝置及快速開傘技術。本文研究的大載重無人機低空開傘系統達到了預期效果。

傘降保護裝備發展概況

圖1 大重載無人機進行電力線作業。

從21世紀60年代開始，傘降保護技術已用于空投和飛機保護。傘降保護裝備的典型代表是美國和俄羅斯產品。俄羅斯大型裝備的傘降保護技術研究起步較早，也較為先進，可以空投重量達幾十噸的裝甲步兵戰車系統。美軍T11 高級戰術傘降系統的開傘高度為150m，投放載荷僅為一個單兵系統，未涉及重載系統。近年來，隨著無人機產業的蓬勃發展，無人機傘降保護技術與應用成為剛需，它是一種防止無人機在空中墜落的有效保護措施，許多院校的研究課題涉及了傘降保護技術。

傘降保護系統的作用

大載重無人機廣泛應用于輸電線路作業，優勢明顯。當大載重無人機懸吊技術輔助帶電作業時，作業環境或無人機運行狀態可能發生突變導致的無人機墜落，會對作業人員、電網、設備等生命財產造成危害。為最大程度降低大載重無人機墜落造成的影響，須要研制大載重無人機防墜落裝置，使無人機能以較低的速度降落地面，確保生命財產和無人機的安全。

表1 技術信息一覽表（以一種類型裝置為例）。

系統組成

該傘降保護裝置主要包括特種降落傘、降落傘容器、自動彈射器（發射筒拋射機構）、獨立控制器（包含加速度傳感器、氣壓計、黑匣子系統）、微型傘降北斗接收機（該接收機可選配，經緯度定位，定位精度±3m）、無線通信模塊等設備。其中，傘衣、獨立控制器、微型傘降北斗接收機、無線通信模塊、自動彈傘器是主要功能部件。

圖2 傘降保護系統示意圖。

系統作業原理

當大載重無人機在作業中出現能源不足或旋翼損壞等異常情況時，傘降保護系統的實時監測設備可監測到無人機的墜落。無人機墜落通常是垂直墜落或傾斜墜落，一般會使Z軸重力加速度的突變達到一定量值，或氣壓傳感器數值急速增大，這時控制器迅速打開自動彈射器，自動彈射器把降落傘多角牽引繩彈射出去，遇到空氣阻力后降落傘迅速張開，保證無人機緩慢降落，避免大載重無人機直接墜落到地面。

系統作業流程

（1）系統上電，監測中央處理器（CPU）與慣性測量單元（IMU）是否正常運轉。

（2）IMU監測到Z軸加速度異常。

（3）5次異常監測（每次1ms，共5ms），確認墜落，發出開傘信號。

（4）發射器發射傘邊緣牽引頭，射出開傘，預計響應時間25ms。

（5）傘降保護系統預計1s開傘后，受風阻影響，傘自動張滿。

（6）無人機以傘降方式自動降落到地面。

在作業過程中，控制器與主控之間可交換數據，通信模式是串口、I2C或SPI。

關鍵技術

本文主要研究用于輸電線路作業的大載重無人機防墜落傘降裝置，涉及降落傘裝置的結構設計、彈射策略、傘型分析、降落傘容器設計、降落傘彈射裝置設計、降落傘開傘機構以及降落傘控制電路（彈射執行電路）、低空拋傘的關鍵技術等內容。

其中墜落實時監測技術是最核心關鍵技術，即利用加速度傳感器的數據分析，判定無人機是否處于墜落狀態，從而驅動彈傘裝置執行彈傘操作。下面針對彈傘判斷，做進一步分析與代碼設計。

//先取Z軸加速度，再根據5ms的歐拉角輸出結果，計算出垂直重力方向上的加速度分量，針對IMU的加速度值、低通濾波、保持趨勢的穩定性，其STM32 MCU的C++代碼如下。

acc_Z=acc_Z+0.1*(imu_data.w_acc[Z] - acc_Z)；

acc_X=acc_X+0.1*(imu_data.w_acc[X] - acc_X)；

acc_Y=acc_Y+0.1*(imu_data.w_acc[Y] - acc_Y)；

圖3 加速度傳感器板與MCU監測系統。

//計算垂直重力加速度的分量，即垂直加速度值acc_D。當地導航系定義為北東地NED，C++代碼如下：

acc_D=-sin_pitch*acc_X+sin_roll*cos_pitch*acc_Y+ cos_roll*cos_pitch*acc_Z；

輔助判斷條件可以設置為Z軸速度的判斷，代碼如下。

（1）采用Z軸加速度進行估算的Z軸速度（向上為-，向下為+）

Z_vel_acc=-(imu_data.w_acc[Z]+0)*0.01；

其中，0是補償因子，補償后靜止時加速度值為0，0.01=10ms的采樣周期。

（2）采用高度值進行估算的Z軸速度（20ms采樣一次）

Z_vel_alt=-(baro_h-baro_h_old)*0.01；

//0.01是匹配因子，正常是除以時間獲得速度，這里匹配到個位數的變化，向上為正，向下為負。

（3）互補融合濾波

Z_vel=2.5*(0.5*Z_vel_acc+0.5*Z_vel_alt)；

此外，利用高度信息來做彈傘決策也非常準確，其原理比較簡單，本文不贅述。

試驗測試結果

傘降保護系統設計完后，制作出試驗裝置。微機電（MEMS）加速度傳感器與微控制器（MCU）監測系統詳見圖3、圖4、圖5。若干次高處墜落的試驗數據詳見圖6。

圖4 拋投器與牽引傘管套。

圖5 主傘筒與牽引傘。

根據以上設計與分析，對彈傘策略實現的裝置進行試驗。試驗結果表明，該傘降保護系統工作穩定可靠。當大載重無人機出現墜落時，該系統可以準確彈傘，這種傘降保護方法切實可行。

圖6 上圖和下圖為無人機自由墜落的實時數據記錄結果。