一種用于機場道面結冰點GPS定點反饋并清除的無人機

溫宇軒 隋依桐

摘 要：中高緯地區的機場冬季普遍面臨機場道面結冰的問題，由降雪和結冰導致的機場延誤對機場和航空公司雙方都造成嚴重的損失;且如今道面除冰設備單一、效率低，主要應用大型除冰設施，例如除冰車等。但大型車輛裝置除冰具有時間長、不準確噴灑、易浪費的特點，甚至有些機場依舊采用鐵鍬等簡易設備除冰的現象。本項目使用載有除冰液的無人機對機場道面進行快速、無人化結冰檢測同時定點噴灑除冰液除冰并反饋其坐標，實現檢測-除冰-反饋一體化。能夠大大減少除冰液的使用以及人力和大型機械的使用，減輕除冰液對道面設備的腐蝕，加快整個機場的除冰流程，降低因長時間封閉機場作業產生的損失。

關鍵詞：道面 無人機 結冰檢測 GPS定點反饋 定點除冰

1引言

1.1 研究背景

中國秦淮以北地區冬季普遍會產生降雪。一般情況下，隨著緯度的升高，降雪量隨之增大，普通道面在積雪情況下也會被限制使用，對于極度重視安全和高效的機場來說，積雪、結冰和積水會嚴重影響跑道、滑行道等機場道面設施的使用，嚴重將導致機場封閉、航班延誤，給機場和航空公司雙方帶來重大損失。

道面有積雪時，一般應將積雪清除后在進行起飛和降落作業。不同的飛機對跑道積雪時起飛著陸的限制條件有差異，如TU-154飛機手冊限定跑道上雪泥厚度不超過12mm，干雪厚度不超過50mm時，飛機才可以起降[3]。然而當前機場的除冰流程為大型除冰車系統除冰——觀察是否留存結冰點——除冰工具深度清理——允許放行，此流程具有占用時間長、消耗人力多、對道面傷害大、殘留除冰液易腐蝕道面等情況存在，如圖1所示沈陽桃仙機場機械除冰后仍有明顯結冰點。

1.2研究意義

本項目針對中高緯度地區的機場冬季出現的結冰與積雪導致封閉機場的現象，擬使用無人機對初步除冰雪的機場道面進行除冰雪作業。應用此無人機可以增加結冰探測精度、加快除冰時間、減少人力使用、使機場管控中心及時了解機場內結冰情況并快速做出相應調整，最終降低因封閉機場作業而產生的損失;同時還能減輕除冰液過量使用造成的環境污染和資源浪費并減少其對機場道面的腐蝕。

2設計方案

2.1技術路線

本項目主要涉及以下三個部分

（1）無人機結構：該部分研究無人機GPS、如何使電池在寒冷條件下正常工作及無人機配重三部分。其中無人機配重采用15kg的無人機;無人機的電池采用帶有溫控單元的鋰電池在繼承其高效輸電的優良條件下，降低因低溫而導致其續航時間縮短的問題。

（2）紅外檢測裝置：該部分研究無人機如何對結冰區域判定。擬采用無人機對接收到紅外波長與冰所反射的波長一致的區域進行標記，計算并獲得結冰面積。[4]

（3）除冰機制：該部分研究無人機防結冰系統和除冰液噴灑系統[11][15]兩部分。

具體流程圖如圖2所示。

2.1外部結構

本項目無人機欲采用六旋翼無人機，在保持其能在風雪中穩定前進的同時[14]加裝儲藥箱和噴頭，紅外檢測設備能夠檢測是否結冰[4]，并通過控制噴頭噴灑除冰劑。本項目結構示意圖如圖3所示。

2.2控制系統設計

單片機系統是本系統的核心部分，起到檢測到結冰后控制噴頭噴灑除冰劑的作用。本項目采用STC89C52系列單片機作為除冰系統的主控制系統。

STC89C52單片機是一種帶8K字節閃爍可編程可擦除只讀存儲器的低電壓、高性能COMOS8的微處理器，由兩部分組成。

紅外傳感器額定電壓5V，水泵驅動電壓為12V，電源采用日常12V充電器用以給STC89C52單片機和整個系統充電。

3工作流程

當道面進行基本除雪操作后，地面仍有明顯結冰點從而造成車輛輪胎與地面間摩擦系數未達到規定系數時，使用本無人機。使用時通過無人機對除冰作業范圍內道面進行初掃描，當巡視過程中發現反射波長符合0℃及以下溫度的冰層時，控制器控制單片機從機載水箱中抽取除冰液對結冰點進行精確噴灑，待作業范圍內巡視完畢后，沿原路返回進行二次巡視，并將仍無法清除的結冰點反饋給控制人員。

4創新點及應用

（1）利用紅外探測，能夠增加對道面結冰情況的判斷精度，降低因人工檢測或其他設備檢測所帶來的誤差。

（2）使無人機做到在風雪等低溫條件下的正常運行。

（3）將檢測到的信息反饋給機場運控中心，使相關負責人及時了解機場結冰情況與除冰情況。[10]

5應用前景分析

如今，中國的基礎道路建設正處于飛速發展階段，尤其秦嶺-淮河線以北的北方大部將面臨的除冰作業壓力將會越來越大，而現如今的除冰工具大部分需要耗費大量人力，或者機械體積過于龐大導致無法進出相對來講狹窄的道面出入口，因此本項目依靠無人機輕捷、快速、靈活等特點，快速對結冰區域進行除冰作業，將大大解放人力，并將減輕冬季，包含機場、高速等各類道面的除冰作業壓力。雖然如今新建大型機場選擇鋪設機場跑道“自發熱”[12]，但由于其造價高昂、導熱效率不算很高、維護成本高等缺點[13]，導致小型機場、高速道面以及普通城市道路不可能使用此方法，因此未來使用無人機進行清冰作業的場景將越來越成為相關負責任的熱門之選。

參考文獻

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[15]宋雷潔.植保無人機施藥技術研究進展[J].現代農業科技， No.745（11）： 125-128.

作者簡介：

溫宇軒（1999-），男，山東青島人，濱州學院機場學院。隋依桐（2000-），女，山東煙臺人，濱州學院機場學院。

指導老師：朱新銘（1987-），女，山東菏澤人，濱州學院機場學院，助教。

苗飛（1979-），男，山東濱州人，濱州學院飛行學院，講師。

基金項目：2020年省級大學生創新創業訓練計劃項目（項目編號：S202010449059）