基于多旋翼無人機防墜機裝置的研究

黃興，賴照明，陳國平，琚成炎，李龍生

（廣州供電局，廣東 廣州 510310）

在電力行業的架空線路運維工作中，無人機巡檢已成為必不可少的運維工具，在日常的巡視、線路驗收、故障排查、檢測中廣泛使用。由于線路巡檢工況復雜，對無人機操作人員要求非常高，而且隨著無人機的功能逐漸完善，除本身耗費較大之外，所攜帶的電子設備也越來越尖端、精密，且造價昂貴，所以無人機的使用安全問題顯得尤為重要。

本文通過研究多旋翼無人機的防墜機裝置，有效克服炸機問題，為作業人員減少心理負擔，提高作業的成功率，為巡檢人員提供安全、可靠、便捷的巡檢作業，能夠極大地避免因錯誤操作帶來的巨大社會經濟損失。此外，本裝置可形成具有自主知識產權的新產品，彌補我國在無人機墜機防護領域的技術空白。

1 無人機墜機的因素

在無人機的日常巡檢中，有時會發生無人機墜毀事件，炸機一般由以下原因造成：

（1）運維人員操作失誤。對于線路運維，高壓線高壓塔一般都建造在山區，飛行環境比較復雜，運維飛行人員需要承受很大的工作壓力，特別是在高強度的飛行作業中，運維人員更容易飛行操作失誤，從而導致無人機墜機；

（2）電池掉電。高強度的運維工作往往會致使無人機電量大幅度衰減，即電池電量為虛電。由于掉電很快，按照遙控器APP上顯示的電量來規劃返航往往來不及，這時也常導致炸機；

（3）突現障礙。無人機在高壓線飛行開展作業時，偶爾會有許多鳥在附近飛行活動，如果這時候無法準確預判小鳥的飛行軌跡，操控無人機避開小鳥，也將會導致炸機事件的發生；

（4）強風大雨。在遠距離巡檢時，突降大雨，導致無人機無法及時返航，也將容易導致炸機。

無人機炸機不僅是設備損失，還可能造成其他次生事件，造成更大不可知的損失。因此，無人機的使用安全問題尤為重要，有必要對無人機墜機前進行保護，確保不出現炸機情況。

2 總體技術方案

2.1 無人機降落傘設計

通常按時序將降落傘的工作過程劃分為三個階段，即拉直過程、充氣過程和穩定下降過程。在拉直過程中，處于緊捆扎狀態的傘繩和傘衣從傘倉里迅速拉出；充氣階段是指從傘衣系統全長拉直起到傘衣第一次充滿為止的整個過程；在傘衣完全充滿后，啟動阻力將物-傘系統繼續減速直至到達穩定的平衡狀態，這一過程為穩定下降階段［2］。傘衣充滿條件如下：

為了使降落傘能夠順利的充氣并充滿，物-傘系統在開傘時的速度要求足夠大，滿足開傘所需動壓。但是降落傘充滿所需的速度有一定的范圍限制，即傘衣充滿條件。通過推導可以得到降落傘是否能充滿的判據：

（1）若Vmin＜V＜Vlk，則傘衣立即充滿；

（2）若4Vd＜Vlk＜V，則傘衣經歷過一段時間后充滿；

（3）若Vlk＜4Vd＜V，則傘衣不能充滿。

其中，Vmin為最小開傘速度，Vlk為臨界開傘速度，Vd為傘衣充滿后系統穩定下來的速度，V為傘衣充氣時系統的速度，降落傘為彈射開傘，重量可縮小50g以內。

圖1 無人機降落傘包示意圖

2.2 無人機保護罩結構設計

近年來，小型無人機在航拍、測繪、農業植保、線路巡查、電力巡檢等領域得到了廣泛應用。多旋翼無人機失控掉落時，其狀態是無法確定的，機械機構對無人機全方位保衛可以大大降低無人機因小碰撞而導致的失控問題［3］。如圖2所示用保護罩對無人機各個方位都進行了保護，最大地保障了無人機因操作失誤對物體進行小剮蹭而導致的炸機，槳葉停轉時，也能在無人機墜落前提供一定的緩沖，極大減少無人機的損壞。但飛行掛載較多，可能會小幅度地影響無人機的續航時間，續航時間會因此而減少。

圖2 無人機降落傘包加保護罩示意圖

2.3 通過2.4g控制降落傘包打開

2.4g無線技術是一種無線傳輸技術，其將頻段設置在2.405GHz與2.485GHz之間，而且這一頻段在很多國家都是免費的，因此其使用價值及前景非常廣泛。無線數據傳輸的實現是通過RFW102無線芯片模組來完成的，所需頻段為2.4GHz的ISM頻段，適合電壓在2.7V-3.6V之間，對任何電源都適用，速率可達到1Mbps，有效傳輸距離為2千米，降落傘模塊可通過手動控制打開降落傘，無人機在失控后，可迅速按打開鍵，降落傘包可完成打開動作。降落傘順利打開后可大大降低墜機的損壞程度。

2.4 人工智能算法高速判斷

基于人工智能算法技術，以及結合多年研究無人機的豐富應用經驗，針對無人機防墜機應用領域自主研發一種防墜機安全算法，無人機防墜機裝置通過搭載防墜機安全算法和高性能芯片，可對無人機進行每秒50次的狀態判斷，每秒325次的姿態數據分析，每秒6000次危險檢測，通過對狀態判斷數據、姿態數據、危險檢測數據等與墜機相關的多維度核心數據綜合分析判斷，構建一個立體化的防墜機判斷模型，在通道巡視或者精細化巡視的作業中，無人機一旦發生墜機，瞬間判斷，響應速度只有10毫秒，開傘反應時間僅為140毫秒。

2.5 海拔與姿態傳感器雙冗余檢測

如果無人機在巡檢作業中一旦發生墜機，那么在墜機的過程中，無人機海拔高度和姿態數據對于防墜機安全算法做出是否開傘的判斷而言，是十分重要的。因此，無人機防墜機裝置將配備高性能的無人機海拔和姿態傳感器，高性能傳感器能夠每秒采集無人機所處海拔高度、螺旋槳轉速、空間方位姿態、各方向速度、空間重力情況等多維度的數據，并實時更新，提供全面、及時、可靠的全方位數據，幫助防墜機安全算法在無人機墜機之時做出最為正確的判斷［4］。而且海拔與姿態傳感器采用雙冗余設計，提升無人機墜機裝置的可靠性。一旦其中一套傳感器發生故障時，無人機防墜機裝置將自動切換至備用傳感器采集數據，為防墜機安全算法提供所需數據。

2.6 采用大面積傘布減小緩沖距離

降落傘的基本原理就是利用空氣阻力減小下降速度。簡單地說就是用比較大的傘面增加自由落體下降時的阻力，減小下降時的速度，使無人機能夠承受自身下降的速度和由于自身重量產生的動量，避免由于速度過高摔壞，甚至危機周邊物品及人員安全。降落傘的下落速度和空氣密度、傘的形狀特性、載重量等因素有關，總體上可以用降落傘拉力方程來表述：

其中，FD為拉力，ρ為空氣密度=1.22kg／m3，Cd為風阻系數，A為降落傘面積，v為空氣的相對速度。

當載重的重力與降落傘拉力相等時，降落傘勻速下降，即有：

其中，FG為重力，m為載重質量，g為重力加速度=9.81m ／s2。

降落傘面積：

又因為：

由式（4）和式（5）得出降落傘直徑：

基于以上降落傘拉力方程和電力行業常見的無人機負載重量綜合計算的結果，為最大化適應電力行業的應用，無人機防墜機裝置將采用0.5m2的大面積傘布，以及結合布料特殊涂層，降低傘布質量，提高布料密閉性，減緩下降速度，使得緩沖距離大大減小。

2.7 47g極致超輕和流體外觀設計

在電力行業的通道巡檢和精細化巡檢作業中，無人機需要搭載相機，無人機在無掛載的情況下，續航時間一般在30-60分鐘之內，而搭載了相機或其他掛載的話，續航時間將進一步縮短。為了最大化減少對原本作業時長的影響，保障原本的作業效率不變，無人機防墜機裝置將會把重量做到低至47g，將其安裝在無人機上，就相當于一個成年人手上拿著兩個雞蛋的重量，幾乎可以忽略不計。

另外，無人機防墜機裝置在外形設計方面將采用流體外觀設計，有效降低風阻，減少作業時安裝裝置帶來的額外續航損失，高效貼合無人機背部，平穩飛行，不影響下置負載的任何功能。

2.8 強勁續航與防塵防水

無人機防墜機裝置將配備新一代節能芯片，待機功耗將降至6.8微安，80天超長待機，連續啟用時續航時間長達25小時，可供滿電無人機循環多次，不但如此，還將為無人機防墜機裝置配備自動休眠、低電量預警反饋功能。30分鐘快速充電，大容量鋰電池理論充放電500次以上。

IP54防塵防水，在巡檢過程中，如果遇到下雨，也無需擔心無人機防墜機裝置被淋壞，而且底部采用硅膠材質，具有防滑穩定的性能，最大化克服雨天帶來的影響。

3 結論

本文研究了無人機的防墜機裝置，包括對無人機可控降落傘包和保護罩的設計。可控降落傘包可降低無人機墜落損壞率，在無人機飛行時，遇到認為操作失誤及不可避免的外接因素導致墜機時，最大幅度減少無人機的損壞，保障無人機的安全作業，以及無人機萬一炸機損壞的維修成本，并大大排除無人機砸到人導致的人員傷亡事故，提高運維人員和作業的安全性；而保護罩可降低無人機的墜機率，使人為操作失誤導致墜機的概率大大降低，可避免小剮蹭無人機炸機，碰撞后即可反彈，與傳統無人機碰撞后易導致墜毀相比，添加無人機保護罩大大增加了其安全性。