微型多旋翼無人機油箱檢查系統(tǒng)設(shè)計

（濱州學(xué)院飛行學(xué)院，山東濱州市，256600）王士發(fā) 何 坤 王 碩

1 引言

近年來，國內(nèi)外民航事業(yè)發(fā)展迅猛，飛行安全變得尤為重要[1，2]。其中，飛機油箱故障是引起飛機安全事故的重要因素之一。飛機油箱作為飛機結(jié)構(gòu)的重要組成部分，是確保飛機飛行安全的基礎(chǔ)，需要對油箱滲漏及腐蝕情況進(jìn)行定期檢查。

目前，針對飛機油箱檢查的方式主要以人工目視檢查為主，需要機務(wù)人員進(jìn)入飛機油箱對漏點和腐蝕位置進(jìn)行確定，由于工作環(huán)境惡劣，油箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，操作空間小，燃油滲漏路徑難以分析，內(nèi)漏點很難確定，所以檢修油箱工作往往需要很長的停場時間[3]。在油箱里工作的員工，大多會出現(xiàn)不同程度的惡心、興奮、疲勞、脫發(fā)等癥狀[4，5]。針對人工檢查飛機油箱存在的問題，國內(nèi)外有研究機構(gòu)提出多種利用機器人檢查飛機油箱的方案，其中包括浮游、爬行、吸附和連續(xù)體型機器人[6-8]。這些機器人系統(tǒng)能夠在一定程度上實現(xiàn)飛機油箱缺陷的檢查，但普遍存在行動不便、設(shè)備笨重、檢查速度慢的缺點，而且還可能對油箱內(nèi)部造成損傷，相比于人工方式，提升效果有限。

本文設(shè)計了一種基于微型多旋翼無人機的飛機油箱檢查系統(tǒng)，應(yīng)用微型多旋翼無人機搭載微型高清夜視攝像機和微型超聲探測模塊對油箱按照規(guī)定的路徑進(jìn)行檢查，并將圖像信息實時傳送到地面站，以供機務(wù)人員進(jìn)行初步分析。該系統(tǒng)能夠極大地提高油箱檢測效率和精度，降低機務(wù)維修人員的工作強度、改善了機務(wù)人員的工作環(huán)境，避免出現(xiàn)人身安全等事故，對民航事業(yè)快速健康發(fā)展有著重要意義。

2 微型無人機本體介紹

由于飛機油箱環(huán)境體積有限，因此本系統(tǒng)擬設(shè)計搭建微型多旋翼無人機，對所選用機架、電機、電調(diào)、飛行控制器、電池、數(shù)據(jù)傳輸鏈路等進(jìn)行選型，將上述部件進(jìn)行有序組裝，完成微型多旋翼無人機本體構(gòu)建?？紤]油箱油氣混雜、易燃易爆的特點，對無人機本體進(jìn)行防爆處理，重點對電池接口、飛控板插針、電調(diào)電機接口等易發(fā)生電火花的裸露部分進(jìn)行封裝，以避免引起油箱爆燃。

基于微型多旋翼無人機的飛機油箱檢查系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。由圖1（a）可以看出，無人機本體上安裝有外殼，外殼上下是碳纖維板（6），無人機的四周為塑料外殼和海綿保護(hù)層（4），具體設(shè)計細(xì)節(jié)如圖1（b）所示，電機座（5）固定安裝在碳纖維板上，所述碳纖維板的中間位置安裝有飛控與圖像處理模塊（1）；無人機的機頭方向固定安裝有云臺、攝像機和超聲探測模塊（2），無人機的機尾安裝信號傳輸模塊（3）；無人機通過圖像傳輸模塊連接地面站。

圖1 無人機本體結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)總體技術(shù)路線圖如圖2所示。主處理器采用STM32嵌入式芯片，主要負(fù)責(zé)采集傳感器檢測到的姿態(tài)信息并實時解算，根據(jù)攝像頭采集到的圖像信息，通過二值化算法，得到具體的信息，通過openmv計算輸出控制量，并把控制量傳遞給STM32，控制無人機的飛行姿態(tài)。通過無線通信模塊與遙控器進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，實現(xiàn)無人機的起飛、降落及飛行姿態(tài)和位置的調(diào)整。

圖2 技術(shù)路線圖

3 油箱特征檢測模塊設(shè)計

實現(xiàn)油箱檢測的特征檢測模塊主要包括油箱特征提取模塊和采樣信息處理模塊系統(tǒng)，具體介紹如下。

3.1 油箱特征提取模塊設(shè)計

由于微型多旋翼無人機體積較小，且作業(yè)環(huán)境為光線較暗、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的油箱環(huán)境，因此，本系統(tǒng)擬選用微型高清夜視攝像機和微型超聲探測模塊對油箱特征進(jìn)行提取。無人機搭載微型高清攝像機進(jìn)行油箱特征提取，并將采樣信息通過圖像傳輸模塊傳回地面站。對于油漬堆積較多的區(qū)域，攝像機采集的圖像信息難以真實反映油箱結(jié)構(gòu)缺陷情況，利用微型超聲探測模塊進(jìn)行輔助檢查，并實時將探測信息傳回地面站進(jìn)行信息處理。

3.2 采樣信息處理模塊設(shè)計

對圖像傳輸模塊進(jìn)行選型，地面站實時接收無人機飛行狀態(tài)信息、攝像機和超聲探測模塊發(fā)回的油箱特征采樣信息。為了提高油箱檢查精度，采用基于非線性濾波器的數(shù)據(jù)融合算法對圖像和超聲探測信息進(jìn)行融合處理，確定油箱缺陷位置，并將信息處理結(jié)果實時傳送至顯示模塊，使機務(wù)人員及時了解油箱表面受損情況。

基于微型多旋翼無人機的飛行油箱檢查系統(tǒng)工作流程圖如圖3所示。無人機通過圖像傳輸模塊連接地面站，圖像傳輸模塊采用FPV（第一人稱視角）模式操縱無人機進(jìn)入飛機油箱內(nèi)部，無人機通過圖像傳輸模塊將采集到的圖像和超聲探測信息傳送至地面站，地面人員對采樣結(jié)果進(jìn)行分析，確定油箱缺陷位置。地面站實時接收無人機飛行狀態(tài)信息、攝像機和微型超聲探測模塊發(fā)回的油箱特征采樣信息。為了提高油箱檢查精度，機務(wù)人員重點研究圖像和超聲探測信息的數(shù)據(jù)融合算法，確定油箱缺陷位置，并將信息處理結(jié)果實時傳送至顯示模塊，使機務(wù)人員及時了解油箱表面受損情況，對損壞的油箱進(jìn)行及時檢修。

圖3 系統(tǒng)工作流程圖

4 結(jié)語

該系統(tǒng)預(yù)計會對民航機務(wù)維修行業(yè)帶來一個巨大的革新，采用無人機代替人工作業(yè)，可減少勞動力需求，提高作業(yè)效率和質(zhì)量，給民航維修業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟效益。同時，通過無人機可大大減少在飛機維修時所產(chǎn)生的安全事故，保障機務(wù)人員的生命安全和身體健康。通過民航業(yè)對無人機系統(tǒng)的應(yīng)用，有利于提高我國無人機整體發(fā)展水平，對我國推動無人機發(fā)展水平有顯著效果。