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(zhí)行航攝任務中易發(fā)生熄火的現(xiàn)象，以無人機發(fā)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(fā)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(xiàn)有無人機裝備性能，確保無人機飛行平臺、作業(yè)人員及作業(yè)區(qū)域的安全，從而保證無人機能夠穩(wěn)定且有效地開展數(shù)據(jù)獲取作業(yè)。

無人機；發(fā)動機；再啟動；航攝

無人機航攝技術以其現(xiàn)勢性強、數(shù)據(jù)獲取快、成本低等優(yōu)勢，在地質災害監(jiān)測與防治、農(nóng)業(yè)估產(chǎn)、土地調(diào)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(yè)范圍更廣、續(xù)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(yè)過程中，發(fā)生過多起發(fā)動機熄火事件，雖然多數(shù)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(yè)工期，還造成了巨大的經(jīng)濟損失。若在搶險救災關鍵時期開展核心災區(qū)或生命通道航攝作業(yè)，發(fā)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(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)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(fā)動機的熄火后再啟動，僅限于理論研究。而且，在實際生產(chǎn)中應對油動無人機在飛行狀態(tài)中發(fā)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(fā)送開傘指令打開降落傘或依賴飛控手飛行經(jīng)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(fā)生在高山、峽谷等地形復雜的作業(yè)地區(qū)，很可能丟失無人機及其搭載的航攝設備。

發(fā)動機意外熄火后，為了避免無人機設備損失和作業(yè)進程延誤，確保無人機安全返航或繼續(xù)執(zhí)行航攝任務。本文從油動無人機發(fā)動機、自駕儀、地面站等軟硬件出發(fā)，探究油動無人機發(fā)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(nèi)外油動無人機進行深入調(diào)研，然后以調(diào)研資料為依據(jù)選定實驗所需的油動無人機發(fā)動機、無人機飛行器和自駕儀等設備，接著開展發(fā)動機電子點火系統(tǒng)的設計和安裝、地面站和自駕儀程序的升級改造、集成調(diào)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(fā)動機遠程啟動設計方案

通常，油動無人機發(fā)動機的啟動是借助外力帶動發(fā)動機曲軸旋轉，進而點燃發(fā)動機汽缸內(nèi)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(fā)動機進行改造，如下圖2所示。選用DLE60汽油雙缸發(fā)動機作為改造對象，在發(fā)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(fā)動機的曲軸上。無人機發(fā)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(fā)動機曲軸，帶動發(fā)動機曲軸旋轉從而啟動發(fā)動機。

圖2 發(fā)動機改裝示意圖

2.3 地面站和自駕儀升級改造

為了實現(xiàn)啟動信號從自駕儀到發(fā)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(tǒng)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(shù)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(fā)送啟動指令。在地面站對無人機工作狀態(tài)進行實時監(jiān)測期間，一旦監(jiān)測到發(fā)動機熄火信號，便由自駕儀系統(tǒng)控制無人機，使其保持較平穩(wěn)姿態(tài)，接著地面站操作人員通過地面站電臺向自駕儀發(fā)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(fā)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(tǒng)，系統(tǒng)工作原理如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)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(diào)試完畢后，飛控手撥動無人機遙控器“啟動”開關啟動發(fā)動機。連續(xù)測試30次均啟動成功，進入地面站靜態(tài)啟動測試。

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

3）飛行狀態(tài)啟動測試。按照無人機航攝作業(yè)流程，操控無人機起飛，起飛后切換至自駕狀態(tài)，按預設航線飛行。正常飛行期間無人機姿態(tài)平穩(wěn)，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(fā)送發(fā)動機熄火指令，發(fā)動機停止工作，無人機進入滑翔狀態(tài)。滑翔期間，無人機的姿態(tài)參數(shù)、飛行高度、飛行速度均在飛行安全指標范圍內(nèi)。發(fā)動機熄火5 s后，地面站操作人員發(fā)送發(fā)動機啟動指令，發(fā)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(shù)，從中可以看出再啟動后的無人機各項飛行參數(shù)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(fā)動機再啟動后2 min內(nèi)爬升至預設航攝高度，恢復正常飛行狀態(tài)，可繼續(xù)進行航攝作業(yè)。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(fā)動機熄火的情況下成功完成再啟動。

表1 飛行狀態(tài)啟動測試相關飛行參數(shù)

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(tài)啟動測試，飛機均能夠使發(fā)動機在熄火的情況下再次啟動，期間未出現(xiàn)任何安全問題。

3 結 語

通過對油動固定翼無人機發(fā)動機改造，實現(xiàn)了油動固定翼無人機發(fā)動機熄火后遠程再啟，顯著提升了現(xiàn)有無人機發(fā)動機的工作性能，降低了無人機墜機事故的發(fā)生概率，確保無人機飛行平臺、作業(yè)人員及作業(yè)區(qū)域的安全，有效突破了當前制約無人機數(shù)據(jù)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。