邢 玥，郭 磊，劉 暢

0 引言

目前，無人機(jī)行業(yè)中多數(shù)航測(cè)設(shè)備廠家研發(fā)的測(cè)繪無人機(jī)為固定機(jī)翼結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)無人機(jī)體積較大，日常作業(yè)需要3～5人的團(tuán)隊(duì)，便攜性較差，且起降受場(chǎng)地限制較大。部分廠家研發(fā)多旋翼結(jié)構(gòu)測(cè)繪無人機(jī)[1]，但由于續(xù)航時(shí)間較短，不適宜鐵路行業(yè)長距離、長航時(shí)應(yīng)用。目前無人機(jī)測(cè)繪[2，3]專業(yè)程度較高，操作復(fù)雜，需要專業(yè)團(tuán)隊(duì)操作，不能滿足用戶自主使用的要求。

本文對(duì)固定機(jī)翼結(jié)構(gòu)測(cè)繪無人機(jī)和電動(dòng)多旋翼測(cè)繪無人機(jī)的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行技術(shù)融合，以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)高質(zhì)高效的航測(cè)數(shù)據(jù)收集，使數(shù)據(jù)達(dá)到共享互通，設(shè)計(jì)人員無需耗費(fèi)大量人工及時(shí)間成本進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)踏勘，在辦公室就可以獲得現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)，并對(duì)收集到的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總、瀏覽，滿足鐵路測(cè)繪高精度的需求，大大提高了數(shù)據(jù)的精確度、時(shí)效性，確保鐵路設(shè)計(jì)的高效率和準(zhǔn)確度。

1 方案設(shè)計(jì)

依據(jù)現(xiàn)有航測(cè)無人機(jī)設(shè)備結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，主要研究內(nèi)容及攻關(guān)目標(biāo)如下：

（1）實(shí)現(xiàn)高效率、長航時(shí)、高安全性的目標(biāo)。無人機(jī)的供電部分采用航空汽油發(fā)動(dòng)機(jī)搭載發(fā)電機(jī)經(jīng)變壓整流為全機(jī)提供電力，利用鋰電池作為后備電源。從目前動(dòng)力型鋰電池行業(yè)整體技術(shù)水平來看，單位重量下能量密度尚未超越傳統(tǒng)燃料，因此采用內(nèi)燃機(jī)提供電力在相同載重及續(xù)航下效率更高。同時(shí)動(dòng)力型鋰電池雖然重量較輕，但壽命相對(duì)較短，不穩(wěn)定因素較多，因此利用內(nèi)燃機(jī)發(fā)電驅(qū)動(dòng)電機(jī)巡航，鋰電池僅作為惡劣天氣下內(nèi)燃機(jī)功率不足以巡航時(shí)的后備電源及故障情況下的備用動(dòng)力，較單一能源方式更加安全可靠。

（2）系統(tǒng)需具備易操作的特點(diǎn)。拋棄傳統(tǒng)無人機(jī)需要人工實(shí)時(shí)操作的遙控器，基于模塊化設(shè)計(jì)將所有控制設(shè)備整合于控制站，利用控制站及自駕儀，設(shè)置航路坐標(biāo)、高程、重疊率等，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)完全自主起降、自主飛行，無需人工實(shí)時(shí)操作。

（3）滿足鐵路測(cè)繪高精度的需求。為滿足測(cè)繪高精度的需求，應(yīng)具備高像素、低延時(shí)、結(jié)構(gòu)簡潔、抗震性強(qiáng)、通信可靠、控制靈活、接口規(guī)范等特點(diǎn)。

本設(shè)計(jì)采用數(shù)碼相機(jī)CCD成像技術(shù)[4，5]進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄。系統(tǒng)的硬件部分由探查系統(tǒng)、無人機(jī)遙感平臺(tái)、數(shù)據(jù)傳輸裝置、地面控制站單元、數(shù)據(jù)管理中心組成，如圖1所示。

圖1 油電混合多旋翼勘測(cè)無人機(jī)系統(tǒng)整體架構(gòu)

1.1 硬件設(shè)計(jì)

（1）機(jī)身本體。機(jī)身采用四旋翼結(jié)構(gòu)，整體結(jié)構(gòu)均由碳纖維材料構(gòu)制而成，機(jī)架、支臂、起落架等皆為輕強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。中心采用3K碳纖維管為主體，上部為碳纖維制燃油箱固定板，下部為碳纖維制電池固定板。電機(jī)架采用7075鋁合金CNC加工而成，機(jī)臂采用傘式折疊結(jié)構(gòu)，折疊關(guān)節(jié)采用卡隼固定，展開方便快捷。機(jī)身本體如圖2所示。

圖2 機(jī)身本體

（2）數(shù)傳系統(tǒng)。由于測(cè)繪任務(wù)多、面積大、距離遠(yuǎn)，為此選擇專業(yè)的數(shù)傳系統(tǒng)，功率1 W，頻率800 MHz，以完成雙向數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)。雙向數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏y(cè)控鏈路能可靠實(shí)現(xiàn)飛行數(shù)據(jù)下傳和獲取飛行參數(shù)。

（3）飛控系統(tǒng)。飛控系統(tǒng)由主控芯片、穩(wěn)壓芯片、姿態(tài)傳感器、磁力計(jì)、氣壓計(jì)、存儲(chǔ)器、USB串口、直插排針等組成，系統(tǒng)示意如圖3所示。飛控系統(tǒng)可將飛行器的姿態(tài)、位置、高度、速度、航向以及動(dòng)力電壓等數(shù)據(jù)參數(shù)通過測(cè)控鏈路實(shí)時(shí)下傳至地面工作站，提高信息獲取效率。

圖3 飛控系統(tǒng)硬件示意圖

（4）動(dòng)力部分。動(dòng)力部分選擇日本小松32cc航空燃油發(fā)動(dòng)機(jī)，上部通過減震橡膠與機(jī)身本體相連，發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸輸出端固定連接2 000 W變頻發(fā)電機(jī)線圈輸出，并通過穩(wěn)壓整流器轉(zhuǎn)換為44.4 V直流電，為電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，增加航時(shí)的同時(shí)可提高測(cè)繪效率。發(fā)電機(jī)部分采用高集成、易檢修模塊化設(shè)計(jì)，安裝、調(diào)試、檢修實(shí)現(xiàn)一步到位，設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)

整套設(shè)備均采用模塊化設(shè)計(jì)，具有較強(qiáng)的可擴(kuò)展性，可方便地實(shí)現(xiàn)各設(shè)備部件的更換，滿足電力巡檢等業(yè)務(wù)的需求，適應(yīng)業(yè)務(wù)量、業(yè)務(wù)流程的擴(kuò)展。設(shè)備具備多種應(yīng)急自動(dòng)處理機(jī)制，包括低電量、發(fā)動(dòng)機(jī)熄火、下降速度過快、數(shù)據(jù)鏈中斷、GPS信號(hào)丟失、姿態(tài)超限與角速率超限等異常保護(hù)，進(jìn)一步提高安全性。在機(jī)載電池電壓不足時(shí)，會(huì)發(fā)出報(bào)警（在遙控器和地面站上均會(huì)發(fā)出報(bào)警），提高了安全性。

1.2 無人機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

無人機(jī)控制系統(tǒng)由于其組成復(fù)雜，且戶外作業(yè)時(shí)的惡劣環(huán)境大大影響了控制系統(tǒng)的可靠性。為實(shí)時(shí)、可靠、有效地控制無人機(jī)，提出模塊化整合無人機(jī)控制系統(tǒng)，如圖5所示。

圖5 無人機(jī)地面控制站單元系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

外部以防水、防塵、防摔的三防安全箱保護(hù)，預(yù)留了RTK、圖傳饋線以及USB接口，并在內(nèi)部設(shè)計(jì)了雙重散熱風(fēng)道，確保不影響整套控制系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)為了更直觀地觀察到實(shí)時(shí)影像，該設(shè)計(jì)在控制系統(tǒng)中加入了1.2 GHz實(shí)時(shí)影像圖傳以及圖傳攝像頭，方便日常巡檢等任務(wù)。

1.3 數(shù)據(jù)采集相機(jī)自穩(wěn)云臺(tái)單元設(shè)計(jì)

由于采用內(nèi)燃機(jī)為動(dòng)力，內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生的震動(dòng)成為影響采集精度的主要因素。為此，設(shè)計(jì)了可滿足精度要求的云臺(tái)組。

首先設(shè)計(jì)了云臺(tái)固定架，固定架采用航空級(jí)7075鋁合金材料，下部安裝板采用碳纖維復(fù)合材料，表面采用陽極氧化處理，并進(jìn)行輕量化處理，以保證整體剛性與強(qiáng)度。上部固定采用碳纖維管材吊裝、抱箍結(jié)構(gòu)固定的方式，穩(wěn)定可靠，同時(shí)該框架式結(jié)構(gòu)也可防止運(yùn)輸移動(dòng)過程中因意外發(fā)生磕碰相機(jī)的情況。云臺(tái)固定架與相機(jī)如圖6所示。

圖6 云臺(tái)固定架與相機(jī)

自穩(wěn)云臺(tái)本體采用三軸結(jié)構(gòu)，使用碳纖維復(fù)合材料及輕質(zhì)高強(qiáng)度7075鋁合金CNC加工，抗震性強(qiáng)；自穩(wěn)伺服機(jī)選用高速無核伺服機(jī)，角速度最快可達(dá)到7.476 rad/s，控制靈活，俯仰動(dòng)作、橫滾動(dòng)作、航向動(dòng)作均可實(shí)現(xiàn)及時(shí)糾偏，并根據(jù)相機(jī)規(guī)格設(shè)計(jì)了固定夾具。動(dòng)作部分選用了高角速度伺服機(jī)，以齒輪傳遞結(jié)構(gòu)連接至云臺(tái)。云臺(tái)下部與云臺(tái)固定板之間裝有4只濾波減震橡膠，進(jìn)一步有效過濾、降低震動(dòng)，如圖7所示。

圖7 自穩(wěn)云臺(tái)單元

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

設(shè)備研制完成后，組織了設(shè)備驗(yàn)收及測(cè)試，并對(duì)距離、面積等測(cè)量數(shù)據(jù)的精度進(jìn)行了驗(yàn)證。通過實(shí)時(shí)遙感影像傳輸，獲取相應(yīng)坐標(biāo)高程參數(shù)及高精度數(shù)據(jù)，還可進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算，同時(shí)提高了數(shù)據(jù)處理的效率。

2.1 試驗(yàn)驗(yàn)證1

首先在鐵路線路附近拍攝約3 km2的實(shí)時(shí)地形信息，并獲取相應(yīng)坐標(biāo)高程參數(shù)。經(jīng)過實(shí)地測(cè)量，該路段路燈桿間距為50 m，利用無人機(jī)航測(cè)獲取的數(shù)據(jù)為49.999 m，相對(duì)誤差為0.1%，滿足高精度測(cè)距的精度要求。

2.2 試驗(yàn)驗(yàn)證2

在集通電氣化改造工程項(xiàng)目好魯庫220 kV牽引變電所選址中，利用研制的無人機(jī)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)周圍環(huán)境進(jìn)行勘測(cè)，設(shè)定6處路徑，將獲得的數(shù)據(jù)分別與人工現(xiàn)場(chǎng)測(cè)距進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比數(shù)據(jù)如表1所示。結(jié)果表明，無人機(jī)測(cè)試距離誤差小于5%，滿足工程選址精度要求。

表1 測(cè)量數(shù)據(jù)誤差對(duì)比數(shù)據(jù)

3 經(jīng)濟(jì)效益分析

研制的油電混合多旋翼無人機(jī)于2019年8月在京廣鐵路電氣化工程改造項(xiàng)目中進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地勘測(cè)與測(cè)量。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，采用該方式較傳統(tǒng)方式累計(jì)節(jié)約成本12萬余元，經(jīng)濟(jì)效益較好。

4 結(jié)語

本文研究在傳統(tǒng)多旋翼無人機(jī)設(shè)備的基礎(chǔ)上，重新構(gòu)建新型油電混合多旋翼無人機(jī)勘測(cè)設(shè)備設(shè)計(jì)方案，采用系統(tǒng)集成、模塊化設(shè)計(jì)思路，最終實(shí)現(xiàn)了全部航測(cè)數(shù)據(jù)的共享互通，極大提高了鐵路工程勘測(cè)的作業(yè)效率，并在工程項(xiàng)目中得到了實(shí)際應(yīng)用，獲得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。