黃興，賴照明，陳國(guó)平，琚成炎，李龍生

（廣州供電局，廣東 廣州 510310）

在電力行業(yè)的架空線路運(yùn)維工作中，無(wú)人機(jī)巡檢已成為必不可少的運(yùn)維工具，在日常的巡視、線路驗(yàn)收、故障排查、檢測(cè)中廣泛使用。由于線路巡檢工況復(fù)雜，對(duì)無(wú)人機(jī)操作人員要求非常高，而且隨著無(wú)人機(jī)的功能逐漸完善，除本身耗費(fèi)較大之外，所攜帶的電子設(shè)備也越來(lái)越尖端、精密，且造價(jià)昂貴，所以無(wú)人機(jī)的使用安全問(wèn)題顯得尤為重要。

本文通過(guò)研究多旋翼無(wú)人機(jī)的防墜機(jī)裝置，有效克服炸機(jī)問(wèn)題，為作業(yè)人員減少心理負(fù)擔(dān)，提高作業(yè)的成功率，為巡檢人員提供安全、可靠、便捷的巡檢作業(yè)，能夠極大地避免因錯(cuò)誤操作帶來(lái)的巨大社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失。此外，本裝置可形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新產(chǎn)品，彌補(bǔ)我國(guó)在無(wú)人機(jī)墜機(jī)防護(hù)領(lǐng)域的技術(shù)空白。

1 無(wú)人機(jī)墜機(jī)的因素

在無(wú)人機(jī)的日常巡檢中，有時(shí)會(huì)發(fā)生無(wú)人機(jī)墜毀事件，炸機(jī)一般由以下原因造成：

（1）運(yùn)維人員操作失誤。對(duì)于線路運(yùn)維，高壓線高壓塔一般都建造在山區(qū)，飛行環(huán)境比較復(fù)雜，運(yùn)維飛行人員需要承受很大的工作壓力，特別是在高強(qiáng)度的飛行作業(yè)中，運(yùn)維人員更容易飛行操作失誤，從而導(dǎo)致無(wú)人機(jī)墜機(jī)；

（2）電池掉電。高強(qiáng)度的運(yùn)維工作往往會(huì)致使無(wú)人機(jī)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(lái)規(guī)劃返航往往來(lái)不及，這時(shí)也常導(dǎo)致炸機(jī)；

（3）突現(xiàn)障礙。無(wú)人機(jī)在高壓線飛行開(kāi)展作業(yè)時(shí)，偶爾會(huì)有許多鳥(niǎo)在附近飛行活動(dòng)，如果這時(shí)候無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)判小鳥(niǎo)的飛行軌跡，操控?zé)o人機(jī)避開(kāi)小鳥(niǎo)，也將會(huì)導(dǎo)致炸機(jī)事件的發(fā)生；

（4）強(qiáng)風(fēng)大雨。在遠(yuǎn)距離巡檢時(shí)，突降大雨，導(dǎo)致無(wú)人機(jī)無(wú)法及時(shí)返航，也將容易導(dǎo)致炸機(jī)。

無(wú)人機(jī)炸機(jī)不僅是設(shè)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(wú)人機(jī)的使用安全問(wèn)題尤為重要，有必要對(duì)無(wú)人機(jī)墜機(jī)前進(jìn)行保護(hù)，確保不出現(xiàn)炸機(jī)情況。

2 總體技術(shù)方案

2.1 無(wú)人機(jī)降落傘設(shè)計(jì)

通常按時(shí)序?qū)⒔德鋫愕墓ぷ鬟^(guò)程劃分為三個(gè)階段，即拉直過(guò)程、充氣過(guò)程和穩(wěn)定下降過(guò)程。在拉直過(guò)程中，處于緊捆扎狀態(tài)的傘繩和傘衣從傘倉(cāng)里迅速拉出；充氣階段是指從傘衣系統(tǒng)全長(zhǎng)拉直起到傘衣第一次充滿為止的整個(gè)過(guò)程；在傘衣完全充滿后，啟動(dòng)阻力將物-傘系統(tǒng)繼續(xù)減速直至到達(dá)穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，這一過(guò)程為穩(wěn)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(tǒng)在開(kāi)傘時(shí)的速度要求足夠大，滿足開(kāi)傘所需動(dòng)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(guò)推導(dǎo)可以得到降落傘是否能充滿的判據(jù)：

（1）若Vmin＜V＜Vlk，則傘衣立即充滿；

（2）若4Vd＜Vlk＜V，則傘衣經(jīng)歷過(guò)一段時(shí)間后充滿；

（3）若Vlk＜4Vd＜V，則傘衣不能充滿。

其中，Vmin為最小開(kāi)傘速度，Vlk為臨界開(kāi)傘速度，Vd為傘衣充滿后系統(tǒng)穩(wěn)定下來(lái)的速度，V為傘衣充氣時(shí)系統(tǒng)的速度，降落傘為彈射開(kāi)傘，重量可縮小50g以內(nèi)。

圖1 無(wú)人機(jī)降落傘包示意圖

2.2 無(wú)人機(jī)保護(hù)罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

近年來(lái)，小型無(wú)人機(jī)在航拍、測(cè)繪、農(nóng)業(yè)植保、線路巡查、電力巡檢等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。多旋翼無(wú)人機(jī)失控掉落時(shí)，其狀態(tài)是無(wú)法確定的，機(jī)械機(jī)構(gòu)對(duì)無(wú)人機(jī)全方位保衛(wèi)可以大大降低無(wú)人機(jī)因小碰撞而導(dǎo)致的失控問(wèn)題［3］。如圖2所示用保護(hù)罩對(duì)無(wú)人機(jī)各個(gè)方位都進(jìn)行了保護(hù)，最大地保障了無(wú)人機(jī)因操作失誤對(duì)物體進(jìn)行小剮蹭而導(dǎo)致的炸機(jī)，槳葉停轉(zhuǎn)時(shí)，也能在無(wú)人機(jī)墜落前提供一定的緩沖，極大減少無(wú)人機(jī)的損壞。但飛行掛載較多，可能會(huì)小幅度地影響無(wú)人機(jī)的續(xù)航時(shí)間，續(xù)航時(shí)間會(huì)因此而減少。

圖2 無(wú)人機(jī)降落傘包加保護(hù)罩示意圖

2.3 通過(guò)2.4g控制降落傘包打開(kāi)

2.4g無(wú)線技術(shù)是一種無(wú)線傳輸技術(shù)，其將頻段設(shè)置在2.405GHz與2.485GHz之間，而且這一頻段在很多國(guó)家都是免費(fèi)的，因此其使用價(jià)值及前景非常廣泛。無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)是通過(guò)RFW102無(wú)線芯片模組來(lái)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(duì)任何電源都適用，速率可達(dá)到1Mbps，有效傳輸距離為2千米，降落傘模塊可通過(guò)手動(dòng)控制打開(kāi)降落傘，無(wú)人機(jī)在失控后，可迅速按打開(kāi)鍵，降落傘包可完成打開(kāi)動(dòng)作。降落傘順利打開(kāi)后可大大降低墜機(jī)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(shù)，以及結(jié)合多年研究無(wú)人機(jī)的豐富應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)無(wú)人機(jī)防墜機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域自主研發(fā)一種防墜機(jī)安全算法，無(wú)人機(jī)防墜機(jī)裝置通過(guò)搭載防墜機(jī)安全算法和高性能芯片，可對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行每秒50次的狀態(tài)判斷，每秒325次的姿態(tài)數(shù)據(jù)分析，每秒6000次危險(xiǎn)檢測(cè)，通過(guò)對(duì)狀態(tài)判斷數(shù)據(jù)、姿態(tài)數(shù)據(jù)、危險(xiǎn)檢測(cè)數(shù)據(jù)等與墜機(jī)相關(guān)的多維度核心數(shù)據(jù)綜合分析判斷，構(gòu)建一個(gè)立體化的防墜機(jī)判斷模型，在通道巡視或者精細(xì)化巡視的作業(yè)中，無(wú)人機(jī)一旦發(fā)生墜機(jī)，瞬間判斷，響應(yīng)速度只有10毫秒，開(kāi)傘反應(yīng)時(shí)間僅為140毫秒。

2.5 海拔與姿態(tài)傳感器雙冗余檢測(cè)

如果無(wú)人機(jī)在巡檢作業(yè)中一旦發(fā)生墜機(jī)，那么在墜機(jī)的過(guò)程中，無(wú)人機(jī)海拔高度和姿態(tài)數(shù)據(jù)對(duì)于防墜機(jī)安全算法做出是否開(kāi)傘的判斷而言，是十分重要的。因此，無(wú)人機(jī)防墜機(jī)裝置將配備高性能的無(wú)人機(jī)海拔和姿態(tài)傳感器，高性能傳感器能夠每秒采集無(wú)人機(jī)所處海拔高度、螺旋槳轉(zhuǎn)速、空間方位姿態(tài)、各方向速度、空間重力情況等多維度的數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)更新，提供全面、及時(shí)、可靠的全方位數(shù)據(jù)，幫助防墜機(jī)安全算法在無(wú)人機(jī)墜機(jī)之時(shí)做出最為正確的判斷［4］。而且海拔與姿態(tài)傳感器采用雙冗余設(shè)計(jì)，提升無(wú)人機(jī)墜機(jī)裝置的可靠性。一旦其中一套傳感器發(fā)生故障時(shí)，無(wú)人機(jī)防墜機(jī)裝置將自動(dòng)切換至備用傳感器采集數(shù)據(jù)，為防墜機(jī)安全算法提供所需數(shù)據(jù)。

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(jiǎn)單地說(shuō)就是用比較大的傘面增加自由落體下降時(shí)的阻力，減小下降時(shí)的速度，使無(wú)人機(jī)能夠承受自身下降的速度和由于自身重量產(chǎn)生的動(dòng)量，避免由于速度過(guò)高摔壞，甚至危機(jī)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(guān)，總體上可以用降落傘拉力方程來(lái)表述：

其中，F(xiàn)D為拉力，ρ為空氣密度=1.22kg／m3，Cd為風(fēng)阻系數(shù)，A為降落傘面積，v為空氣的相對(duì)速度。

當(dāng)載重的重力與降落傘拉力相等時(shí)，降落傘勻速下降，即有：

其中，F(xiàn)G為重力，m為載重質(zhì)量，g為重力加速度=9.81m ／s2。

降落傘面積：

又因?yàn)椋?/p>

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(yè)常見(jiàn)的無(wú)人機(jī)負(fù)載重量綜合計(jì)算的結(jié)果，為最大化適應(yīng)電力行業(yè)的應(yīng)用，無(wú)人機(jī)防墜機(jī)裝置將采用0.5m2的大面積傘布，以及結(jié)合布料特殊涂層，降低傘布質(zhì)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(shè)計(jì)

在電力行業(yè)的通道巡檢和精細(xì)化巡檢作業(yè)中，無(wú)人機(jī)需要搭載相機(jī)，無(wú)人機(jī)在無(wú)掛載的情況下，續(xù)航時(shí)間一般在30-60分鐘之內(nèi)，而搭載了相機(jī)或其他掛載的話，續(xù)航時(shí)間將進(jìn)一步縮短。為了最大化減少對(duì)原本作業(yè)時(shí)長(zhǎng)的影響，保障原本的作業(yè)效率不變，無(wú)人機(jī)防墜機(jī)裝置將會(huì)把重量做到低至47g，將其安裝在無(wú)人機(jī)上，就相當(dāng)于一個(gè)成年人手上拿著兩個(gè)雞蛋的重量，幾乎可以忽略不計(jì)。

另外，無(wú)人機(jī)防墜機(jī)裝置在外形設(shè)計(jì)方面將采用流體外觀設(shè)計(jì)，有效降低風(fēng)阻，減少作業(yè)時(shí)安裝裝置帶來(lái)的額外續(xù)航損失，高效貼合無(wú)人機(jī)背部，平穩(wěn)飛行，不影響下置負(fù)載的任何功能。

2.8 強(qiáng)勁續(xù)航與防塵防水

無(wú)人機(jī)防墜機(jī)裝置將配備新一代節(jié)能芯片，待機(jī)功耗將降至6.8微安，80天超長(zhǎng)待機(jī)，連續(xù)啟用時(shí)續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)達(dá)25小時(shí)，可供滿電無(wú)人機(jī)循環(huán)多次，不但如此，還將為無(wú)人機(jī)防墜機(jī)裝置配備自動(dòng)休眠、低電量預(yù)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(guò)程中，如果遇到下雨，也無(wú)需擔(dān)心無(wú)人機(jī)防墜機(jī)裝置被淋壞，而且底部采用硅膠材質(zhì)，具有防滑穩(wěn)定的性能，最大化克服雨天帶來(lái)的影響。

3 結(jié)論

本文研究了無(wú)人機(jī)的防墜機(jī)裝置，包括對(duì)無(wú)人機(jī)可控降落傘包和保護(hù)罩的設(shè)計(jì)?？煽亟德鋫惆山档蜔o(wú)人機(jī)墜落損壞率，在無(wú)人機(jī)飛行時(shí)，遇到認(rèn)為操作失誤及不可避免的外接因素導(dǎo)致墜機(jī)時(shí)，最大幅度減少無(wú)人機(jī)的損壞，保障無(wú)人機(jī)的安全作業(yè)，以及無(wú)人機(jī)萬(wàn)一炸機(jī)損壞的維修成本，并大大排除無(wú)人機(jī)砸到人導(dǎo)致的人員傷亡事故，提高運(yùn)維人員和作業(yè)的安全性；而保護(hù)罩可降低無(wú)人機(jī)的墜機(jī)率，使人為操作失誤導(dǎo)致墜機(jī)的概率大大降低，可避免小剮蹭無(wú)人機(jī)炸機(jī)，碰撞后即可反彈，與傳統(tǒng)無(wú)人機(jī)碰撞后易導(dǎo)致墜毀相比，添加無(wú)人機(jī)保護(hù)罩大大增加了其安全性。