航空攝影中油動(dòng)無人機(jī)再啟動(dòng)技術(shù)研究

劉遐齡，趙 楨，周云波

（1.四川測(cè)繪地理信息局測(cè)繪技術(shù)服務(wù)中心，四川 成都 610081）

航空攝影中油動(dòng)無人機(jī)再啟動(dòng)技術(shù)研究

劉遐齡1，趙 楨1，周云波1

（1.四川測(cè)繪地理信息局測(cè)繪技術(shù)服務(wù)中心，四川 成都 610081）

針對(duì)油動(dòng)固定翼無人機(jī)在執(zhí)行航攝任務(wù)中易發(fā)生熄火的現(xiàn)象，以無人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理為基礎(chǔ)，結(jié)合無人機(jī)在航攝過程中的實(shí)際工作情況，探究了發(fā)動(dòng)機(jī)意外熄火后的遠(yuǎn)程再啟動(dòng)技術(shù)。通過此項(xiàng)技術(shù)可以顯著提升現(xiàn)有無人機(jī)裝備性能，確保無人機(jī)飛行平臺(tái)、作業(yè)人員及作業(yè)區(qū)域的安全，從而保證無人機(jī)能夠穩(wěn)定且有效地開展數(shù)據(jù)獲取作業(yè)。

無人機(jī)；發(fā)動(dòng)機(jī)；再啟動(dòng)；航攝

無人機(jī)航攝技術(shù)以其現(xiàn)勢(shì)性強(qiáng)、數(shù)據(jù)獲取快、成本低等優(yōu)勢(shì)，在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)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(shè)、鐵路、公路、輸油管道帶狀選線工程等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。其中，與電動(dòng)固定翼無人機(jī)相比，油動(dòng)固定翼無人機(jī)作業(yè)范圍更廣、續(xù)航時(shí)間更長(zhǎng)、載荷量更強(qiáng)，成為無人機(jī)航攝的主力機(jī)型。近年來，無人機(jī)航攝作業(yè)過程中，發(fā)生過多起發(fā)動(dòng)機(jī)熄火事件，雖然多數(shù)情況下無人機(jī)迫降成功，但也給無人機(jī)帶來了損傷，更有少量無人機(jī)墜毀，不僅耽誤了作業(yè)工期，還造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。若在搶險(xiǎn)救災(zāi)關(guān)鍵時(shí)期開展核心災(zāi)區(qū)或生命通道航攝作業(yè)，發(fā)動(dòng)機(jī)熄火將會(huì)嚴(yán)重耽誤搶險(xiǎn)救災(zāi)進(jìn)程。因此，開展無人機(jī)遠(yuǎn)程再啟動(dòng)技術(shù)研究具有重要意義。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者們關(guān)于無人機(jī)飛行故障的研究主要集中在對(duì)設(shè)備故障檢測(cè)和診斷方面。對(duì)于油動(dòng)無人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的熄火后再啟動(dòng)，僅限于理論研究。而且，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)對(duì)油動(dòng)無人機(jī)在飛行狀態(tài)中發(fā)動(dòng)機(jī)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(yàn)進(jìn)行迫降以減小無人機(jī)飛行平臺(tái)的損失，但如果這一問題發(fā)生在高山、峽谷等地形復(fù)雜的作業(yè)地區(qū)，很可能丟失無人機(jī)及其搭載的航攝設(shè)備。

發(fā)動(dòng)機(jī)意外熄火后，為了避免無人機(jī)設(shè)備損失和作業(yè)進(jìn)程延誤，確保無人機(jī)安全返航或繼續(xù)執(zhí)行航攝任務(wù)。本文從油動(dòng)無人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)、自駕儀、地面站等軟硬件出發(fā)，探究油動(dòng)無人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)遠(yuǎn)程再啟動(dòng)技術(shù)。

2 研究方案

2.1 總體方案設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)先對(duì)國(guó)內(nèi)外油動(dòng)無人機(jī)進(jìn)行深入調(diào)研，然后以調(diào)研資料為依據(jù)選定實(shí)驗(yàn)所需的油動(dòng)無人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)、無人機(jī)飛行器和自駕儀等設(shè)備，接著開展發(fā)動(dòng)機(jī)電子點(diǎn)火系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和安裝、地面站和自駕儀程序的升級(jí)改造、集成調(diào)試等工作，最后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。具體技術(shù)路線見圖1。

圖1 技術(shù)路線圖

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)遠(yuǎn)程啟動(dòng)設(shè)計(jì)方案

通常，油動(dòng)無人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)是借助外力帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而點(diǎn)燃發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸內(nèi)的油汽混合氣，達(dá)到啟動(dòng)目的。無人機(jī)在地面點(diǎn)火時(shí)，通過撥動(dòng)螺旋槳進(jìn)行啟動(dòng)，但無人機(jī)在空中時(shí)，無法借助外力啟動(dòng)。為了解決這個(gè)問題，本實(shí)驗(yàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行改造，如下圖2所示。選用DLE60汽油雙缸發(fā)動(dòng)機(jī)作為改造對(duì)象，在發(fā)動(dòng)機(jī)上安裝減速齒輪組和動(dòng)力裝置（啟動(dòng)電機(jī)）。其中，減速齒輪組的主動(dòng)輪安裝在啟動(dòng)電機(jī)的主軸上，從動(dòng)輪安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸上。無人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)熄火后，地面站傳輸啟動(dòng)脈沖信號(hào)啟動(dòng)電機(jī)，啟動(dòng)電機(jī)做的功通過電機(jī)主軸-主動(dòng)輪-次動(dòng)輪-從動(dòng)輪傳遞到發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸，帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸旋轉(zhuǎn)從而啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)改裝示意圖

2.3 地面站和自駕儀升級(jí)改造

為了實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)信號(hào)從自駕儀到發(fā)動(dòng)機(jī)的傳輸，本實(shí)驗(yàn)對(duì)地面站和自駕儀程序進(jìn)行升級(jí)改造，選用多功能自動(dòng)駕駛儀以及與其配套的地面站作為改造對(duì)象。改造過程包括：在自駕儀系統(tǒng)中開辟一個(gè)“啟動(dòng)”脈沖通道，一方面將啟動(dòng)電機(jī)的開關(guān)連接到該通道，另一方面將通道的控制啟動(dòng)指令接口分別與數(shù)傳電臺(tái)、接收機(jī)相連。同時(shí)，在地面站軟件和遙控器中設(shè)置一個(gè)“啟動(dòng)”功能鍵，用于向自駕儀的“啟動(dòng)”通道發(fā)送啟動(dòng)指令。在地面站對(duì)無人機(jī)工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)期間，一旦監(jiān)測(cè)到發(fā)動(dòng)機(jī)熄火信號(hào)，便由自駕儀系統(tǒng)控制無人機(jī)，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(tái)向自駕儀發(fā)出啟動(dòng)指令，達(dá)到遠(yuǎn)程啟動(dòng)無人機(jī)的目的。

2.4 集成和驗(yàn)證

將改造后的無人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)、自駕儀、地面站加以集成，形成一套新的無人機(jī)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(yàn)證過程分3步進(jìn)行驗(yàn)證：

1）電子點(diǎn)火啟動(dòng)測(cè)試。將無人機(jī)組裝調(diào)試完畢后，飛控手撥動(dòng)無人機(jī)遙控器“啟動(dòng)”開關(guān)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。連續(xù)測(cè)試30次均啟動(dòng)成功，進(jìn)入地面站靜態(tài)啟動(dòng)測(cè)試。

2）地面站靜態(tài)啟動(dòng)測(cè)試。首先人為固定住無人機(jī)，通過地面站發(fā)送啟動(dòng)指令，控制發(fā)動(dòng)機(jī)遠(yuǎn)程啟動(dòng)。連續(xù)測(cè)試25次均啟動(dòng)成功，進(jìn)入飛行狀態(tài)啟動(dòng)的測(cè)試。

3）飛行狀態(tài)啟動(dòng)測(cè)試。按照無人機(jī)航攝作業(yè)流程，操控?zé)o人機(jī)起飛，起飛后切換至自駕狀態(tài)，按預(yù)設(shè)航線飛行。正常飛行期間無人機(jī)姿態(tài)平穩(wěn)，高度基本保持一致。在無人機(jī)飛行10 min后，地面站操作人員發(fā)送發(fā)動(dòng)機(jī)熄火指令，發(fā)動(dòng)機(jī)停止工作，無人機(jī)進(jìn)入滑翔狀態(tài)?；杵陂g，無人機(jī)的姿態(tài)參數(shù)、飛行高度、飛行速度均在飛行安全指標(biāo)范圍內(nèi)。發(fā)動(dòng)機(jī)熄火5 s后，地面站操作人員發(fā)送發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)指令，發(fā)動(dòng)機(jī)成功啟動(dòng)后，無人機(jī)沿自駕儀預(yù)設(shè)航線飛行。表1顯示了無人機(jī)在各個(gè)時(shí)期的飛行參數(shù)，從中可以看出再啟動(dòng)后的無人機(jī)各項(xiàng)飛行參數(shù)值與熄火前相差較小，其中熄火過程中無人機(jī)飛行高度較預(yù)設(shè)航攝高度值僅低7 m，且在發(fā)動(dòng)機(jī)再啟動(dòng)后2 min內(nèi)爬升至預(yù)設(shè)航攝高度，恢復(fù)正常飛行狀態(tài)，可繼續(xù)進(jìn)行航攝作業(yè)。整個(gè)驗(yàn)證過程共完成35次測(cè)試，每次測(cè)試無人機(jī)均能夠在發(fā)動(dòng)機(jī)熄火的情況下成功完成再啟動(dòng)。

表1 飛行狀態(tài)啟動(dòng)測(cè)試相關(guān)飛行參數(shù)

驗(yàn)證過程中，無人機(jī)多次電子點(diǎn)火啟動(dòng)，地面站靜止啟動(dòng)以及飛行狀態(tài)啟動(dòng)測(cè)試，飛機(jī)均能夠使發(fā)動(dòng)機(jī)在熄火的情況下再次啟動(dòng)，期間未出現(xiàn)任何安全問題。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過對(duì)油動(dòng)固定翼無人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)改造，實(shí)現(xiàn)了油動(dòng)固定翼無人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)熄火后遠(yuǎn)程再啟，顯著提升了現(xiàn)有無人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能，降低了無人機(jī)墜機(jī)事故的發(fā)生概率，確保無人機(jī)飛行平臺(tái)、作業(yè)人員及作業(yè)區(qū)域的安全，有效突破了當(dāng)前制約無人機(jī)數(shù)據(jù)獲取的技術(shù)瓶頸。

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1672-4623（2017）02-0036-02

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.02.011

2015-09-06。

項(xiàng)目來源：四川省測(cè)繪地理信息局科技支撐項(xiàng)目（J2015ZC07）。

劉遐齡，碩士研究生，主要從事無人機(jī)航攝關(guān)鍵技術(shù)研究工作。