航空摄影中油动无人机再启动技术研究

2017-03-02刘遐龄周云波

地理空间信息 2017年2期

关键词：启动测绘发动机

刘遐龄，赵桢，周云波

（1.四川测绘地理信息局测绘技术服务中心，四川成都 610081）

航空摄影中油动无人机再启动技术研究

刘遐龄1，赵桢1，周云波1

（1.四川测绘地理信息局测绘技术服务中心，四川成都 610081）

针对油动固定翼无人机在执行航摄任务中易发生熄火的现象，以无人机发动机工作原理为基础，结合无人机在航摄过程中的实际工作情况，探究了发动机意外熄火后的远程再启动技术。通过此项技术可以显著提升现有无人机装备性能，确保无人机飞行平台、作业人员及作业区域的安全，从而保证无人机能够稳定且有效地开展数据获取作业。

无人机；发动机；再启动；航摄

无人机航摄技术以其现势性强、数据获取快、成本低等优势，在地质灾害监测与防治、农业估产、土地调查、土地整理、水利电力工程建设、铁路、公路、输油管道带状选线工程等领域得到广泛应用。其中，与电动固定翼无人机相比，油动固定翼无人机作业范围更广、续航时间更长、载荷量更强，成为无人机航摄的主力机型。近年来，无人机航摄作业过程中，发生过多起发动机熄火事件，虽然多数情况下无人机迫降成功，但也给无人机带来了损伤，更有少量无人机坠毁，不仅耽误了作业工期，还造成了巨大的经济损失。若在抢险救灾关键时期开展核心灾区或生命通道航摄作业，发动机熄火将会严重耽误抢险救灾进程。因此，开展无人机远程再启动技术研究具有重要意义。

1 国内外研究现状

目前，国内外学者们关于无人机飞行故障的研究主要集中在对设备故障检测和诊断方面。对于油动无人机发动机的熄火后再启动，仅限于理论研究。而且，在实际生产中应对油动无人机在飞行状态中发动机熄火问题并无有效解决措施，通常仅是地面站操作人员发送开伞指令打开降落伞或依赖飞控手飞行经验进行迫降以减小无人机飞行平台的损失，但如果这一问题发生在高山、峡谷等地形复杂的作业地区，很可能丢失无人机及其搭载的航摄设备。

发动机意外熄火后，为了避免无人机设备损失和作业进程延误，确保无人机安全返航或继续执行航摄任务。本文从油动无人机发动机、自驾仪、地面站等软硬件出发，探究油动无人机发动机远程再启动技术。

2 研究方案

2.1 总体方案设计

本实验先对国内外油动无人机进行深入调研，然后以调研资料为依据选定实验所需的油动无人机发动机、无人机飞行器和自驾仪等设备，接着开展发动机电子点火系统的设计和安装、地面站和自驾仪程序的升级改造、集成调试等工作，最后进行实验验证。具体技术路线见图1。

图1 技术路线图

2.2 发动机远程启动设计方案

通常，油动无人机发动机的启动是借助外力带动发动机曲轴旋转，进而点燃发动机汽缸内的油汽混合气，达到启动目的。无人机在地面点火时，通过拨动螺旋桨进行启动，但无人机在空中时，无法借助外力启动。为了解决这个问题，本实验对发动机进行改造，如下图2所示。选用DLE60汽油双缸发动机作为改造对象，在发动机上安装减速齿轮组和动力装置（启动电机）。其中，减速齿轮组的主动轮安装在启动电机的主轴上，从动轮安装在发动机的曲轴上。无人机发动机熄火后，地面站传输启动脉冲信号启动电机，启动电机做的功通过电机主轴-主动轮-次动轮-从动轮传递到发动机曲轴，带动发动机曲轴旋转从而启动发动机。

图2 发动机改装示意图

2.3 地面站和自驾仪升级改造

为了实现启动信号从自驾仪到发动机的传输，本实验对地面站和自驾仪程序进行升级改造，选用多功能自动驾驶仪以及与其配套的地面站作为改造对象。改造过程包括：在自驾仪系统中开辟一个“启动”脉冲通道，一方面将启动电机的开关连接到该通道，另一方面将通道的控制启动指令接口分别与数传电台、接收机相连。同时，在地面站软件和遥控器中设置一个“启动”功能键，用于向自驾仪的“启动”通道发送启动指令。在地面站对无人机工作状态进行实时监测期间，一旦监测到发动机熄火信号，便由自驾仪系统控制无人机，使其保持较平稳姿态，接着地面站操作人员通过地面站电台向自驾仪发出启动指令，达到远程启动无人机的目的。

2.4 集成和验证

将改造后的无人机发动机、自驾仪、地面站加以集成，形成一套新的无人机航摄系统，系统工作原理如图3所示。

图3 系统工作原理图

验证过程分3步进行验证：

1）电子点火启动测试。将无人机组装调试完毕后，飞控手拨动无人机遥控器“启动”开关启动发动机。连续测试30次均启动成功，进入地面站静态启动测试。

2）地面站静态启动测试。首先人为固定住无人机，通过地面站发送启动指令，控制发动机远程启动。连续测试25次均启动成功，进入飞行状态启动的测试。

3）飞行状态启动测试。按照无人机航摄作业流程，操控无人机起飞，起飞后切换至自驾状态，按预设航线飞行。正常飞行期间无人机姿态平稳，高度基本保持一致。在无人机飞行10 min后，地面站操作人员发送发动机熄火指令，发动机停止工作，无人机进入滑翔状态。滑翔期间，无人机的姿态参数、飞行高度、飞行速度均在飞行安全指标范围内。发动机熄火5 s后，地面站操作人员发送发动机启动指令，发动机成功启动后，无人机沿自驾仪预设航线飞行。表1显示了无人机在各个时期的飞行参数，从中可以看出再启动后的无人机各项飞行参数值与熄火前相差较小，其中熄火过程中无人机飞行高度较预设航摄高度值仅低7 m，且在发动机再启动后2 min内爬升至预设航摄高度，恢复正常飞行状态，可继续进行航摄作业。整个验证过程共完成35次测试，每次测试无人机均能够在发动机熄火的情况下成功完成再启动。