基于無人飛行器的輕小特種設備吊裝模型研究

朱一凡 楊大利 高銘

摘 要：輕小特種設備在無人飛行器所執行的任務中發揮著重要作用。根據無人飛行器執行輕小物體的吊裝作業中所遇到的情況，設計了相應的自動應對方案，研究了特種設備與飛行器端和地面控制端相互控制關系，實現了拖曳吊裝和機械臂吊裝兩種吊裝模型。

關鍵詞：輕小設備吊裝；無人飛行器；模型設計

中圖分類號：V279 文獻標識碼：A

1 引言

隨著我國無人飛行器市場的持續增長，大量傳統行業開始引入無人飛行器以降低作業成本和增加作業精度。在進行多種無人飛行器作業中，由無人飛行器加載特種設備進行數據采集、航拍監測、物品投放等用途較為常見。當前特種設備吊裝一般使用平臺托載或者機械臂吊裝。上述方法可以有效地保證運載設備的平穩和數據傳輸的簡單，但是在一些特殊要求下，需要將特種設備放置在遠離飛行器平臺本身的空中進行作業（如空氣成分監測、火災設備投放等）。遠離飛行器平臺使用特種設備意味著特種設備不能再適用飛行器平臺的一些參數（如地面絕對高度、GPS參數等），因此建立自我應急規避系統和穩定數據交換系統是十分必要的。

本文通過研究分析了拖曳吊艙和機械臂吊艙兩種吊裝模式設計了一套環境自動應對方案，以及研究了設備本身、飛行器平臺以及地面控制端三者之間的控制優先關系。最后對上述兩種方案進行了部分模擬，驗證了本文的觀點。

2 自動環境應對方案

2.1 拖曳式吊艙

在拖曳式吊艙使用過程中，由于吊艙據飛行器平臺本身距離較遠，且由于繩纜連接導致了吊艙本身的運動不穩定因此導致了操作過程中失誤引起的繩纜纏繞、吊艙碰撞以及單一設備故障導致吊艙無法收回等技術性問題，進而引發特種設備損壞乃至飛行器墜毀事故。因此設計吊艙自動環境應對系統可以有效改善飛行器安全性能。

2.1.1 裝置設計

如圖1所示，裝置底部安裝測距雷達、側部安裝GPS模塊、頂部線纜連接處安裝一臺Arduino單片機，繩纜與數據線纜纏繞使用，其中數據線纜通過延長布線不受較大拉伸力。將數據線纜接口、GPS的I/O接口和測距雷達的I/O接口接入單片機，供電可以選擇數據線纜供電或在吊艙加裝電池。

2.2 整體式吊艙

將所需吊裝的設備固定在吊艙中，吊艙與機身使用剛性連接。這樣的設計雖然可以讓吊艙與飛機成為一個整體，方便進行整體設計，但是飛機在飛行過程中的震動和抖動將傳到到吊艙中的設備，導致設備測量的結果出現誤差，甚至損壞設備。因此，在吊艙中加入減震系統是十分必要的。

2.2.1 裝置設計

將設備固定在一個減震底板上，減震底板與吊艙之間使用減震球連接，防止震動對設備造成影響

3 設備控制

為增強設備適應性，吊裝設備可在樹莓派的控制下進行上升和下降，實現在不同高度位置進行作業，可以到達部分無人機無法到達的區域進行探測。同時也保證了無人機飛行的安全性，在非作業時間內將吊繩收起保證無人機飛行的穩定性。

采用樹莓派作為控制調倉升降的中央控制器，采用將步進電機上加裝擋板作為線軸。在樹莓派上定義一個GPIO口為IN，接收從接收機處傳來的信號，接收機接收遙控器發出的控制信號，并將電平信號輸出至樹莓派的GPIO口，當次GPIO口電平為高時判斷為收到遙控器信號。再定義一個GPIO口為OUT，當樹莓派收到指令判斷后在此GPIO口上輸出“1”信號，步進電機即向一個方向旋轉，當樹莓派在此GPIO口上輸出“0”信號時，步進電機向反方向旋轉，帶動線軸一起旋轉，以此來控制吊繩的收房，從而可以控制調倉的上升和下降。

結語

本文設計了一種適用于無人機的拖曳式吊艙解決方案，通過此方案可以實現在無人機上拖曳吊艙，并可通過遙控器控制調倉的升降。既保證了無人機飛行的安全穩定，又拓展了無人機搭載設備的作業環境，從而應對不同環境的工作要求。設備在實驗環境下已基本實現所述功能，可隨不同要求控制吊艙的高度，以實現早無人機無法到達的地方進行工作。

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