微型多旋翼無人機油箱檢查系統設計

（濱州學院飛行學院，山東濱州市，256600）王士發 何 坤 王 碩

1 引言

近年來，國內外民航事業發展迅猛，飛行安全變得尤為重要[1，2]。其中，飛機油箱故障是引起飛機安全事故的重要因素之一。飛機油箱作為飛機結構的重要組成部分，是確保飛機飛行安全的基礎，需要對油箱滲漏及腐蝕情況進行定期檢查。

目前，針對飛機油箱檢查的方式主要以人工目視檢查為主，需要機務人員進入飛機油箱對漏點和腐蝕位置進行確定，由于工作環境惡劣，油箱內部結構復雜，操作空間小，燃油滲漏路徑難以分析，內漏點很難確定，所以檢修油箱工作往往需要很長的停場時間[3]。在油箱里工作的員工，大多會出現不同程度的惡心、興奮、疲勞、脫發等癥狀[4，5]。針對人工檢查飛機油箱存在的問題，國內外有研究機構提出多種利用機器人檢查飛機油箱的方案，其中包括浮游、爬行、吸附和連續體型機器人[6-8]。這些機器人系統能夠在一定程度上實現飛機油箱缺陷的檢查，但普遍存在行動不便、設備笨重、檢查速度慢的缺點，而且還可能對油箱內部造成損傷，相比于人工方式，提升效果有限。

本文設計了一種基于微型多旋翼無人機的飛機油箱檢查系統，應用微型多旋翼無人機搭載微型高清夜視攝像機和微型超聲探測模塊對油箱按照規定的路徑進行檢查，并將圖像信息實時傳送到地面站，以供機務人員進行初步分析。該系統能夠極大地提高油箱檢測效率和精度，降低機務維修人員的工作強度、改善了機務人員的工作環境，避免出現人身安全等事故，對民航事業快速健康發展有著重要意義。

2 微型無人機本體介紹

由于飛機油箱環境體積有限，因此本系統擬設計搭建微型多旋翼無人機，對所選用機架、電機、電調、飛行控制器、電池、數據傳輸鏈路等進行選型，將上述部件進行有序組裝，完成微型多旋翼無人機本體構建。考慮油箱油氣混雜、易燃易爆的特點，對無人機本體進行防爆處理，重點對電池接口、飛控板插針、電調電機接口等易發生電火花的裸露部分進行封裝，以避免引起油箱爆燃。

基于微型多旋翼無人機的飛機油箱檢查系統結構圖如圖1所示。由圖1（a）可以看出，無人機本體上安裝有外殼，外殼上下是碳纖維板（6），無人機的四周為塑料外殼和海綿保護層（4），具體設計細節如圖1（b）所示，電機座（5）固定安裝在碳纖維板上，所述碳纖維板的中間位置安裝有飛控與圖像處理模塊（1）；無人機的機頭方向固定安裝有云臺、攝像機和超聲探測模塊（2），無人機的機尾安裝信號傳輸模塊（3）；無人機通過圖像傳輸模塊連接地面站。

圖1 無人機本體結構圖

系統總體技術路線圖如圖2所示。主處理器采用STM32嵌入式芯片，主要負責采集傳感器檢測到的姿態信息并實時解算，根據攝像頭采集到的圖像信息，通過二值化算法，得到具體的信息，通過openmv計算輸出控制量，并把控制量傳遞給STM32，控制無人機的飛行姿態。通過無線通信模塊與遙控器進行數據的傳輸，實現無人機的起飛、降落及飛行姿態和位置的調整。

圖2 技術路線圖

3 油箱特征檢測模塊設計

實現油箱檢測的特征檢測模塊主要包括油箱特征提取模塊和采樣信息處理模塊系統，具體介紹如下。

3.1 油箱特征提取模塊設計

由于微型多旋翼無人機體積較小，且作業環境為光線較暗、結構復雜的油箱環境，因此，本系統擬選用微型高清夜視攝像機和微型超聲探測模塊對油箱特征進行提取。無人機搭載微型高清攝像機進行油箱特征提取，并將采樣信息通過圖像傳輸模塊傳回地面站。對于油漬堆積較多的區域，攝像機采集的圖像信息難以真實反映油箱結構缺陷情況，利用微型超聲探測模塊進行輔助檢查，并實時將探測信息傳回地面站進行信息處理。

3.2 采樣信息處理模塊設計

對圖像傳輸模塊進行選型，地面站實時接收無人機飛行狀態信息、攝像機和超聲探測模塊發回的油箱特征采樣信息。為了提高油箱檢查精度，采用基于非線性濾波器的數據融合算法對圖像和超聲探測信息進行融合處理，確定油箱缺陷位置，并將信息處理結果實時傳送至顯示模塊，使機務人員及時了解油箱表面受損情況。

基于微型多旋翼無人機的飛行油箱檢查系統工作流程圖如圖3所示。無人機通過圖像傳輸模塊連接地面站，圖像傳輸模塊采用FPV（第一人稱視角）模式操縱無人機進入飛機油箱內部，無人機通過圖像傳輸模塊將采集到的圖像和超聲探測信息傳送至地面站，地面人員對采樣結果進行分析，確定油箱缺陷位置。地面站實時接收無人機飛行狀態信息、攝像機和微型超聲探測模塊發回的油箱特征采樣信息。為了提高油箱檢查精度，機務人員重點研究圖像和超聲探測信息的數據融合算法，確定油箱缺陷位置，并將信息處理結果實時傳送至顯示模塊，使機務人員及時了解油箱表面受損情況，對損壞的油箱進行及時檢修。

圖3 系統工作流程圖

4 結語

該系統預計會對民航機務維修行業帶來一個巨大的革新，采用無人機代替人工作業，可減少勞動力需求，提高作業效率和質量，給民航維修業帶來巨大的經濟效益。同時，通過無人機可大大減少在飛機維修時所產生的安全事故，保障機務人員的生命安全和身體健康。通過民航業對無人機系統的應用，有利于提高我國無人機整體發展水平，對我國推動無人機發展水平有顯著效果。