無人機掛載照明裝置的研究與分析

摘 要：對無人機照明的研究背景以及無人機掛載照明裝置的設計原理、性能評估及成效分析進行探討，以發掘其在夜間施工、應急救援等多個場景的應用潛力。首先，概述了無人機照明領域的研究背景；隨后，詳細分析了掛載照明裝置的關鍵技術，包括掛載結構、照明燈選配、控制系統開發等；同時，評估了無人機掛載照明裝置的優缺點，通過深入分析和實驗驗證，證明了無人機掛載照明裝置作為新型照明解決方案的可行性和優越性；最后，分析了應用成效，并對未來發展方向提出了展望。

關鍵詞：無人機；無人機掛載；照明裝置

中圖分類號：V279" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2025）07-0028-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.07.007

0" " 引言

隨著無人機技術的快速發展，無人機的掛載能力、飛行穩定性、續航能力等不斷提升，為掛載照明提供了更加可靠的技術支持。同時，照明技術也在不斷進步，如LED光源的能效提升、智能控制系統的應用等，使得無人機照明的效果更加顯著。無人機掛載照明結合了無人機的靈活性和照明及控制技術，為多種場景提供了創新解決方案，盡管當前技術仍存在一定缺點和不足，但隨著技術的不斷進步和完善，無人機掛載照明裝置將在更多領域發揮重要作用，為經濟社會發展注入新的活力。

1" " 研究背景

現有無人機技術不僅具備垂直起降、高空懸停、快速轉移等功能，還具有較強的負載能力，能搭載各種附屬設備進行高空作業。但夜間光線昏暗，能見度低，無人機作業安全性下降，導致應用受到限制。隨著城市化進程的加快和夜間活動的興起，社會對夜間照明的需求不斷增加，無人機與高效節能照明技術結合，解決了無人機夜間作業[1]受限問題，在多個領域展現出了其獨特的優勢和潛在的價值。社會對于無人機產業的發展給予了高度關注和支持，對于照明產業與高新技術產業的跨界融合也給予了積極鼓勵，在實景三維、低空經濟等國家戰略規劃的推動下，無人機照明的應用場景將進一步拓展。

無人機系留照明[2]作為無人機照明解決方案之一，在應急救援、夜間施工等場合中發揮了至關重要的作用。無人機通過系留電纜與地面電源相連，能夠持續穩定地懸停在空中，為特定區域提供長時間連續照明，但是在高續航照明的同時，無人機受到系留電纜長度限制，無法脫離電源遠距離飛行，限制了應用場景和范圍。為突破無人機照明的技術瓶頸，研制了一種可以無線遙控的掛載照明裝置，將自帶電源的照明設備與無人機腳架結合為一體，設計成無人機標準配件，以提高無人機在夜間飛行的可視性、識別性和安全性，為無人機夜間作業創造安全的飛行環境。

2" " 設計原理

2.1" " 掛載結構

無人機掛載照明裝置的掛載結構設計，需要分析結構材質、掛載點以及固定方式等方面。作為無人機附屬配件，掛載重量應該盡可能輕盈，減輕無人機負載，因此選擇與無人機腳架相同的碳纖維材質較為適宜。掛載點的選擇應考慮不能影響無人機飛行穩定性和照明效果，掛載后保持重心與無人機一致，因此選擇兩主四輔的照明組合掛載方式，如圖1所示。

兩臺主探照燈通過圓形可調卡具掛載于兩副起落腳架外側，避免遮擋無人機云臺鏡頭、視覺傳感器等功能組件，主探照燈與腳架之間設置轉向舵機，腳架四角末端設置四只方位燈，通過內置于起落腳架空心管中的線纜供電，如圖2所示。

2.2" " 照明燈選配

無人機掛載照明應具備高亮度、長續航等特性，以提供足夠的光照來滿足夜間場景需求。LED照明近年來技術不斷成熟發展，成本隨之降低，其因獨特的發光原理，不會產生過多熱量，具有節能、高效、環保、小巧等優勢，因而成為搭配無人機照明的首選。主探照燈選擇聚光、泛光兩種大功率高亮度白光燈珠，可根據光照強度、照射面積等實際需求切換聚光和泛光；方位燈可選擇紅色或白色LED燈珠，達到示廓避障和裝飾照明的雙重效果，如圖3所示。

2.3" " 電池選配

主探照燈內配可充電鋰電池，為主探照燈、方位燈、掛載裝置供電，可根據無人機載重情況選配電池容量，實現脫離系留線長時間照明。在無人機滿電狀態下掛載照明裝置啟動，與未掛載時的續航能力進行對比，進行續航能力測試，由于掛載照明裝置增加了無人機的負重，無人機的續航能力小幅度下降，但仍在可接受范圍內，后期可通過優化電源管理、減輕掛載重量來提高無人機續航能力[3]。按照大疆M200型號無人機設計，5 W照明及控制供電，選配3 000 mAh鋰電池即可實現長達4 h以上照明續航，滿足夜間巡檢需求。

2.4" " 控制系統開發

主探照燈內置無線控制模塊，通過集成遠程遙控、光照切換、故障自檢等電路設計，可以實現多路無干擾便捷控制，并根據實際需求調整照明效果。燈體搭配數字舵機，編寫控制邏輯，精準控制旋轉角度和方向；采用2.4 GHz跳頻遙控技術，通過編寫代碼來控制發射器發送信號，編寫接收器的代碼來解析信號并執行相應的動作，實現照明裝置無線控制，也可與其他智能設備或系統聯動以實現智能控制。控制系統原理圖如圖4所示。

3" " 性能評估

3.1" " 性能測試

通過仿真分析和實際測試，分別對比掛載照明裝置前后無人機的飛行姿態和飛行速度，分析無人機的振動情況和飛行軌跡穩定性。掛載后飛行姿態變化范圍略有增加，平均飛行速度略有下降，但仍在可接受范圍內，驗證了掛載結構對無人機飛行性能的影響較小；安裝后兩側對稱、與機身保持重心一致，在高速飛行、急轉彎等復雜飛行動作下，照明設備均能保持穩定，不產生晃動或偏重現象。飛行穩定性對比測試如表1所示。

經過嚴格的電氣性能、光學性能、掛載穩定性、安全性檢測，無人機掛載照明裝置各項性能指標均達到設計要求，在照明范圍、亮度與角度、耐用性與穩定性、智能化與可控性等方面均表現優異。

3.2" " 優勢分析

1）高效性：實現視距100 m遠距離遠程遙控，能迅速到達指定區域，實現快速部署和照明，大幅提高應急響應速度，提供快速、穩定、均勻的照明效果，確保施工或巡檢工作的順利進行。

2）靈活性：可以靈活調整無人機飛行高度和角度，實現大范圍、多角度的照明覆蓋，滿足不同場景下的照明需求，也可通過多架無人機協同作業，可以進一步擴大照明范圍，實現無死角照明。

3）適應性：不受地面障礙物限制，能夠在復雜地形和惡劣環境下進行照明作業，對于一些難以到達或傳統照明方式無法覆蓋的區域極為適用。

4）安全性：通過無人機進行照明作業，可以減少人工參與高空作業或進入危險區域的需求，降低了人員安全風險，特別是在危險或難以到達的區域作業時，更能體現出其安全性優勢。

5）便捷性：裝置整體重量為0.6 kg，便于攜帶和放置，按照無人機標準配件設計，可以方便地掛載到各種類型的無人機上，無須對無人機進行改裝。

3.3" " 缺點分析

1）續航能力與載重限制：無人機的續航能力和載重能力有限，掛載照明裝置后飛行時間進一步縮短，這就限制了照明設備的功率和重量，使其在長時間、大范圍照明任務中的應用受到影響。

2）操作難度與技能限制：操作人員應具備無人機駕駛員資質和一定的技能水平，需要經過專業培訓才能熟練掌握，在緊急情況下，如何快速、準確地操作無人機進行照明作業是一個挑戰。

3）環境干擾限制：惡劣天氣或電磁干擾等環境下無人機飛行受限，直接影響無人機照明作業的安全性和穩定性。

4" " 成效分析

4.1" " 經濟效益

對于無人機操控者而言，掛載照明裝置有效提高了無人機的安全性能，降低了無人機意外撞擊或墜落的風險，減少了相關的經濟損失和社會負面影響；對于無人機照明應用者而言，掛載照明裝置有效改善了夜間作業環境，顯著提高了夜間作業效率，減少了因光線不足導致的重復作業和事故風險，從而節約了人力、物力成本，為企業帶來了持續的成本節約效益。

4.2" " 社會效益

無人機掛載照明裝置拓展了無人機的應用場景，能夠引起社會對無人機技術的廣泛關注，進而提升公眾對無人機技術的認知度和接受度，增加無人機市場需求，促進無人機產業的發展和創新，使其能夠在更多領域發揮重要作用；同時帶動了相關產業鏈上下游企業的協同發展，有利于推動整個行業的健康發展，進一步促進經濟發展和社會進步。

5" " 結束語

無人機掛載照明裝置作為創新的照明解決方案，具有顯著的優勢和廣闊的前景，隨著技術的不斷進步和應用場景的不斷拓展，會有更多無人機照明產品推向市場，為更多領域提供更加高效、靈活、安全的照明解決方案。無人機照明市場規模將保持快速增長態勢，相關標準規范也將逐漸建立完善，這將有助于規范市場秩序、提高產品質量和安全性、促進產業健康發展。

[參考文獻]

[1] 國網江西省電力有限公司.江西贛州公司：無人機照明助力夜間作業[J].農村電氣化，2024（1）：44.

[2] 藍偉松.基于多旋翼無人機的系留照明系統的研究[J].機電信息，2019（36）：12-13.

[3] 鄭玉浩，于學超，梁剛，等.一種虛擬電池的無人機長續航照明系統的研究[J].農村電氣化，2023（2）：76-80.

收稿日期：2024-12-20

作者簡介：原偉森（1986—），男，山東人，工程師，研究方向：輸電線路運檢技術。