基于无人飞行器的轻小特种设备吊装模型研究

朱一凡 杨大利 高铭

摘 要：轻小特种设备在无人飞行器所执行的任务中发挥着重要作用。根据无人飞行器执行轻小物体的吊装作业中所遇到的情况，设计了相应的自动应对方案，研究了特种设备与飞行器端和地面控制端相互控制关系，实现了拖曳吊装和机械臂吊装两种吊装模型。

关键词：轻小设备吊装；无人飞行器；模型设计

中图分类号：V279 文献标识码：A

1 引言

随着我国无人飞行器市场的持续增长，大量传统行业开始引入无人飞行器以降低作业成本和增加作业精度。在进行多种无人飞行器作业中，由无人飞行器加载特种设备进行数据采集、航拍监测、物品投放等用途较为常见。当前特种设备吊装一般使用平台托载或者机械臂吊装。上述方法可以有效地保证运载设备的平稳和数据传输的简单，但是在一些特殊要求下，需要将特种设备放置在远离飞行器平台本身的空中进行作业（如空气成分监测、火灾设备投放等）。远离飞行器平台使用特种设备意味着特种设备不能再适用飞行器平台的一些参数（如地面绝对高度、GPS参数等），因此建立自我应急规避系统和稳定数据交换系统是十分必要的。

本文通过研究分析了拖曳吊舱和机械臂吊舱两种吊装模式设计了一套环境自动应对方案，以及研究了设备本身、飞行器平台以及地面控制端三者之间的控制优先关系。最后对上述两种方案进行了部分模拟，验证了本文的观点。

2 自动环境应对方案

2.1 拖曳式吊舱

在拖曳式吊舱使用过程中，由于吊舱据飞行器平台本身距离较远，且由于绳缆连接导致了吊舱本身的运动不稳定因此导致了操作过程中失误引起的绳缆缠绕、吊舱碰撞以及单一设备故障导致吊舱无法收回等技术性问题，进而引发特种设备损坏乃至飞行器坠毁事故。因此设计吊舱自动环境应对系统可以有效改善飞行器安全性能。

2.1.1 装置设计

如圖1所示，装置底部安装测距雷达、侧部安装GPS模块、顶部线缆连接处安装一台Arduino单片机，绳缆与数据线缆缠绕使用，其中数据线缆通过延长布线不受较大拉伸力。将数据线缆接口、GPS的I/O接口和测距雷达的I/O接口接入单片机，供电可以选择数据线缆供电或在吊舱加装电池。

2.2 整体式吊舱

将所需吊装的设备固定在吊舱中，吊舱与机身使用刚性连接。这样的设计虽然可以让吊舱与飞机成为一个整体，方便进行整体设计，但是飞机在飞行过程中的震动和抖动将传到到吊舱中的设备，导致设备测量的结果出现误差，甚至损坏设备。因此，在吊舱中加入减震系统是十分必要的。

2.2.1 装置设计

将设备固定在一个减震底板上，减震底板与吊舱之间使用减震球连接，防止震动对设备造成影响

3 设备控制

为增强设备适应性，吊装设备可在树莓派的控制下进行上升和下降，实现在不同高度位置进行作业，可以到达部分无人机无法到达的区域进行探测。同时也保证了无人机飞行的安全性，在非作业时间内将吊绳收起保证无人机飞行的稳定性。

采用树莓派作为控制调仓升降的中央控制器，采用将步进电机上加装挡板作为线轴。在树莓派上定义一个GPIO口为IN，接收从接收机处传来的信号，接收机接收遥控器发出的控制信号，并将电平信号输出至树莓派的GPIO口，当次GPIO口电平为高时判断为收到遥控器信号。再定义一个GPIO口为OUT，当树莓派收到指令判断后在此GPIO口上输出“1”信号，步进电机即向一个方向旋转，当树莓派在此GPIO口上输出“0”信号时，步进电机向反方向旋转，带动线轴一起旋转，以此来控制吊绳的收房，从而可以控制调仓的上升和下降。

结语

本文设计了一种适用于无人机的拖曳式吊舱解决方案，通过此方案可以实现在无人机上拖曳吊舱，并可通过遥控器控制调仓的升降。既保证了无人机飞行的安全稳定，又拓展了无人机搭载设备的作业环境，从而应对不同环境的工作要求。设备在实验环境下已基本实现所述功能，可随不同要求控制吊舱的高度，以实现早无人机无法到达的地方进行工作。

参考文献

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