Mavic2系列无人机失控微型保护装置研究

Mavic2系列无人机失控微型保护装置研究

刘云勋,罗程,张晓青

广东电网有限责任公司广州供电局

摘要：多旋翼无人机灵活性高、反应快速、成本低廉的特点，使得其已被广泛应用于电网的规划、建设、运行和维护工作中。电网行业大范围采用了大疆Mavic2系列无人机作为线路巡检工作的标准工具，由于其他外部环境等因素影响可能会造成无人机意外坠毁。因此无人机坠机损失及安全风险的预防，成为亟待解决的问题。

关键词：无人机；防坠落系统；研究

引言

在电力行业的架空线路运维工作中，无人机巡检已成为必不可少的运维工具，在日常的巡视、线路验收、故障排查、检测中广泛使用。由于线路巡检工况复杂，对无人机操作人员要求非常高，而且随着无人机的功能逐渐完善，除本身耗费较大之外，所携带的电子设备也越来越尖端、精密，且造价昂贵，所以无人机的使用安全问题显得尤为重要。电网行业大范围采用了大疆御2系列无人机作为线路巡检工作的标准工具，由于其他外部环境等因素影响可能会造成无人机意外坠毁。因此急需研发一种用于保障大疆Mavic2无人机失控状态下的超轻便保护装置，配备高性能处理器及姿态传感器，实现无人机对危险的提前感知，具备姿态检测、失控保护、可重复使用等特性。

1无人机坠机的因素

在无人机的日常巡检中，有时会发生无人机坠毁事件，炸机一般由以下原因造成：

1.1运维人员操作失误

对于线路运维，高压线高压塔一般都建造在山区，飞行环境比较复杂，运维飞行人员需要承受很大的工作压力，特别是在高强度的飞行作业中，运维人员更容易飞行操作失误，从而导致无人机坠机；

1.2突现障碍

无人机在高压线飞行开展作业时，偶尔会有许多鸟在附近飞行活动，如果这时候无法准确预判小鸟的飞行轨迹，操控无人机避开小鸟，也将会导致炸机事件的发生；

1.3强风大雨

在远距离巡检时，突降大雨，导致无人机无法及时返航，也将容易导致炸机。无人机炸机不仅是设备损失，还可能造成其他次生事件，造成更大不可知的损失。因此，无人机的使用安全问题尤为重要，有必要对无人机坠机前进行保护，确保不出现炸机情况。

2功能特点及工作原理

我方设计并研制一款适合御2系列无人机的安全防坠落系统，该系统主要通过芯片程序来进行控制，采用智能算法，配合高速处理器，每秒能进行大量姿态数据分析，瞬间激活，可以在0.01s内对危急情况做出快速反应。该系统搭载高精度姿态传感器数据融合来实现精准判断，高效避免坠落导致的炸机等风险。通过在Mavic2系列无人机外壳上进行改装，搭载安全防护系统，有效保障无人机财产安全。

3总体技术方案

3.1无人机防坠落装置设计

装置整体采用轻量化材质制作，如图1所示，由伞舱及智能控制模块组成。其中伞舱中包含伞包、电点火管、固定螺栓等零件，智能控制模块内置高精度十轴姿态传感器、控制电路及脉冲点火装置。

图1装置结构示意图

使用时，将绑带分别穿过装置两边的固定点，利用魔术贴固定于无人机顶部，该设计不改变无人机原有机身机构，并能够随时拆卸，如图2所示。

图2 装置使用示意图

当检测到无人机姿态及加速度异常时，智能控制模块控制电点火管点燃药剂，瞬间能产生约5Mpa压强的气体，将伞包弹出舱外，同时在空气阻力的作用下，降落伞充气展开，对无人机进行降速保护。

3.2人工智能算法设计

根据大疆官方公布数据，Mavic2系列无人机最大下降速度为3m/s，最大倾斜角度为35°，经作者实验测试，该系列机型正常控制下最大加速度约为4-5m/s²，且正常情况下不会出现以最大加速度持续工作超过0.5秒的情况。

因此，结合无人机失控坠落的姿态分析，设定在无人机起飞高度达到8米以上后，只需出现下述两个触发条件之一，装置即执行开伞操作：

（1）无人机姿态倾斜角度≥50°且持续时间≥1s；

（2）无人机向下加速度≥5m/s²且持续时间≥1s；

将本装置安装在无人机上并开机，会检测无人机是否进入飞行状态，在无人机进入飞行状态后，装置会进入警戒状态，在无人机发生事故不正常降落时，装置的智能控制模块会实时收集姿态数据，根据当时无人机的姿态角度、加速度等数据进行综合判断。其中，当机体的倾角或下落加速度大于阈值，且异常维持时间超过预设时间，则输出相应的控制信号至对应的电磁阀和固定部，以控制对应弹射筒内的自抛式降落伞在高压气体下被压出弹射腔外，进行开伞保护。

上述防坠机安全算法，拥有精准判断、快速开伞的特点。可以在短时间内通过传感器感知危机，即使在很低的高度也能生效。发生失控坠机时可实现0.01s快速激活，及时对失控中的无人机进行降速。

经测试，在50米以上高度开伞时，mavic2系列无人机在稳定下降阶段的速度为5m/s左右，有效保证了无人机发生事故时救机的主动性与安全性。

3.4重复使用，经济环保

为了增加使用率以及减少炸机成本，装置采用可循环设计，内部耗损物件如点火管、降落伞、伞舱都可以更换，其中点火管、伞舱顶盖为一次性消耗品，而降落伞可循环使用20次左右，智能控制模块则可长期使用。整个伞舱材料均采用尼龙材质通过3D打印方式制作，具有制作简单、成本低廉的特点。

4. 后续优化方向

4.1集成保护罩结构

多旋翼无人机在坠落过程中会失去控制，而机械结构则能全方位地对其机型有效保护。通过图3所示的保护罩，能够最大程度地了无人机因操作失误对物体进行小剐蹭而导致的炸机，桨叶停转时，也能在无人机坠落前提供一定的缓冲，极大减少无人机的损坏。但飞行挂载较多时，可能会对无人机的续航时间造成一定影响，因此保护罩的材质选型需结合对续航的影响综合考虑，通过保护罩与降落伞相组合，能够进一步降低坠机带来的安全风险和财产损失。

图3无人机保护罩示意图

4.2 实现无线控制

2.4g无线技术是一种频段设置在2.405GHz至2.485GHz之间的无线传输技术，目前广泛运用在各类电子设备中。在综合考虑功耗、通信距离等因素后，通过集成合适的无线通信模块，防坠落装置可实现通过手动控制功能，一旦出现失控坠机，可由飞手手动开启，跳过算法异常判断的等待时间，迅速完成开伞动作，可大大降低坠机的损坏程度。

结语

本文开展了一种针对Mavic2系列无人机失控微型保护装置的研究，该装置通过姿态数据采集及智能算法及时发现异常，使用喷射气体将降落伞推出，利用空气阻力实现减速降落，减小无人机坠落带来的损害，在巡检及其他高风险飞行作业过程中，可较大限度减少无人机失控坠落造成的财产损失及人身安全风险。本文也针对该装置的技术优化进行了初步探究，为后续的改进工作明确了方向。

参考文献

[1]周茂繁.四旋翼无人机保护罩结构设计[J] .南方农机，2019,50( 10 ) :145.

[2]黄兴，赖照明，陈国平，琚成炎，李龙生.基于多旋翼无人机防坠机装置的研究 [J] .电气传动自动化，2021,43 ( 05 ) :12-14+5.

[3]张业宏，张晋明，马冲，王俊强.多旋翼无人机失控开伞系统的设计与实现 [J] . 邢台职业技术学院学报， 2020,37 ( 05 ) :80-84.