用于电力线作业的大载重无人机防坠落伞降系统

邝江华，李化旭，乔晓光，邓志勇，李剑川

1.智能带电作业技术及装备(机器人)湖南省重点实验室(湖南省电力有限公司输电检修分公司)

2.带电巡检与智能作业技术国家电网公司实验室（湖南省电力有限公司输电检修分公司)

3.湖南中部创新科技集团有限公司

本文提出一种大载重多旋翼无人机防坠落伞降系统的设计方案，重点介绍坠落实时监测的算法及实现装置。

近年来，随着多旋翼无人机技术的不断发展，电力行业已尝试采用大载重无人机及机器人开展电力线作业，在许多方面取得了一系列创新成果。

但是，大载重无人机在作业中一旦意外坠机，就会造成较严重的后果。一方面，大载重无人机坠机动能较大且成本较高，撞击地面后无人机发生解体，经济损失严重；另一方面，大载重无人机坠落将危及地面人员及设施的安全。

如何防止大载重无人机发生意外坠落，其自身防护装备显得尤为重要。任务载荷重量超过100kg的重载无人机在100m以下低空飞行的伞降保护技术面临一系列挑战。

下面阐述用于输电线路作业的大载重无人机防坠落伞降系统，并介绍坠落监测时间、快速弹伞装置及快速开伞技术。本文研究的大载重无人机低空开伞系统达到了预期效果。

伞降保护装备发展概况

图1 大重载无人机进行电力线作业。

从21世纪60年代开始，伞降保护技术已用于空投和飞机保护。伞降保护装备的典型代表是美国和俄罗斯产品。俄罗斯大型装备的伞降保护技术研究起步较早，也较为先进，可以空投重量达几十吨的装甲步兵战车系统。美军T11 高级战术伞降系统的开伞高度为150m，投放载荷仅为一个单兵系统，未涉及重载系统。近年来，随着无人机产业的蓬勃发展，无人机伞降保护技术与应用成为刚需，它是一种防止无人机在空中坠落的有效保护措施，许多院校的研究课题涉及了伞降保护技术。

伞降保护系统的作用

大载重无人机广泛应用于输电线路作业，优势明显。当大载重无人机悬吊技术辅助带电作业时，作业环境或无人机运行状态可能发生突变导致的无人机坠落，会对作业人员、电网、设备等生命财产造成危害。为最大程度降低大载重无人机坠落造成的影响，须要研制大载重无人机防坠落装置，使无人机能以较低的速度降落地面，确保生命财产和无人机的安全。

表1 技术信息一览表（以一种类型装置为例）。

系统组成

该伞降保护装置主要包括特种降落伞、降落伞容器、自动弹射器（发射筒抛射机构）、独立控制器（包含加速度传感器、气压计、黑匣子系统）、微型伞降北斗接收机（该接收机可选配，经纬度定位，定位精度±3m）、无线通信模块等设备。其中，伞衣、独立控制器、微型伞降北斗接收机、无线通信模块、自动弹伞器是主要功能部件。

图2 伞降保护系统示意图。

系统作业原理

当大载重无人机在作业中出现能源不足或旋翼损坏等异常情况时，伞降保护系统的实时监测设备可监测到无人机的坠落。无人机坠落通常是垂直坠落或倾斜坠落，一般会使Z轴重力加速度的突变达到一定量值，或气压传感器数值急速增大，这时控制器迅速打开自动弹射器，自动弹射器把降落伞多角牵引绳弹射出去，遇到空气阻力后降落伞迅速张开，保证无人机缓慢降落，避免大载重无人机直接坠落到地面。

系统作业流程

（1）系统上电，监测中央处理器（CPU）与惯性测量单元（IMU）是否正常运转。

（2）IMU监测到Z轴加速度异常。

（3）5次异常监测（每次1ms，共5ms），确认坠落，发出开伞信号。

（4）发射器发射伞边缘牵引头，射出开伞，预计响应时间25ms。

（5）伞降保护系统预计1s开伞后，受风阻影响，伞自动张满。

（6）无人机以伞降方式自动降落到地面。

在作业过程中，控制器与主控之间可交换数据，通信模式是串口、I2C或SPI。

关键技术

本文主要研究用于输电线路作业的大载重无人机防坠落伞降装置，涉及降落伞装置的结构设计、弹射策略、伞型分析、降落伞容器设计、降落伞弹射装置设计、降落伞开伞机构以及降落伞控制电路（弹射执行电路）、低空抛伞的关键技术等内容。

其中坠落实时监测技术是最核心关键技术，即利用加速度传感器的数据分析，判定无人机是否处于坠落状态，从而驱动弹伞装置执行弹伞操作。下面针对弹伞判断，做进一步分析与代码设计。

//先取Z轴加速度，再根据5ms的欧拉角输出结果，计算出垂直重力方向上的加速度分量，针对IMU的加速度值、低通滤波、保持趋势的稳定性，其STM32 MCU的C++代码如下。

acc_Z=acc_Z+0.1*(imu_data.w_acc[Z] - acc_Z)；

acc_X=acc_X+0.1*(imu_data.w_acc[X] - acc_X)；

acc_Y=acc_Y+0.1*(imu_data.w_acc[Y] - acc_Y)；

图3 加速度传感器板与MCU监测系统。

//计算垂直重力加速度的分量，即垂直加速度值acc_D。当地导航系定义为北东地NED，C++代码如下：

acc_D=-sin_pitch*acc_X+sin_roll*cos_pitch*acc_Y+ cos_roll*cos_pitch*acc_Z；

辅助判断条件可以设置为Z轴速度的判断，代码如下。

（1）采用Z轴加速度进行估算的Z轴速度（向上为-，向下为+）

Z_vel_acc=-(imu_data.w_acc[Z]+0)*0.01；

其中，0是补偿因子，补偿后静止时加速度值为0，0.01=10ms的采样周期。

（2）采用高度值进行估算的Z轴速度（20ms采样一次）

Z_vel_alt=-(baro_h-baro_h_old)*0.01；

//0.01是匹配因子，正常是除以时间获得速度，这里匹配到个位数的变化，向上为正，向下为负。

（3）互补融合滤波

Z_vel=2.5*(0.5*Z_vel_acc+0.5*Z_vel_alt)；

此外，利用高度信息来做弹伞决策也非常准确，其原理比较简单，本文不赘述。

试验测试结果

伞降保护系统设计完后，制作出试验装置。微机电（MEMS）加速度传感器与微控制器（MCU）监测系统详见图3、图4、图5。若干次高处坠落的试验数据详见图6。

图4 抛投器与牵引伞管套。

图5 主伞筒与牵引伞。

根据以上设计与分析，对弹伞策略实现的装置进行试验。试验结果表明，该伞降保护系统工作稳定可靠。当大载重无人机出现坠落时，该系统可以准确弹伞，这种伞降保护方法切实可行。

图6 上图和下图为无人机自由坠落的实时数据记录结果。