CN111086638A - 天然气管道巡线固定翼无人机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种天然气管道巡线固定翼无人机，包括机身和机翼，GPS以每秒20次的频率采集飞机实时经纬度信息并发送给飞控***；外置磁罗盘将采集到的方位角信息发送给飞控***，飞控***以每秒120次的频率与飞控***自身记忆体中的位置信息进行比较，得出修正所需的具体数值；飞控***将上述数值打包后以每秒120次的频率发送给左副翼舵机、右副翼舵机和水平尾翼舵机，将以每秒300次的频率响应飞控***发来的数据包并实施物理上的舵面变化，控制机身保存3米内的循迹飞行。本发明固定翼无人机，通过对常规静稳定气动布局固定翼无人机的气动布局进行优化，实现高精度循迹飞行和依附地表飞行，满足管道高效巡线的需求。
Description
技术领域
本发明属于无人机技术领域，特别是涉及一种天然气管道巡线固定翼无人机。
背景技术
石油天然气长输管道巡线需要开展的工作包括：视频数据采集、激光甲烷探测、正射和数字高程模型数据生产等。目前多采用多轴旋翼机巡线，飞行距离较短、荷载较小，工作效率低下，固定翼无人机巡线是提高航测巡线工作效率的基本方法，现有固定翼无人机需要解决的问题有如下两个：
1.在曲折线路上实现精度3米以内循迹飞行，如附图1所示，图1中实线是地标物，虚线是航飞轨迹，由图1可见飞行轨迹需要频繁的改变角度，改变量可由表格1看出。
表格1如下：
| 航点号 | 纬度 | 经度 | 高度 | 坡度 | 距离 | 方位角 |
| 10 | 29.5971991 | 105.2147086 | 200 | 0.0 | 28.2 | 5 |
| 11 | 29.5972912 | 105.2146154 | 200 | 0.0 | 13.6 | 319 |
| 12 | 29.5974008 | 105.2141929 | 200 | 0.0 | 42.6 | 287 |
| 13 | 29.5974784 | 105.2137490 | 200 | 0.0 | 43.8 | 281 |
| 14 | 29.5976859 | 105.2133219 | 200 | 0.0 | 47.3 | 299 |
| 15 | 29.5979215 | 105.2131804 | 200 | 0.0 | 29.6 | 332 |
表格1中11、12、13、14、15这5个点的最后一项方位角分别是319、287、281、299、332度（正北为0度），从11点飞到15点每个转折点改变了-32、-6、18、33度。
所以，要实现上述循迹飞行，飞机在平面机动性上至少要具备正负35度频繁改变航向角而不脱靶，即不脱离地标物的能力。
2、实现前进一千米爬升200米或下降100米的纵向机动飞行，如附图2所示，图2是300米级别的地形跟随侧视图，虚线为航飞轨迹，实线为地面起伏（地表），竖轴为海拔高度（米），横轴为前进距离（米）。由图2可见：前进一千米需要上升/下降100米，才能满足地表数字高程模型的起伏需求。
综上所述，常规静稳定气动布局固定翼无人机受气动性能限制，飞机的转弯笨重，俯仰困难、中线符合精度低于20m，不能满足巡线和探测中必须的水平方向循迹飞行和纵向上的依附地表飞行的要求，在具体工作中表现为流视频采集频繁脱离视界，甲烷探测脱离管道线路，同时由于俯仰反应迟钝，不能适应地貌起伏较大的环境，造成了潜在的安全隐患，极大限制了固定翼无人机在管道巡线工作中的应用。
因此，如何解决上述现有技术存在的缺陷成为了该领域技术人员努力的方向。
发明内容
本发明的目的是通过对常规静稳定气动布局固定翼无人机的气动布局进行优化，提供一种实用于天然气管道巡线的固定翼无人机，解决在曲折线路上实现精度3米以内循迹飞行，并且实现前进一千米爬升200米或下降100米的纵向机动飞行。
本发明的目的通过下述技术方案来实现：一种天然气管道巡线固定翼无人机，包括机身和机翼，所述机身内设置有飞控***、GPS、电池、挂载、左副翼舵机、右副翼舵机、水平尾翼舵机、垂起电机、外置磁罗盘、推进电机、数据通信电台、垂起电机电子调速器组、遥控接收机、推进电机电子调速器和降压稳压器；其特征在于：飞控***分别与GPS、外置磁罗盘、左副翼舵机、右副翼舵机和水平尾翼舵机相连；GPS以每秒20次的频率采集飞机实时经纬度信息并发送给飞控***；外置磁罗盘将采集到的方位角信息发送给飞控***，飞控***接收到GPS和外置磁罗盘发来的信息后，以每秒120次的频率与飞控***自身记忆体中的位置信息进行比较，并且结合飞控***自身集成的三轴角速度仪、三轴加速度仪、气压计来推测计算出飞机的偏航误差，并且得出修正所需的具体数值；飞控***将上述数值打包后以每秒120次的频率发送给左副翼舵机、右副翼舵机和水平尾翼舵机，左副翼舵机、右副翼舵机和水平尾翼舵机将以每秒300次的频率响应飞控***发来的数据包并实施物理上的舵面变化，控制机身保存3米内的循迹飞行。
作为优选方式之一，左副翼舵机、右副翼舵机和水平尾翼舵机的控制信号为PWM信号，脉宽中立点为1.5毫秒，低点为1毫秒，高点为2毫秒，刷新频率为300赫兹。
作为优选方式之一，机翼上反角为3.5度。
作为优选方式之一，所述机翼选用克拉克W翼型，其翼根翼弦为275毫米，翼尖翼弦为185毫米，机翼中段展长为640毫米，巡航速度设定为60公里每小时。
作为优选方式之一，所述克拉克W翼型的最大厚度11.22%在30.0%的翼弦，最大曲面3.76%在40.0的翼弦。
作为优选方式之一，所述机翼的翼展为2300毫米，整机全长为1590毫米，机身长为965毫米、机身宽、高为165毫米；垂起纵轴距为906毫米，垂起横轴距为640毫米，起飞重量为6.9公斤。
一种天然气管道巡线固定翼无人机的工作方法，包括如下工作步骤：
第一步，通过管道沿线的DEM获得被测线路中线的坐标及高程数据；
第二步，加密中线坐标数量，进行飞控***路由参数和舵机参数配置；
第三步，根据中线坐标生成航线，写入航线到飞控***自身记忆体中；
第四步，开启自动飞行模式，飞控***实时采集无人机瞬间姿态数据，并计算修正姿态并实时发送给舵机控制器；
第五步，舵机控制器执行飞机控制及甲烷激光器扫描。
作为优选方式之一，舵机控制器具备舵机控制参数，舵机控制参数包括舵机水平微调和舵机纵向微调。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明所述天然气管道巡线固定翼无人机，通过对常规静稳定气动布局固定翼无人机的气动布局进行优化，实现高精度循迹飞行和依附地表飞行，满足管道高效巡线的需求。
附图说明
图1是固定翼无人机在曲折线路上实现精度3米以内循迹飞行的线路俯视图。
图2是固定翼无人机300米级别的地形跟随侧视图。
图3是全机集成电路和分散元器件相互位置关系图。
图4是天然气管道巡线固定翼无人机工作流程图。
图5是具有3.5度的机翼上反角的无人机正面结构示意图。
图6是图5的正升力和产生入弯分力的力学示意图。
图7是在曲折线路上实现精度3米以内的循迹飞行主要元器件之间的关系示意图。
图8是克拉克W 翼型的结构示意图。
图9为CLARK W机型俯仰角为负8度的力分布图。
图10为CLARK W机型俯仰角为负4度的力分布图。
图11为CLARK W机型俯仰角为0度的力分布图。
图12为CLARK W机型俯仰角为4度的力分布图。
图13为CLARK W机型俯仰角为8度的力分布图。
图14为CLARK W机型俯仰角为13度的力分布图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图3所示，一种天然气管道巡线固定翼无人机，包括机身和机翼，所述机身内设置有飞控***1、GPS2、电池3、挂载4、左副翼舵机5、右副翼舵机6、水平尾翼舵机7、垂起电机、外置磁罗盘10、推进电机12、数据通信电台13、垂起电机电子调速器组14、遥控接收机16、推进电机电子调速器15和降压稳压器。
其中：全机集成电路和分散元器件的型号、功能及参数如下：
飞控***型号：CUAV Pixhawk FMUv5
主处理器：STM32F765，32BitArm®Cortex®-M7,216MHz，2MB内存，512KB RAM；
协处理器：STM32F100，32BitArm®Cortex®-M3,24MHz，8KB SRAM；
板载传感器：
加速/陀螺仪A：ICM-20689；
加速/陀螺仪B：ICM-20602；
加速/陀螺仪C：BMI055。
磁力计：IST8310；
气压计：MS5611；
电源***：
电源输入：4.75~5.5V；
USB电源输入：4.75~5.25V；
伺服导轨输入：0~24V；
最大电流检测：80A
工作温度：-40~85℃。
GPS型号：ublox Neo-M8N GPS / GLONASS接收器、集成磁力计IST8310。
3.电池型号：6S 22.2伏， 22000毫安，5C放电倍率，聚合物锂电池。
4.挂载：兼容一公斤以内的各种挂载均可。
5/6/7副翼舵机与尾翼舵机的型号：KST MS589 数码舵机。
工作频率：1520us/333Hz；
扭力： 6.5kg.cm@6v；
速度：0.1秒/60度@6v；
0.09秒/60度@7.4v。
8/9/10/11垂起电机A-D：型号TYI 5010 KV400 多旋翼无刷电机。
峰值功率：732瓦；
重量：182克；
槽、极数：12N14P；
使用螺旋桨：16*5.5碳纤桨。
12进电机型号：双天XM5050EA 、KV515固定翼无刷电机。
峰值功率：1560瓦；
重量：292克；
槽、极数：12N14P；
使用螺旋桨：15*8E木质螺旋桨。
13数据通信电台型号：XB Radio 900无线数传。
最大功率：250毫瓦24dBM；
频率范围：900-928MHz；
处理器：ADF7023收发，EFM32G230@28MHz；
灵敏度：-101dBM@200Kbps；
协议：MAVLINK1&MAVLINK2。
14垂起电机电子调速器组型号：好盈XROTO 60安 6S无刷电调。
电池节数:4-6S 聚合物锂电池；
持续/峰值电流: 50A/70A；
输入/输出线径: 14AWG-60mm*2/14AWG-75mm*3。
15推进电机电子调速器：型号：好盈 Platinum 120安 6S无刷电调。
电池节数:3-6S 聚合物锂电池；
持续/峰值电流: 120A/150A；
输入/输出线径: 12AWG-150mm*2/12AWG-100mm*3；
集成降压稳压器（BEC）：输出能力5-8伏，10安。
16遥控接收机：型号：天地飞RD201W接收机。
17/18降压稳压器A&B：型号：好盈UBEC-10A 2-6S 外置式降压稳压器。
19外置磁罗盘：型号：CUAV IST8外置罗盘。
如图4所示，图4是天然气管道巡线固定翼无人机工作流程图。
一种天然气管道巡线固定翼无人机的工作方法，包括如下工作步骤：
第一步，通过管道沿线的DEM获得被测线路中线的坐标及高程数据；
第二步，加密中线坐标数量，进行飞控***路由参数和舵机参数配置；
第三步，根据中线坐标生成航线，写入航线到飞控***自身记忆体中；第四步，开启自动飞行模式，飞控***实时采集无人机瞬间姿态数据，并计算修正姿态并实时发送给舵机控制器；舵机控制器具备舵机控制参数，舵机控制参数包括舵机水平微调和舵机纵向微调。
第五步，舵机控制器执行飞机控制及甲烷激光器扫描。
其中，飞控自身记忆体中的位置信息”是事先写入的航线。
如图5、图6所示，飞控***1分别与GPS2、外置磁罗盘19、左副翼舵机5、右副翼舵机6和水平尾翼舵机7相连；GPS2以每秒20次的频率采集飞机实时经纬度信息并发送给飞控***1；外置磁罗盘19将采集到的方位角信息发送给飞控***1，飞控1接收到GPS2和外置磁罗盘19发来的信息后，以每秒120次的频率与飞控***自身记忆体中的位置信息进行比较，并且结合飞控***自身集成的三轴角速度仪、三轴加速度仪、气压计来推测计算出飞机的偏航误差，并且得出修正所需的具体数值；飞控***将上述数值打包后以每秒120次的频率发送给左副翼舵机5、右副翼舵机6和水平尾翼舵机7，左副翼舵机5、右副翼舵机6和水平尾翼舵机7将以每秒300次的频率响应飞控***发来的数据包并实施物理上的舵面变化，控制机身保存3米内的循迹飞行。在电子控制方面快速准确的修正飞机姿态，从而达到在曲折线路上实现精度3米以内的循迹飞行的目的。
左副翼舵机5、右副翼舵机6和水平尾翼舵机7的控制信号为PWM信号，脉宽中立点为1.5毫秒，低点为1毫秒，高点为2毫秒，刷新频率为300赫兹。
机翼上反角为3.5度。
所述机翼选用如图8所示的克拉克W翼型，其翼根翼弦为275毫米，翼尖翼弦为185毫米，机翼中段展长为640毫米，巡航速度设定为60公里每小时。所述克拉克W翼型的最大厚度11.22%在30.0%的翼弦，最大曲面3.76%在40.0的翼弦。所述机翼的翼展为2300毫米，整机全长为1590毫米，机身长为965毫米、机身宽、高为165毫米；垂起纵轴距为906毫米，垂起横轴距为640毫米，起飞重量为6.9公斤。加入3.5度的机翼上反角并选择克拉克W翼型，这可以在较小横滚角下产生入弯向心力，能使飞机快速侧滑入线，实现上述循迹飞行，飞机在平面机动性上至少要具备正负35度频繁改变航向角而不脱靶，即不脱离地标物的能力。由附图5和6所示，机身只需要提供较小的横滚角度就可以得到足够的入弯分力。
经过优选比较，确定选用“克拉克W”翼型作为该无人机的翼型，这款翼型能在提高升阻比的同时又不降低飞行器的稳定性，升阻比越高，纵向机动性越强，飞机整体稳定性越弱，保持巡航速度需要的能耗越高，“克拉克W”是从众多翼型中优选而来最适合本项目工况的翼型。
以下是“克拉克W”受力分析图，套用计算雷诺数的表格中：
| 高度 | 300 | 米 |
| 速度 | 20.00 | 米/秒 |
| 弦长 | 30.00 | 厘米 |
| 计算RE | 401168 |
其中，雷诺数：可以理解为空气的粘度和阻力（压力）的一个混合参数，用“RE”来表示。
附图9为CLARK W: Re=401000；Mach=0.0000-NCrit=9.00；Cp分布状态 ；Alpha=-8.0度。
附图10为CLARK W: Re=401000；Mach=0.0000-NCrit=9.00；Cp分布状态 ；Alpha=-4.0度。
附图11为CLARK W: Re=401000；Mach=0.0000-NCrit=9.00；Cp分布状态 ；Alpha=0.0度。
附图12为CLARK W: Re=401000；Mach=0.0000-NCrit=9.00；Cp分布状态 ；Alpha=4.0度。
附图13为CLARK W: Re=401000；Mach=0.0000-NCrit=9.00；Cp分布状态 ；Alpha=8.0度。
附图14为CLARK W: Re=401000；Mach=0.0000-NCrit=9.00；Cp分布状态 ；Alpha=13.0度。
以上图9-14是：“克拉克W”翼型 在RE=401000左右，俯仰角从负8度到正13度的力分布图。从图组可以看出：除了两个零界角以外的其他俯仰角的力分布都很均匀，并且升阻两个力的比值比较大，机翼失速点较低，机翼零界角较大，气流附面层大面积脱离机翼表面的角度。
该翼型在海拔3000米以下的纵向机动性极限为：前进一千米能爬升200米/或下降100米。
综上所述，整机的性能为：
工作环境：海拔3000米以下，工作温度：正60—负10度之间；续航：80分钟；航速：60公里/小时；载重：1000克。
水平机动性极限：每三米侧滑可容纳45度航向角的改变，转向点最小间距需大于60米。
垂直机动性极限：每前进1000米可上升200米或下降100米。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种天然气管道巡线固定翼无人机，包括机身和机翼，所述机身内设置有飞控***、GPS、电池、挂载、左副翼舵机、右副翼舵机、水平尾翼舵机、垂起电机、外置磁罗盘、推进电机、数据通信电台、垂起电机电子调速器组、遥控接收机、推进电机电子调速器和降压稳压器；其特征在于：飞控***分别与GPS、外置磁罗盘、左副翼舵机、右副翼舵机和水平尾翼舵机相连；GPS以每秒20次的频率采集飞机实时经纬度信息并发送给飞控***；外置磁罗盘将采集到的方位角信息发送给飞控***，飞控***接收到GPS和外置磁罗盘发来的信息后，以每秒120次的频率与飞控***自身记忆体中的位置信息进行比较，并且结合飞控***自身集成的三轴角速度仪、三轴加速度仪、气压计来推测计算出飞机的偏航误差，并且得出修正所需的具体数值；飞控***将上述数值打包后以每秒120次的频率发送给左副翼舵机、右副翼舵机和水平尾翼舵机，左副翼舵机、右副翼舵机和水平尾翼舵机将以每秒300次的频率响应飞控***发来的数据包并实施物理上的舵面变化，控制机身保存3米内的循迹飞行。
2.根据权利要求1所述的天然气管道巡线固定翼无人机，其特征在于：左副翼舵机、右副翼舵机和水平尾翼舵机的控制信号为PWM信号，脉宽中立点为1.5毫秒，低点为1毫秒，高点为2毫秒，刷新频率为300赫兹。
3.根据权利要求1所述的天然气管道巡线固定翼无人机，其特征在于：机翼上反角为3.5度。
4.根据权利要求3所述的天然气管道巡线固定翼无人机，其特征在于：所述机翼选用克拉克W翼型，其翼根翼弦为275毫米，翼尖翼弦为185毫米，机翼中段展长为640毫米，巡航速度设定为60公里每小时。
5.根据权利要求4所述的天然气管道巡线固定翼无人机，其特征在于：所述克拉克W翼型的最大厚度11.22%在30.0%的翼弦，最大曲面3.76%在40.0的翼弦。
6.根据权利要求5所述的天然气管道巡线固定翼无人机，其特征在于：所述机翼的翼展为2300毫米，整机全长为1590毫米，机身长为965毫米、机身宽、高为165毫米；垂起纵轴距为906毫米，垂起横轴距为640毫米，起飞重量为6.9公斤。
7.一种如权利要求1所述天然气管道巡线固定翼无人机的工作方法，其特征在于：包括如下工作步骤：
第一步，通过管道沿线的DEM获得被测线路中线的坐标及高程数据；
第二步，加密中线坐标数量，进行飞控***路由参数和舵机参数配置；
第三步，根据中线坐标生成航线，写入航线到飞控***自身记忆体中；
第四步，开启自动飞行模式，飞控***实时采集无人机瞬间姿态数据，并计算修正姿态并实时发送给舵机控制器；
第五步，舵机控制器执行飞机控制及甲烷激光器扫描。
8.根据权利要求7所述的天然气管道巡线固定翼无人机的工作方法，其特征在于：舵机控制器具备舵机控制参数，舵机控制参数包括舵机水平微调和舵机纵向微调。
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