微型多旋翼无人机油箱检查系统设计

（滨州学院飞行学院，山东滨州市，256600）王士发 何 坤 王 硕

1 引言

近年来，国内外民航事业发展迅猛，飞行安全变得尤为重要[1，2]。其中，飞机油箱故障是引起飞机安全事故的重要因素之一。飞机油箱作为飞机结构的重要组成部分，是确保飞机飞行安全的基础，需要对油箱渗漏及腐蚀情况进行定期检查。

目前，针对飞机油箱检查的方式主要以人工目视检查为主，需要机务人员进入飞机油箱对漏点和腐蚀位置进行确定，由于工作环境恶劣，油箱内部结构复杂，操作空间小，燃油渗漏路径难以分析，内漏点很难确定，所以检修油箱工作往往需要很长的停场时间[3]。在油箱里工作的员工，大多会出现不同程度的恶心、兴奋、疲劳、脱发等症状[4，5]。针对人工检查飞机油箱存在的问题，国内外有研究机构提出多种利用机器人检查飞机油箱的方案，其中包括浮游、爬行、吸附和连续体型机器人[6-8]。这些机器人系统能够在一定程度上实现飞机油箱缺陷的检查，但普遍存在行动不便、设备笨重、检查速度慢的缺点，而且还可能对油箱内部造成损伤，相比于人工方式，提升效果有限。

本文设计了一种基于微型多旋翼无人机的飞机油箱检查系统，应用微型多旋翼无人机搭载微型高清夜视摄像机和微型超声探测模块对油箱按照规定的路径进行检查，并将图像信息实时传送到地面站，以供机务人员进行初步分析。该系统能够极大地提高油箱检测效率和精度，降低机务维修人员的工作强度、改善了机务人员的工作环境，避免出现人身安全等事故，对民航事业快速健康发展有着重要意义。

2 微型无人机本体介绍

由于飞机油箱环境体积有限，因此本系统拟设计搭建微型多旋翼无人机，对所选用机架、电机、电调、飞行控制器、电池、数据传输链路等进行选型，将上述部件进行有序组装，完成微型多旋翼无人机本体构建。考虑油箱油气混杂、易燃易爆的特点，对无人机本体进行防爆处理，重点对电池接口、飞控板插针、电调电机接口等易发生电火花的裸露部分进行封装，以避免引起油箱爆燃。

基于微型多旋翼无人机的飞机油箱检查系统结构图如图1所示。由图1（a）可以看出，无人机本体上安装有外壳，外壳上下是碳纤维板（6），无人机的四周为塑料外壳和海绵保护层（4），具体设计细节如图1（b）所示，电机座（5）固定安装在碳纤维板上，所述碳纤维板的中间位置安装有飞控与图像处理模块（1）；无人机的机头方向固定安装有云台、摄像机和超声探测模块（2），无人机的机尾安装信号传输模块（3）；无人机通过图像传输模块连接地面站。

图1 无人机本体结构图

系统总体技术路线图如图2所示。主处理器采用STM32嵌入式芯片，主要负责采集传感器检测到的姿态信息并实时解算，根据摄像头采集到的图像信息，通过二值化算法，得到具体的信息，通过openmv计算输出控制量，并把控制量传递给STM32，控制无人机的飞行姿态。通过无线通信模块与遥控器进行数据的传输，实现无人机的起飞、降落及飞行姿态和位置的调整。

图2 技术路线图

3 油箱特征检测模块设计

实现油箱检测的特征检测模块主要包括油箱特征提取模块和采样信息处理模块系统，具体介绍如下。

3.1 油箱特征提取模块设计

由于微型多旋翼无人机体积较小，且作业环境为光线较暗、结构复杂的油箱环境，因此，本系统拟选用微型高清夜视摄像机和微型超声探测模块对油箱特征进行提取。无人机搭载微型高清摄像机进行油箱特征提取，并将采样信息通过图像传输模块传回地面站。对于油渍堆积较多的区域，摄像机采集的图像信息难以真实反映油箱结构缺陷情况，利用微型超声探测模块进行辅助检查，并实时将探测信息传回地面站进行信息处理。

3.2 采样信息处理模块设计

对图像传输模块进行选型，地面站实时接收无人机飞行状态信息、摄像机和超声探测模块发回的油箱特征采样信息。为了提高油箱检查精度，采用基于非线性滤波器的数据融合算法对图像和超声探测信息进行融合处理，确定油箱缺陷位置，并将信息处理结果实时传送至显示模块，使机务人员及时了解油箱表面受损情况。

基于微型多旋翼无人机的飞行油箱检查系统工作流程图如图3所示。无人机通过图像传输模块连接地面站，图像传输模块采用FPV（第一人称视角）模式操纵无人机进入飞机油箱内部，无人机通过图像传输模块将采集到的图像和超声探测信息传送至地面站，地面人员对采样结果进行分析，确定油箱缺陷位置。地面站实时接收无人机飞行状态信息、摄像机和微型超声探测模块发回的油箱特征采样信息。为了提高油箱检查精度，机务人员重点研究图像和超声探测信息的数据融合算法，确定油箱缺陷位置，并将信息处理结果实时传送至显示模块，使机务人员及时了解油箱表面受损情况，对损坏的油箱进行及时检修。

图3 系统工作流程图

4 结语

该系统预计会对民航机务维修行业带来一个巨大的革新，采用无人机代替人工作业，可减少劳动力需求，提高作业效率和质量，给民航维修业带来巨大的经济效益。同时，通过无人机可大大减少在飞机维修时所产生的安全事故，保障机务人员的生命安全和身体健康。通过民航业对无人机系统的应用，有利于提高我国无人机整体发展水平，对我国推动无人机发展水平有显著效果。