天然气管道巡线固定翼无人机制造技术

本发明专利技术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系统；外置磁罗盘将采集到的方位角信息发送给飞控系统，飞控系统以每秒120次的频率与飞控系统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；飞控系统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次的频率响应飞控系统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。本发明专利技术固定翼无人机，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。

Fixed wing UAV for natural gas pipeline inspection

【技术实现步骤摘要】
天然气管道巡线固定翼无人机
本专利技术属于无人机
，特别是涉及一种天然气管道巡线固定翼无人机。
技术介绍
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1029.5971991105.21470862000.028.251129.5972912105.21461542000.013.63191229.5974008105.21419292000.042.62871329.5974784105.21374902000.043.82811429.5976859105.21332192000.047.32991529.5979215105.21318042000.029.6332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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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系统、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：飞控系统分别与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系统；外置磁罗盘将采集到的方位角信息发送给飞控系统，飞控系统接收到GPS和外置磁罗盘发来的信息后，以每秒120次的频率与飞控系统自身记忆体中的位置信息进行比较，并且结合飞控系统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；飞控系统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次的频率响应飞控系统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，进行飞控系统路由参数和舵机参数配置；第三步，根据中线坐标生成航线，写入航线到飞控系统自身记忆体中；第四步，开启自动飞行模式，飞控系统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，本专利技术的有益效果在于：本专利技术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CLARKW机型俯仰角为负8度的力分布图。图10为CLARKW机型俯仰角为负4度的力分布图。图11为CLARKW机型俯仰角为0度的力分布图。图12为CLARKW机型俯仰角为4度的力分布图。图13为CLARKW机型俯仰角为8度的力分布图。图14为CLARK本文档来自技高网...

【技术保护点】
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系统、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：飞控系统分别与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系统；外置磁罗盘将采集到的方位角信息发送给飞控系统，飞控系统接收到GPS和外置磁罗盘发来的信息后，以每秒120次的频率与飞控系统自身记忆体中的位置信息进行比较，并且结合飞控系统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；飞控系统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次的频率响应飞控系统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。/n

【技术特征摘要】
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系统、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：飞控系统分别与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系统；外置磁罗盘将采集到的方位角信息发送给飞控系统，飞控系统接收到GPS和外置磁罗盘发来的信息后，以每秒120次的频率与飞控系统自身记忆体中的位置信息进行比较，并且结合飞控系统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；飞控系统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次的频率响应飞控系统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...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗旭，邱永波，陈自力，涂翔，王明春，
申请(专利权)人：四川川测研地科技有限公司，
类型：发明
国别省市：四川;51