铁路事故救援无人机巡视系统的设计与实践
重载基^铁路事故救援无人机巡视系统的设计与实践
铁路事故救援无人机巡视系统的
设计与实践
周康：科学技术研究所
摘要：本文研究开发了应用于重栽铁路救援领域的无人机事故救援系统一套。本系统主要利用电动六旋翼无人机，携带三轴稳云台+变焦相机、喊话设备、抛投装置、夜间照明灯、便携地 面站等设备，实现对救援作业现场远距离监控、指挥、辅助救援 等工作，方便了指挥人员更具体地了解现场情况，更好地进行 救援决策，并将指令实时有效地传达至救援现场。
关键词：无人机、高清相机、抛投器、救援巡检
0概述
近年来，随着铁路运量大幅增加，安全生产形势严 峻，这对事故救援工作提出了更高的要求。铁路事故的 主要特征，一是突发性和难以预见性；二是破坏性；三是 救援抢险的紧迫性。突发事件对应急管理的要求是：迅 速判明情况，查明事件原因；实现快速响应，尽快到达现 场；采取果断措施，实施正确指挥；进行紧急救援，防止 事态发展；妥善安排善后，尽力减少损失。
梦见水是什么意思因此事故救援时，准确及时地将事故现场情况，尤其是实时图像传递到指挥中心，也成为指挥中心进 行决策的关键基础。而4G/5G移动通信网络的快速普 及和小型无人机飞行控制技术的成熟，使得通过小型 无人机航拍回传事故现场实时图像成为可能。使用无 人机实时拍摄回传事故现场图像，可以有效克服现有 地面图像传输系统诸多问题，方便指挥救援工作更高 效、有序的开展。
同时在事故救援中，利用无人机可集成或者灵活 携带关键器材装备的特点，在该系统中集成喊话、抛 投、照明等救援辅助设备，能够为多种情况下的救援 提供帮助。
1设计研究内容
1)研究设计适用于铁路救援的工业级巡视无人机飞行器，包含圆润型碳纤维一体化机体、可折叠机
怎么制作空间
十一见闻臂、起落架、三轴增稳云台等机构。
2) 完成了 4G图传系统及地面站研发工作。
3) 研究设计了抛投器、喊话器、照明灯等无人机 救援辅助系统。
4)通过了太原理工大学测试中心室内及场外试 验验证，无人机救援巡视系统各项性能指标、技术参
数均能满足事故现场救援要求。
2巡视系统工作原理
在明确了无人机救援巡视系统研制方向的基础上，
鉴于国内目前的无人机发展情况，选取6旋翼工业级巡
视无人机，相较于固定翼结构，机身小巧，设计紧凑，便
于携带，且具有优秀的低速性能与垂直起降功能，任务
需要时可在空中某处定点悬停对目标进行持续的跟踪。
同时可在该无人机平台上加载抛投器、喊话器及照明等
救援辅助装置，非常适合在复杂环境中的救援运用。
远程的数据传输是通过无人机航拍系统与4G/
5G通信网络相结合，实现事故现场实时图像传输，将
事故现场各角度图像实时传回救援指挥中心，方便救
援决策，系统结构如图1所示，主要由图像采集前端、
传输载体、服务器端和显示终端构成。
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铁路事故救援无人机巡视系统的设计与实践 重_尤_太原铁道科技
3巡视系统关键技术
3.1碳纤维一体化机身
飞机机体是无人机救援巡视系统的载体，目前主 要有固定翼、多旋翼和无人直升机3种形式。其中，固定翼无人机续航时间长，飞行效率高，载荷大，但要助 跑，不能空中悬停；无人机直升机可以垂直起降，空中 悬停，载荷和续航能力较好，但机翼结构极其复杂，维 护成本高。因此，考虑到在铁路事故救援中多为山区 隧道，无人机起飞条件差，且需要在空中某处定点悬 停对目标进行持续跟踪任务，必要时投放相应救援器 具，故选择多旋翼无人机，可以垂直起降，空中悬停，结构简单，续航短，载荷相对较小。
目前，多旋翼无人机在救援领域的应用中存在的 最大问题便是续航时间，电池容量大则自重增加，电 池轻则容量小，因此对机体自身的重量要求比较严 格。本项目机体设计上采用了流线型、圆润型平稳设 计理念度，降低自身重量采用航空碳纤维独特的一体 制造工艺制造无人机机架，如图2所示，比其它同类 产品轻500-800g，可增加续航时间5-8分钟。
3.2可折叠机翼
市场上多旋翼无人机的机臂和机身以一体化设 计为主，结合本项目救援特点，需搭载30倍高清相机、喊话器、抛投器、夜间照明等辅助设备，将会导致飞行器 结构复杂，自身载重增加。为保持无人机飞行过程中的 稳定、安全、可控，机身结构尺寸必须加大，如果与机臂 仍采用一体化制造，这将大大增加待机时的占地面积，不利于无人机的存储收藏，也会给运输搬卸过程带来不 便。因此，本项目提出一种机臂折叠机构，由机臂活动壳 体、机身固定壳体及定位锁紧组件组成。
该机构设计中，活动壳体与固定壳体的一对连接耳通过锁紧组件的定位销连接，该定位销起到轴向定 位作用，活动壳体和固定壳体还利用锁紧组件的定位 套和内部弹簧装置完成径向定位。其中定位套内部与壳 体之间为锥形面接触，在压缩弹簧的作用下，始终保持 无间隙配合，避免随着使用次数和时间的延长而增大间 隙，提高了折叠机臂的稳定性，进而保护了无人机机壳 内部的电控设备，保障无人机安全平稳飞行。
3.3动力系统
无人机动力系统主要包括电调、电机、桨叶和动 力电池。电调，全称电子调速器，把电池提供的直流电 转换为可直接驱动电机的三项交流电，并根据接受的 飞控指令，控制电机转速，从而实现飞机的姿态变化。动力电池方面，本项目配备两块格氏ACE锂聚合物 电池，型号为Tattu12000mAh，2组电池
串联，容量为 12000mah，电压为50.4V，倍率为25C。采用高压锂聚 合物电芯，在相同输出电流下，高压电池输出功率更 强，且电池具有静置自均衡、高温储存自放电、电芯高 温/低温保护、过压/欠压提示等功能，且具有防打火插 头，散热效果好，不易膨胀，循环性能好，持久续航时 间。很好的满足了该无人机救援任务的需求。
3.4高清相机
救援作业时，无人机航拍系统可及时准确地将事 故现场情况实时传输到指挥中心，方便指挥人员更具 体地了解现场情况，更好地进行救援决策。
为此，本项目配备了 30倍光学变焦、6倍数码变 焦的高清相机，可有效摄取500米以内的细节图像，同时配备高精度三轴云台，满足俯仰拍照及视频录制 需求，可为救援指挥人员全方位的展示现场事故及救 援情况，如图3所示。
3.5抛投器
图3 30倍高清相机
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太原铁道科技•
铁路事故救援无人机巡视系统的设计与实践当发生铁路行车事故后，现场情况往往十分复
杂，救援人员无法第一时间到达实施救援救生，因此
无人机救援辅助设备就显得尤为关键。
中国铁路事故
利用无人机抛投装置可携带关键器材（如呼吸
器、救援绳等），能够为救援创造新的途径，开辟救生
通道，同时在救援过程中可提供简易工具的传递，具
有准确、高效的特点。如图4所示为该系统搭载的抛
投装置，由固定板件、旋转电机、三连杆机构等组成。
连杆机构一端与电机输出轴固结，另一端在固定板件
的滑槽内横向移动，救援所需的抛投物品在末端杆上
荧光钻石
悬挂，电机通过有线连接集成在飞控系统中，可在地
面站上远距离遥控。当电机带动末端杆横移退回长槽
内，抛投物品自然落下，完成抛投任务。
无人机抛投装罝：固定螺纹孔
〇
〇
旋转电机
抛投物
图4抛投装置示意图
3.6喊话器
利用喊话器装置可实现空中呼喊或者转达指令，
能够较地面喊话或者指令更有效，以无人机为载体,
有效传达关键指令。该空中喊话系统重量轻，音质清
晰，音量大，覆盖范围广，抗干扰性强，传输距离可达
1.5公里，具体参数如表1所示。
表丨无人机喊话器参数指标
序号技术指标技术参数
1广播效果传输控制距离在1.5千米，声音有效传播距离&100米，无啸叫
2视频输出空中喊话配有摄像头，可将图像实时传输到 地面站，支持模拟视频或网络视频输出方式
3挂载方式与无人机平台采取快拆形式，可快速更换其他挂载模块
4外形尺寸200mmx200mmx160m m 5整体重量600g 4测试试验情况
无人机救援巡视系统试制完成后，依据中国无人
机产业联盟标准Q A T jYEV-2015，结合铁路救援无人
机应用环境，对该系统部分技术指标进行了测试，如
故宫门票预约图5所示，得到测试结论如下：
图5无人机飞行试验
(1) 无人机载重5kg重物可以正常飞行；
(2) 无人机受控制距离超过1.2km;
(3) 无人机巡航速度超过25km/h，实测速度可以 超过 50km/h;
⑷无人酿中丽境T^I以備正常工脉态。
5结束语
随着我国重载铁路的快速发展，对救援手段多样
化、安全、高效都提出了更高的要求。无人机救援巡视
系统项目的研制成功，丰富了铁路救援手段和作业方
法，救援作业时，可准确及时地将事故现场情况图像
传输到指挥中心，方便指挥人员更具体地了解现场情
况，更好地进行救援决策。同时，事故发生区段通常线
路条件较为恶劣，事故发生以后，救援人员往往很难
第一时间到达现场进行抢险救援，针对这一现象，在
无人机系统上加装抛投器，利用空中航程不受地形限
制这一特点，进行抢险救生设备及救援辅助装备的抛
投，保证第一时间开展救援救生工作，进一步提升了
铁路救援装备的现代化水平。
参考文献
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与应用[J].硅谷.2010.
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