隨著無人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，無人機(jī)的掛載能力、飛行穩(wěn)定性、續(xù)航能力等不斷提升，為掛載照明提供了更加可靠的技術(shù)支持。同時(shí)，照明技術(shù)也在不斷進(jìn)步，如LED光源的能效提升、智能控制系統(tǒng)的應(yīng)用等，使得無人機(jī)照明的效果更加顯著。無人機(jī)掛載照明結(jié)合了無人機(jī)的靈活性和照明及控制技術(shù)，為多種場景提供了創(chuàng)新解決方案，盡管當(dāng)前技術(shù)仍存在一定缺點(diǎn)和不足，但隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和完善，無人機(jī)掛載照明裝置將在更多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，為經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展注入新的活力。1、研究背景現(xiàn)有無人機(jī)技術(shù)不僅具備垂直起降、高空懸停、快速轉(zhuǎn)移等功能，還具有較強(qiáng)的負(fù)載能力，能搭載各種附屬設(shè)備進(jìn)行高空作業(yè)。但夜間光線昏暗，能見度低，無人機(jī)作業(yè)安全性下降，導(dǎo)致應(yīng)用受到限制。隨著城市化進(jìn)程的加快和夜間活動(dòng)的興起，社會(huì)對夜間照明的需求不斷增加，無人機(jī)與高效節(jié)能照明技術(shù)結(jié)合，解決了無人機(jī)夜間作業(yè)[1]受限問題，在多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出了其獨(dú)特的優(yōu)勢和潛在的價(jià)值。社會(huì)對于無人機(jī)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展給予了高度關(guān)注和支持，對于照明產(chǎn)業(yè)與高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的跨界融合也給予了積極鼓勵(lì)，在實(shí)景三維、低空經(jīng)濟(jì)等國家戰(zhàn)略規(guī)劃的推動(dòng)下，無人機(jī)照明的應(yīng)用場景將進(jìn)一步拓展。無人機(jī)系留照明[2]作為無人機(jī)照明解決方案之一，在應(yīng)急救援、夜間施工等場合中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。無人機(jī)通過系留電纜與地面電源相連，能夠持續(xù)穩(wěn)定地懸停在空中，為特定區(qū)域提供長時(shí)間連續(xù)照明，但是在高續(xù)航照明的同時(shí)，無人機(jī)受到系留電纜長度限制，無法脫離電源遠(yuǎn)距離飛行，限制了應(yīng)用場景和范圍。為突破無人機(jī)照明的技術(shù)瓶頸，研制了一種可以無線遙控的掛載照明裝置，將自帶電源的照明設(shè)備與無人機(jī)腳架結(jié)合為一體，設(shè)計(jì)成無人機(jī)標(biāo)準(zhǔn)配件，以提高無人機(jī)在夜間飛行的可視性、識(shí)別性和安全性，為無人機(jī)夜間作業(yè)創(chuàng)造安全的飛行環(huán)境。2、設(shè)計(jì)原理2.1

掛載結(jié)構(gòu)無人機(jī)掛載照明裝置的掛載結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，需要分析結(jié)構(gòu)材質(zhì)、掛載點(diǎn)以及固定方式等方面。作為無人機(jī)附屬配件，掛載重量應(yīng)該盡可能輕盈，減輕無人機(jī)負(fù)載，因此選擇與無人機(jī)腳架相同的碳纖維材質(zhì)較為適宜。掛載點(diǎn)的選擇應(yīng)考慮不能影響無人機(jī)飛行穩(wěn)定性和照明效果，掛載后保持重心與無人機(jī)一致，因此選擇兩主四輔的照明組合掛載方式，如圖1所示。兩臺(tái)主探照燈通過圓形可調(diào)卡具掛載于兩副起落腳架外側(cè)，避免遮擋無人機(jī)云臺(tái)鏡頭、視覺傳感器等功能組件，主探照燈與腳架之間設(shè)置轉(zhuǎn)向舵機(jī)，腳架四角末端設(shè)置四只方位燈，通過內(nèi)置于起落腳架空心管中的線纜供電，如圖2所示。2.2

照明燈選配無人機(jī)掛載照明應(yīng)具備高亮度、長續(xù)航等特性，以提供足夠的光照來滿足夜間場景需求。LED照明近年來技術(shù)不斷成熟發(fā)展，成本隨之降低，其因獨(dú)特的發(fā)光原理，不會(huì)產(chǎn)生過多熱量，具有節(jié)能、高效、環(huán)保、小巧等優(yōu)勢，因而成為搭配無人機(jī)照明的首選。主探照燈選擇聚光、泛光兩種大功率高亮度白光燈珠，可根據(jù)光照強(qiáng)度、照射面積等實(shí)際需求切換聚光和泛光；方位燈可選擇紅色或白色LED燈珠，達(dá)到示廓避障和裝飾照明的雙重效果，如圖3所示。2.3

電池選配主探照燈內(nèi)配可充電鋰電池，為主探照燈、方位燈、掛載裝置供電，可根據(jù)無人機(jī)載重情況選配電池容量，實(shí)現(xiàn)脫離系留線長時(shí)間照明。在無人機(jī)滿電狀態(tài)下掛載照明裝置啟動(dòng)，與未掛載時(shí)的續(xù)航能力進(jìn)行對比，進(jìn)行續(xù)航能力測試，由于掛載照明裝置增加了無人機(jī)的負(fù)重，無人機(jī)的續(xù)航能力小幅度下降，但仍在可接受范圍內(nèi)，后期可通過優(yōu)化電源管理、減輕掛載重量來提高無人機(jī)續(xù)航能力[3]。按照大疆M200型號(hào)無人機(jī)設(shè)計(jì)，5W照明及控制供電，選配3000mAh鋰電池即可實(shí)現(xiàn)長達(dá)4h以上照明續(xù)航，滿足夜間巡檢需求。2.4

控制系統(tǒng)開發(fā)主探照燈內(nèi)置無線控制模塊，通過集成遠(yuǎn)程遙控、光照切換、故障自檢等電路設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)多路無干擾便捷控制，并根據(jù)實(shí)際需求調(diào)整照明效果。燈體搭配數(shù)字舵機(jī)，編寫控制邏輯，精準(zhǔn)控制旋轉(zhuǎn)角度和方向；采用2.4GHz跳頻遙控技術(shù)，通過編寫代碼來控制發(fā)射器發(fā)送信號(hào)，編寫接收器的代碼來解析信號(hào)并執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)照明裝置無線控制，也可與其他智能設(shè)備或系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)智能控制?？刂葡到y(tǒng)原理圖如圖4所示。3、性能評估3.1

性能測試通過仿真分析和實(shí)際測試，分別對比掛載照明裝置前后無人機(jī)的飛行姿態(tài)和飛行速度，分析無人機(jī)的振動(dòng)情況和飛行軌跡穩(wěn)定性。掛載后飛行姿態(tài)變化范圍略有增加，平均飛行速度略有下降，但仍在可接受范圍內(nèi)，驗(yàn)證了掛載結(jié)構(gòu)對無人機(jī)飛行性能的影響較??；安裝后兩側(cè)對稱、與機(jī)身保持重心一致，在高速飛行、急轉(zhuǎn)彎等復(fù)雜飛行動(dòng)作下，照明設(shè)備均能保持穩(wěn)定，不產(chǎn)生晃動(dòng)或偏重現(xiàn)象。飛行穩(wěn)定性對比測試如表1所示。經(jīng)過嚴(yán)格的電氣性能、光學(xué)性能、掛載穩(wěn)定性、安全性檢測，無人機(jī)掛載照明裝置各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，在照明范圍、亮度與角度、耐用性與穩(wěn)定性、智能化與可控性等方面均表現(xiàn)優(yōu)異。3.2

優(yōu)勢分析1）高效性：實(shí)現(xiàn)視距100m遠(yuǎn)距離遠(yuǎn)程遙控，能迅速到達(dá)指定區(qū)域，實(shí)現(xiàn)快速部署和照明，大幅提高應(yīng)急響應(yīng)速度，提供快速、穩(wěn)定、均勻的照明效果，確保施工或巡檢工作的順利進(jìn)行。2）靈活性：可以靈活調(diào)整無人機(jī)飛行高度和角度，實(shí)現(xiàn)大范圍、多角度的照明覆蓋，滿足不同場景下的照明需求，也可通過多架無人機(jī)協(xié)同作業(yè)，可以進(jìn)一步擴(kuò)大照明范圍，實(shí)現(xiàn)無死角照明。3）適應(yīng)性：不受地面障礙物限制，能夠在復(fù)雜地形和惡劣環(huán)境下進(jìn)行照明作業(yè)，對于一些難以到達(dá)或傳統(tǒng)照明方式無法覆蓋的區(qū)域極為適用。4）安全性：通過無人機(jī)進(jìn)行照明作業(yè)，可以減少人工參與高空作業(yè)或進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域的需求，降低了人員安全風(fēng)險(xiǎn)，特別是在危險(xiǎn)或難以到達(dá)的區(qū)域作業(yè)時(shí)，更能體現(xiàn)出其安全性優(yōu)勢。5）便捷性：裝置整體重量為0.6kg，便于攜帶和放置，按照無人機(jī)標(biāo)準(zhǔn)配件設(shè)計(jì)，可以方便地掛載到各種類型的無人機(jī)上，無須對無人機(jī)進(jìn)行改裝。3.3

缺點(diǎn)分析1）續(xù)航能力與載重限制：無人機(jī)的續(xù)航能力和載重能力有限，掛載照明裝置后飛行時(shí)間進(jìn)一步縮短，這就限制了照明設(shè)備的功率和重量，使其在長時(shí)間、大范圍照明任務(wù)中的應(yīng)用受到影響。2）操作難度與技能限制：操作人員應(yīng)具備無人機(jī)駕駛員資質(zhì)和一定的技能水平，需要經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)才能熟練掌握，在緊急情況下，如何快速、準(zhǔn)確地操作無人機(jī)進(jìn)行照明作業(yè)是一個(gè)挑戰(zhàn)。3）環(huán)境干擾限制：惡劣天氣或電磁干擾等環(huán)境下無人機(jī)飛行受限，直接影響無人機(jī)照明作業(yè)的安全性和穩(wěn)定性。4、成效分析4.1

經(jīng)濟(jì)效益對于無人機(jī)操控者而言，掛載照明裝置有效提高了無人機(jī)的安全性能，降低了無人機(jī)意外撞擊或墜落的風(fēng)險(xiǎn)，減少了相關(guān)的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)負(fù)面影響；對于無人機(jī)照明應(yīng)用者而言，掛載照明裝置有效改善了夜間作業(yè)環(huán)境，顯著提高了夜間作業(yè)效率，減少了因光線不足導(dǎo)致的重復(fù)作業(yè)和事故風(fēng)險(xiǎn)，從而節(jié)約了人力、物力成本，為企業(yè)帶來了持續(xù)的成本節(jié)約效益。4.2

社會(huì)效益無人機(jī)掛載照明裝置拓展了無人機(jī)的應(yīng)用場景，能夠引起社會(huì)對無人機(jī)技術(shù)的廣泛關(guān)注，進(jìn)而提升公眾對無人機(jī)技術(shù)的認(rèn)知度和接受度，增加無人機(jī)市場需求，促進(jìn)無人機(jī)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和創(chuàng)新，使其能夠在更多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用；同時(shí)帶動(dòng)了相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)的協(xié)同發(fā)展，有利于推動(dòng)整個(gè)行業(yè)的健康發(fā)展，進(jìn)一步促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步。5、結(jié)束語無人機(jī)掛載照明裝