无人机是利用无线电遥控设备和自动程序控制装置操纵的不载人飞机，支持完全或半完全自主操作。其在5G等无线通信技术支持下可进行网络化远程视频传输及语音指挥。当前无人机技术研发更为深入，也扩大了无人机的应用领域。特别是在电力巡检中，无人机的优势更为凸显，但无人机使用中也常常面临不慎落入水中的风险，导致无人机损坏或无法实现准确打捞。为解决上述问题，应提供一种无人机落水漂浮防护装置，及时预警并帮助打捞无人机。
1 无人机落水漂浮定位的报警装置研究背景
当前无人机电力巡检应用范围扩大，无人机巡检作业量明显增加。市面上的大部分旋翼无人机目前都没有防水功能，在使用过程中掉入水中会严重损坏无人机电路板，造成无法修复的问题。一方面，现有适用于多种旋翼无人机机型的防落水贴附式配件罕见，其中能够预判落水并提前开启的保护装置更是寥寥无几。现有的无人机防落水功能大多是进入水面后开启，这无法解决无人机避免入水的需求。另一方面，当无人机故障掉落水中后，仅能发送最后位置信息，由于水的浸泡损坏电路板，无人机将无法再发送位置信息，而由于水流的流动，造成无人机位置的移动将给无人机的寻回带来巨大的障碍。
无人机应用中经常因配电网线路高度较低，无人机周边飞行环境较为复杂，出现航线偏移、避障失效等问题，进而引发无人机碰撞坠落事故。以顺德地区为例，该区域在河流鱼塘密布的地理环境加持下，无人机落水丢失情况多发。自2021年以来，顺德局已发生无人机因各种原因落水10次，其中，有3台无人机丢失后无法找回，另外7次落水事故，飞行团队耗费了大量人力、物力方捞起落水无人机，造成不小的经济损失。为减少无人机落水事故损失及加速落水无人机搜救，本项目计划研发一款兼容电力巡检主流无人机机型（精灵、御系列）的落水自动漂浮装置，实现无人机落水后自动充气上浮，碰撞坠毁时发出GPS定位及声光报警信号，提高事故搜救效率，降低事故损失。
2 无人机落水漂浮定位的报警装置设计思路
无人机落水漂浮定位的报警装置可以在无人机发生落水的情况时自动展开气囊，通过浮力将无人机托起漂浮在水面便于巡回与打捞，这一设计将大大降低人工寻找飞机的人力、物力投入，在一定程度上规避了资产丢失的风险，也降低了无人机电池等部件对于水体的污染影响。在飞机落水后巡回虽然无人机有部分部件会进水损坏，但有了飞机的完整部件，可以找无人机厂家进行维修以及保险理赔。可以大大减少财产损失，因此无人机落水漂浮定位的报警装置应用前景广阔。无人机落水漂浮定位的报警装置应用原理简单，落水漂浮设备采用压缩气瓶以及可压缩气囊组成，在无人机落水并且发生一定量的水液浸泡后及触发压缩气瓶的开瓶压缩气瓶内的气体向压缩气囊进行攻击压缩气囊被展开排开部分水体导致浮力变大从而将无人机起浮，并且在浮出水面后将GPS信息同步到终端平台。
3 无人机落水漂浮定位的报警装置应用特点
无人机落水漂浮定位的报警装置对应的气囊便于安装，体积小巧，在收纳情况下不会影响无人机的正常作业及飞行。采用水压触发的方式，可靠性高，避免无人机在飞行过程中气囊的无故展开以及误触发。免维护时间长，有效处储放期可以长达一年。飞行作业前无需对气囊进行单独开机，避免了人工失误。无人机落水漂浮定位的报警装置通过水溶线溶于水的特性，可以将限位装置固定，通过柠檬酸与小苏打混合后会发生产气反应的原理，产气给气囊充气，气囊充气后会增加设备浮力，当浮力大于设备重力时，从而可以将设备浮出水面。无人机落水漂浮设备采用水压触发的方式，在无人机发生浸入水液面的情况下才进行响应与展开。无人机落水漂浮定位的报警装置的应用优势显而易见。首先，提高反应速度，在无人机落水的3秒内气囊及开始反应，并在10秒内完成所有动作使无人机漂浮在水面。其次，在上浮到水面之后，通过定位功能实时掌握飞行器的位置，避免由于水流导致的飘走丢失作业数据。最后，避免了资产的灭失，在任何事故下的无人机落水均可将其找回。
4 无人机落水漂浮定位的报警装置工作过程
无人机落水漂浮定位的报警装置主体由限位装置（设备主体，见图1），落水触发产气装置（设备主体），漂浮装置组成。在第一状态下（正常使用情况下），所述漂浮装置与无人机处于连接状态，所述设备主体安装在漂浮装置内部。再第二状态下（落水状态），落水触发产气装置触发，产气后流入漂浮装置中，漂浮装置展开在所述锁紧设备的边缘。 动作顺序如下，设备遇水后固定在末端的水溶线溶解断裂，将弹簧限位设备释放后，弹簧将推动刺针撞击装有柠檬酸溶液的塑料袋，塑料袋受撞击后爆裂，释放柠檬酸溶液与产气装置内的小苏打粉末混合后，发生产气反应，产出二氧化碳气体，气体从产气装置中流入到漂浮气囊中，漂浮气囊充气后产生浮力，从而将无人机带出水下。
图1 限位装置
5 气囊设计要点
无人机落水漂浮定位的报警装置所使用的是碰撞缓冲气囊，通常又称为安全气囊，安全气囊装置一般由传感器，控制器，充气器和气囊等组成，充气器分压缩气体、烟火式和混合式等集中形式。其中两个关键问题是气囊的开启时刻和充盈时刻的配合以及气囊内的气体压力和体积。气囊设计的主要参数是气囊直径、气囊的气体压力、多次碰撞的动力学特征以及对系统的影响，尤其是对物体的影响，以及多个气囊组成的气囊包裹结构等。
对气囊的结构包括体积、强度、充气压力和流量以及弹性等作地面模拟试验。跌落试验中测量气囊压力、着陆加速度、速度—时间历程、气囊质量以及气囊材料的应力等。在设计时应重点关注气囊的垫升问题、柔性壁的张力问题。气囊的垫升方面，气囊应符合如下的基本静力学关系，即无人机的重力（W）应等于作用在无人机底部表面压缩空气的合理（P），即支撑力。支撑力的作用点位置应处于压力表面的面心——压心。气囊的柔性壁的张力方面，气囊在结构上是一种柔性薄壳，主要特点是柔性。在工作状态下柔性囊的构形是靠囊内的空气压力来维持的，其稳定性和刚性是靠空气压力形成的拉力来保证的，空气压力越高，则作用在气囊上的拉应力越大，其刚性和稳定性也就越大。在空气压力的作用下，柔性薄壳力图达到相应的最大体积形状，而妨碍实现这种形状时将受到附加应力的作用，有可能导致薄壳破裂。如果外力作用引起的压缩应力超过了拉应力，则气囊形状发生变形而失稳。
6 结语
救援气囊在日常生活中经常被使用，在人员落水时提供快速救援功能，将人从水中带到水面上从而保证人的生命安全。当今时代，科技发展，有很多的精密且贵重的设备会在水域环境下使用（例如探测无人机），这些设备使用时存在有坠入水中的风险。本文提出的无人机落水漂浮定位的报警装置可针对无人机等设备进行落水漂浮保护，值得推广。
参考文献：
[1]周元峰,袁月明,沈旭,杨煌财.海上无人机落水自浮设计及搜救回收系统研究[J].交通世界,2021(Z1):9-11.
[2]徐点点.基于无人机的水上辅助救援系统研究[J].技术与市场,2020,27(11):87-88.
[3]冯逸飞,吕振义,蔡懿灵,胡家庆,康鹏,邓月仙,戴志鑫,张鹭鹭.基于无人机搜救平台的海上落水伤员救援决策演练设计[J].解放军医院管理杂志,2019,26(12):1133-1135.
