1 概述

随着国家各个行业的快速发展，《现代综合交通枢纽体系“十四五”发展规划》提出了以铁路运输为基础，形成一批现代化的物流产业集群。编组站作为物资中转编组的核心机构，将有助于促进货物高效多式联运，提升物流服务的效率和质量。同时在安全发展方面，也提高了对编组站枢纽安全应急管理的要求。

编组站通常面积很大，编组场内停放的车辆数量众多。传统的人工巡检存在效率低、风险高、定位难和响应慢的问题。采用无人机（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）巡检可有效避免上述问题。但编组场内车辆装载的货物种类复杂，需要检测的参数各有不同（如气体浓度、温度、破损/形变等），为此需要不同型号的挂载设备。而不同挂载设备之间很难兼容，存在接口样式和供电电压的差异，导致没有一个无人机型号可直接适配所有编组站巡检所需的挂载设备。同时，编组站的货物中有可燃物、有害物等危险物品，无人机在巡检过程中若是意外坠落，有可能对相关货物造成安全隐患。为此，本文设计编组站巡检无人机的自适应安全挂载平台。可适配多种挂载设备，并为无人机及其挂载设备在意外坠落时提供一定的安全保障。

2 现状分析

2.1 编组站人工巡检现有问题

2.1.1 人工巡检效率低

大型站场或巡检区域广时，人工巡检耗时长。如成都北单次巡检确认某1～4条股道需要10～20 min，且遇调车车辆中断巡检时，绕行或等待会使巡检时间进一步增加。

2.1.2 车顶巡检安全风险高

车顶巡检通常需要作业人员登顶检车作业，作业过程劳动强度较大，且存在一定安全隐患。

2.1.3 事件地点快速定位难

编组站内错综复杂的轨道布局和频繁的作业活动人工巡检会导致在事件定位方面存在较大难度。如出现接触网异物情况时，事件处理人员很难快速、精确地确定事件位置。

2.1.4 应急处理响应时间久

重大紧急状况下，如火灾、车辆脱轨、设备损毁及人员非法入侵等，人工巡检难以迅速、准确掌握情况并采取有效行动。

2.2 编组站无人机巡检常用挂载设备

无人机在应对不同场景时所使用的挂载设备也随之变化。如车辆场内基本巡检，需要云台摄像机、智能分析终端和红外传感等；人员相关巡检，需要云台摄像机、智能分析终端和喊话器等；探查危险气体巡检，需要云台摄像机、智能分析终端、气体检测设备，必要时还需挂载喊话器。如果是在夜间巡检还需要根据情况挂载照明设备。

在执行不同距离的任务或者不同重量的挂载设备时，还可能需要更换无人机。而现有的挂载平台大多数都是绑定了对应的无人机以及相关型号的挂载设备。这对于需要灵活变更挂载设备和巡检无人机的编组站场景具有较大的局限性，无法准确完成。

2.3 无人机巡检可能的安全隐患

无人机巡检过程中，其巡检飞行高度通常在10～120 m，如果无人机发生意外坠落，同时还没有相关防护设施的情况下，将会造成极大的经济损失。现有市面的无人机坠落保护都是以保护无人机为主的方式，并且其触发机制多以重力传感的方式。该方法容易产生误触发或者不能及时触发的情况。

综上所述，编组站的人工巡检存在巡检效率低、车顶巡检安全风险高、快速定位难和响应时间久的问题，因此使用无人机巡检。但普通的无人机无法有效适应编组站巡检中需要使用多种挂载设备的情况，而且在遇到意外坠落时没有有效的防护措施，容易造成较大经济损失。故而，本文根据对编组站巡检无人机使用场景的情况分析，研究了匹配无人机的自适应安全挂载平台。

3 多电压转换及多电源供电技术

3.1 多电压转换

挂载设备需求电压与电池输出电压不匹配的情况下，需要使用电压转换进行匹配。轨道交通行业中使用于编组站无人机的供电电池电压通常在12～24 V范围，而挂载设备所需电压通常在5～24 V以内，挂载设备的额定功率在10 W以内。因此，需要一个同时具备升压和降压的能力。电压转换采用MC33063A芯片，配置调节电阻参数实现对输出电压的调节。输入电压范围是5～25 V，输出电压范围是5～40 V，可满足所有挂载设备的供电需求，如图1所示。

3.2 多电源供电技术

3.2.1 多电源控制结构

根据对机载电池和挂载电池的实时监测，以存量多输出多、存量少输出少的原则分配每个电池的电流输出大小，从而控制电池输出的相对均衡。同时还能在此基础上控制电池的放电阈值，避免过放对电池造成的不必要损害。

3.2.2 多电源均衡控制技术

1）并联电源使用不平衡因素

大功率的用电设备在使用多个电源进行供电时，存在因电池组内部的阻抗不一致，导致电能消耗不一致的情况。同时电池组本身的储电上限也有差异，也会导致电池组的输出电压不同。电池组在电量消耗一部分之后，其内阻也会发生差异性变化，这将进一步增加电能消耗的差异。因此，电池组使用不均衡的主要因素就是在电池组初始储能、内阻及其变化率的差异。若需要对电池组的电能消耗做均衡处理，就需要从这3方面入手。

2）模拟控制—无源均衡法

无源均衡法通常通过调节电源模块的内阻来实现对电能消耗的调节。在每个模块的输出位置串接一个电阻，组成新的可调电池模块，如图2所示。加入调节电阻后，不同初始总电量、不同内阻的电池可以根据需要将他们的放电曲线趋近一致。但这需要对每个电池组做定制化的阻抗匹配，并且在电池组使用一段时间后，还需要做定向匹配，更换匹配电阻，这种情况不符合成型产品的使用标准，也降低了系统的鲁棒性。

3）模拟控制—有源均衡法

有源均衡法使用有源控制器件，有源均衡法是根据控制电池组的输出电压，进而控制电池组的放电量。同时在同一种型号的电池组中，电量存储的总量与现存电压成正比，可通过监测电池电压实现对电量的监测。将每个电池组通过一个与之相匹配的设定输出Vf作为比较电压，在放电过程中，所有电池的输出都需要通过这个比较电压来体现应该释放多少电量。在下一级使用电流控制法（控制电流If）将输出电压放大到系统需要的输出电压。由此，电源的输出电量即可均衡控制，如图3所示。但此法需要多个可变的输出比较电压Vf，该电压需要外部提供，整个平台无法产生这样的比较电压。

4）PWM数字均衡控制法

上述电源均衡方法的控制范围都是有限的，无法在一个电池组需要保护时及时停止放电，同时他们的控制精度也有较大的局限性。而且有源控制法还会容易受到环境噪声的干扰，特别是在载重量较大的无人机中，无人机本身的电机功率较大，产生的电磁干扰也就越大，就会对均衡系统造成更大的影响。

脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）数字均衡控制法是通过数控芯片收集每组电池的实时电量，再根据现有输出功率，然后对各个电池组进行精确的输出控制。其要求每个模块本身必须要具备数字化的通信能力，可以将每个电池组的电量数字化，输出功率数字化。在电池组输出控制模块中采用数字信号处理技术（Digital Signal Processing，DSP）控制器对各个电池组的电量、输出电流进行实时监测，并使用PWM技术对每个电池组的输出功率进行精确控制，既能实现对电池组输出量的控制，也可实现对保护电池组的停止放电，确保了电池组的整体使用效率与安全。除此之外，还能由此将电池的工作状态实时传输到无人机监控平台中，实现远程查看电池工作状态。

4 自适应多型号无人机匹配技术

市面上无人机挂载固定方式，一般同时具备两种：专用卡扣式和4/3点固定式。对应任意型号的无人机固定方式采用他们提供的4/3点式的固定方式着手。在一个稳定支架上加装两根活动杆，杆上安装4个可来回移动的活动扣。该扣可在活动杆上自由移动，并且所有的活动位置均可使用螺母进行固定，其结构如图4所示。由此，4个无人机固定扣可以匹配所有无人机的装配。

5 自适应物理接口

挂载设备的连接接口基本都是圆形卡扣连接，只是直径不同，为此，本文设计了一个可以调节圆形口径的六星自适应结构。整个结构由3层结构组成，上方为一个基底圆盘，中间为旋转圆盘，中心有一个齿轮柱连接，在基底圆盘上有一个调节螺杆控制齿轮柱旋转，同时带动旋转圆盘转动，在旋转圆盘上径向均匀分布6个可径向运动活动条，再配合安装在基底圆盘的限位点实现活动条的径向移动。径向活动条下方为卡扣结构，结构整体可以随活动条一起运动，从而改变6个卡扣所形成的圆的半径。卡扣上的设置了一个弹簧自锁机构，确保挂载设备在固定后的稳定性。

6 应急定位及坠落保护技术

6.1 应急定位

挂载平台安装了功率极小的应急定位装置，该定位装置可在电池电量几乎耗尽时仍然处于工作状态，其功耗不大于0.1 W。无人机发生意外坠落后，可根据着落的最后位置定位信息达到飞机坠落的最后范围。此时，应急定位模块持续发出蓝牙定位信号，使用安装应急定位APP的终端，打开蓝牙模块，靠近无人机（约10～20 m）即可直接配对接入到APP。再根据应急定位的蓝牙信号强弱进行场强定位，从而获取到无人机的详细位置。定位精度可达10 cm，确保坠机或临时迫降后，精准寻找无人机。

6.2 坠落检测技术

图像数据融合光流法和支持向量机( Support Vector Machines，SVM )方法判断无人机当前姿态状态，为了能够及时检测无人机姿态及无人机翻滚过程中快速运动的图像像素，采用基于图像金字塔的 Lucas-Kanade（LK）光流法，通过算法计算确定无人机处于下坠状态，确保开伞准确、及时。

通过光流法分析视频可以得到视频中光流的变化状态，使用SVM方法可将正常飞行的光流特征进行记录，并将其作为正常飞行的光流变化特征值。当无人机在坠落时，其摄像头接收的图像中光流变化将会变得极其剧烈，并容易出现采样不连续的特征。由此可以判断出无人机处于坠落状态。

6.3 坠落防护技术

综上所述，本文根据无人机在轨道交通编组站巡检场景中使用的复杂性，设计了一种自适应的安全挂载平台。为满足挂载设备的多电压、多电源需求，设计了多电压转换和多电源均衡供电方案。为匹配多型号无人机，设计了多活动机构用于连接无人机与挂载平台。为适配不同挂载设备的物理接口，设计了六星自适应卡扣结构。为减少无人机因意外坠落造成的损失，设计了应急定位及坠落保护机制。使无人机可进行任意挂载设备的搭载，可全面覆盖轨道交通编组站巡检场景的设备挂载需求。