关于无人机喷火清障装置的研制

关于无人机喷火清障装置的研制

莫天冰        韦  祎

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摘要：随着无人机技术的迅猛发展，无人机喷火器作为一项创新的技术手段，在清障工作中展现了独特的优势。本文介绍了一种P300无人机喷火器，其采用密闭容器加压方式，可以灵活使用多种安全燃料。该装置采用了便捷的快拆外观架构，便于收纳和运输，同时显著缩短了作业前的准备时间。此外，该装置配备了自动泄压口和手动泄压口，并具有排空剩余燃料的功能，以保障作业人员和设备的安全。本文旨在推动无人机技术在清障工作中的应用，促进其更广泛的实际运用，为相关领域的技术创新和发展提供有益的借鉴。

关键字：喷火器；无人机；喷火清障；异物清除

1 引言

随着科技的不断发展，无人机技术已经逐渐崭露头角，成为提高生产效率和降低人力成本的重要工具[1–3]。无人机的广泛应用已经在许多领域取得了显著的成果，不仅仅局限于航拍，测绘、安防、环保、消防等方面都有所涉及[4–7]。其中，喷火器作为无人机应用的一个关键组成部分，无人机喷火技术展现出了广阔的应用前景。在农业保护、电力清障等领域展现了其独特的优势[8,9]。

无人机喷火器是一种具有火焰喷射功能的设备，可以轻松安装在无人机上，广泛应用于多个领域，为社会的各个方面带来了创新和便利。在农业领域，无人机喷火器的应用清理蜜蜂巢穴和铲除积雪等方面。蜜蜂巢穴的清理对农田产量和农民的生产安全至关重要。无人机喷火器通过精准的火焰喷射，可以高效而安全地清理蜜蜂巢穴，提高农田的生产效益。同时，无人机喷火器在城市和乡村的电力维护中也起到了重要的作用。清除电线上的碎片和杂物是维护输电线路安全运行的关键环节[8]。传统的清理方式往往需要大量人力和时间，且存在一定的危险性。而通过搭载无人机喷火器，可以实现对电线上杂物的高效清理，提高了电力维护的效率和安全性[10]。

然而，传统的无人机喷火器在某些情境下仍面临一系列挑战，例如作业前的准备时间较长、操作难度较大、安全性方面存在一定隐患等。为了克服这些挑战，本文积极探索新型无人机喷火器技术。P300喷火器作为其中的一种创新装置（图1所示），引入了密闭容器加压方式和多种安全燃料的使用，以期通过技术创新提升作业效率。其快拆的外观架构设计不仅便于收纳和运输，更有效缩短了作业前的准备时间，使得无人机喷火器在实际应用中更为灵活高效。本文将对P300无人机喷火器进行深入研究和分析，探讨其与大疆Matrice300RTK无人机的兼容性、系统控制集成以及安全性能等关键特点。通过对P300喷火器的研究，旨在为无人机应用领域的进一步发展提供有益的技术支持，并为相关技术创新和实际应用提供理论指导。

综合而言，无人机喷火器的广泛应用不仅为农业、电力清障等领域带来了新的解决方案，也在灾害救援和环境保护等方面发挥着不可替代的作用。通过不断的技术创新和研发，无人机喷火器将在更多领域展现其多功能性和高效性，为社会的可持续发展做出更大的贡献。

图1 P300无人机喷火器；（a）示意图，（b）实物图

2喷火器的结构设计

鉴于导线上通常缠绕着可燃的异物，如风筝线、编织袋和塑料薄膜等，本文提出了一种特殊作业喷火装置的研制方案，将P300喷火器搭载于多旋翼无人机下（P300无人机喷火器的结构如图2所示）。通过靠近导线异物进行喷火作业，可以安全、迅速且高效地消除这些缺陷。这一创新的技术手段有望在实际应用中发挥重要作用，提高清障作业的效率和安全性[11,12]。

本文提出研制的P300喷火器具有以下的特点：

(1)采用了全新的燃料喷射气动设计结构，为全球首款已量产适配于中等轴距四旋翼通用行业无人机的快拆式小型化成熟产品。

(2)该设备支持多种喷火燃料，包括酒精、煤油、汽油，解决了当前喷火器仅能使用单一燃料的问题，当使用易购易储的医用酒精时，相比采用高风险的汽油，在购买、使用、储存等诸多方面有更大的便利。

(3)装置使用的高纯度医用酒精易挥发，通常作业高度的点燃酒精尚未落至地面即已燃尽，不会对作业区域下方物体造成引燃风险，且酒精燃烧产生二氧化碳和水，对环境不造成污染，点燃亦不产生浓烟。

(4)装置采用罐内加压结合电动阀动作方式驱动燃料喷射，摒弃了传统喷火装置的液体泵驱动方案，结构简单，无需维护，使用及存储时不会产生滴漏。

(5)喷火装置压力容器带自动和手动泄压阀，在容器压力超过阈值自动泄压，也可通过手动操作快速泄压，以保障作业人员及设备安全。

(6)装置控制与大疆 M300 无人机地面APP 高度集成，作业时使用DJI Pilot即可，无需另安装APP 软件、无需另配遥控器，作业控制信号通过无人机飞控信号传递，抗干扰能力强。装置操作界面以浮动按钮形式整合于大疆 Pilot 软件飞行界面，作业人员经简单培训即可熟练使用。

(7) 该装置采用M300机身OSDK接口与无人机进行通信，不占用机身云台吊舱接口，遥控器显示地机身FPV画面中央即为喷火喷头指向方向，使用M300裸机搭载喷火装置即可完成作业，如飞行器同时挂载云台相机亦可对作业画面进行观察或者远程直播。

(8)装置通过快装板与飞机连接，体积小，方便携带，拆装过程均不超过十秒种，作业完成后喷火装置即可拆下单独存放，不占用飞行器资源。装置支持作业后剩余酒精燃料清空功能，以保证设备存储的安全性。

1. 无人机(另配) 2. OSDK通讯线 3. 高压气瓶 4. 燃料罐体 5. 喷射口延长管 6. 喷火头 7. 锁止螺栓及脱扣按钮 8. 手动泄压阀 9. 快装支架 10．快装导轨 11．燃料加注口

图2 P300无人机喷火器结构图

3试验研究

目前，无论在国内还是国外，无线遥控技术已经相当成熟，并在各个行业中广泛应用于小型无线遥控飞机。电力部门作为其中之一，也在其运营中充分利用了这一技术。通过小型无线遥控飞机的航拍功能，电力部门可以高效地进行缺陷查找和日常巡视。为了进一步提升处理异物的效率，本文基于小型多旋翼无人机平台，设计了一款专用的P300无人机喷火器，能够在实际应用中快速而有效地处理各种异物。

本文研制的P300无人机喷火器的主要参数详见表1。其尺寸为1000×140×140mm，重量为1.5kg，具备广泛适用的燃料类型。此外，喷火器采用了流量可控制的喷油组件（图3所示），使得油的流量能够根据实际需求进行灵活调节，从而增加了射程，降低了质量，简化了操作流程。其操作灵活性和维修便捷性使其能够适应各种作业和使用环境，显著提高了清除电线异物的效率和清除效果。与此同时，该设计在提升效率的同时，大幅度提升了安全性水平。

表1 P300无人机喷火器参数

图3 P300无人机喷火器喷嘴：（a）平喷嘴（b）长喷嘴（c）短喷嘴

此外，本文还对P300无人机喷火器进行了测试，得出以下数据，表2所示。根据试验数据，分析得出结论：

在实验中，本文对平喷嘴进行了多方面的测试，其中以1.0mm孔径的平喷嘴为例。在喷嘴自重为5.5g、喷射压力为0.6 Mpa的条件下，本文进一步研究了在不同管外径和管内径的情况下，平喷嘴的性能表现。结果显示，在管外径为8mm、管内径为6mm最大直径时，平喷嘴达到了最佳的效果。在这个配置下，平喷嘴的对应的喷火距离达到了4.8m，而且完成这一操作的时间最短，仅为52秒。这一发现表明，在给定的实验条件下，特定的管径配置对于平喷嘴的性能有着显著的影响。8mm的管外径和6mm的管内径的组合不仅使得平喷嘴的效果最佳，而且在喷火距离和所需时间方面均取得了最优的平衡。这对于实际应用中设计和选择平喷嘴具有一定的指导意义。

在实验中，本文针对输出口径均为1.2mm、管外径为6mm、管内径为4mm的条件，以0.6 Mpa的喷射压力为基准，对比了平喷嘴、短喷嘴和长喷嘴的性能数据。通过分析这些数据，本文得到了一些重要的结论，有助于更全面地了解不同类型喷嘴的性能差异。结果显示，平喷嘴和长喷嘴在相同条件下都能够达到喷火距离5.1m。然而，令人鼓舞的是，平喷嘴在喷火所需的时间方面表现更为出色，仅为38秒，相较于长喷嘴和短喷嘴，其效果更为显著。这意味着在特定的配置条件下，平喷嘴不仅能够实现较长的喷火距离，而且在喷火速度上具备更高的效率。这一发现强调了在设计和选择喷嘴时，除了考虑喷火距离外，还需关注其操作时间。在实际应用中，更短的操作时间通常能够提高作业的效率，降低人力成本，并在一定程度上增强喷火器的实用性。未来的研究方向将着重于深入分析平喷嘴、短喷嘴和长喷嘴的工作机制，以更好地理解其性能优劣。通过这一研究，本文期望为相关领域的技术发展和实际应用提供更为深入的见解和有益的指导。

此外，本文还在不同的压力情况下进行了试验。在输出口径均为1.5mm、管外径为6mm、管内径为4mm的条件下，本文测试了不同类型的喷嘴在不同压力下的性能表现。这一系列实验旨在深入探讨喷嘴在不同工作压力下的适应性和性能差异。实验结果显示，在压力最大为0.7Mpa的情况下，长喷嘴表现最为出色。其喷火距离达到了5.2m，且完成这一操作所需的时间最短，仅为28秒。这一结果强调了在特定的配置条件下，增加喷嘴的工作压力可以显著提升其性能表现。这一发现对于实际应用具有一定的指导意义。在一些特殊场景下，例如需要迅速、高效进行清障作业的情况下，通过调整喷嘴的工作压力，可以更好地满足实际需求。然而，在进行操作时仍需综合考虑安全性和设备稳定性等因素，以确保喷嘴在不同压力下的运行是可靠且安全的。

表2 P300无人机喷火器测试数据

4 结束语

无人机技术的迅速发展引领着创新性应用的潮流，其中无人机喷火器作为一项前沿技术，在清障工作中彰显了卓越的潜力。本文旨在深入研究P300无人机喷火器的结构、性能参数以及在不同场景下的应用效果。本文通过详细的性能参数试验，包括但不限于输出口径、喷嘴设计、喷射压力等方面的考察，来全面评估P300无人机喷火器的性能水平。这些关键的参考信息，帮助我们更好地了解该技术的工作机理和优越性。最后，本文将根据研究结果提出未来发展方向的建议。通过对无人机技术的前瞻性思考，我们将探讨如何进一步优化P300型无人机喷火器的设计，提高其在清障工作中的效率和适应性，我们相信这一系列研究将为无人机技术在清障领域的应用提供有力的理论和实践基础，推动该领域的创新和进步。

参考文献

[1]李响. 无人机技术在特种设备检验中的应用研究[J/OL]. 化工装备技术, 2023, 44(4): 1-3. DOI:10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2023.08.001.

[2]秦博, 王蕾. 无人机发展综述[J/OL]. 飞航导弹, 2002(8): 4-10. DOI:10.16338/j.issn.1009-1319.2002.08.004.

[3]陶于金, 李沛峰. 无人机系统发展与关键技术综述[J/OL]. 航空制造技术, 2014(20): 34-39. DOI:10.16080/j.issn1671-833x.2014.20.029.

[4]欧阳权, 张怡, 马延, 等. 基于深度学习的无人机航拍目标检测与跟踪方法综述[J]. 电光与控制: 1-9.

[5]安防与无人机系统融合创新发展前景可期[J]. 中国安防, 2022(12): 14.

[6]罗捷. 无人机在消防灭火救援实战中的应用[J]. 今日消防, 2023, 8(8): 33-35.

[7]WANG K, YUAN Y, CHEN M, 等. A Study of Fire Drone Extinguishing System in High-Rise Buildings[J/OL]. Fire, 2022, 5(3): 75. DOI:10.3390/fire5030075.

[8]李彦锋, 高梓瑞, 梁江涛, 等. 喷火无人机在线路导地线异物消缺的应用分析[J]. 云南电力技术, 2021, 49(1): 10-13.

[9]刘向超. 无人机技术在电力巡检信息化管理中的运用分析[J]. 中国管理信息化, 2023, 26(19): 102-105.

[10]胡敬波, 崔健. 多旋翼无人机输电线路飘挂物清障技术概述[J/OL]. 电子世界, 2019(13): 48-49. DOI:10.19353/j.cnki.dzsj.2019.13.018.

[11]梁伟, 陈杰, 刘洋, 等. 清除架空线路异物的新型装置及其试验研究[J]. 中国电业(技术版), 2015(9): 57-59.

[12]刘明亮, 杨厚峰. 导线易漂浮物清除工具的研制与应用[J]. 自动化博览, 2011(S2): 185-187.