1課題背景

隨著科技的發(fā)展,無人機越來越多地應(yīng)用于各行各業(yè)中,特別是在輸電線路運檢方面。傳統(tǒng)作業(yè)方式是靠巡線工目測發(fā)現(xiàn)缺陷,往往輸電桿塔頂部的缺陷無法及時被發(fā)現(xiàn),人巡獲取的數(shù)據(jù)精度不夠,而無人機可以飛越高山大嶺,其拍攝的高清晰度照片能夠幫助工作人員快速了解線路運行情況,有效降低人力成本,提高工作效率。

然而,輸電線路鐵塔常常立于野外山區(qū),復(fù)雜的環(huán)境給無人機起降帶來了麻煩。對于不平整的砂石地或雜草叢生的山地,在黃土地上或使用手持的方式起降無人機,都可能導(dǎo)致飛機損傷、破壞,更存在一些人身傷害風(fēng)險。據(jù)統(tǒng)計,2019年至今,廣東省內(nèi)無人機炸機事故中,有超過70%的事故發(fā)生在起飛和降落階段。當(dāng)無人機預(yù)降落時,由于風(fēng)力與復(fù)雜的野外環(huán)境等因素影響,無人機易發(fā)生翻轉(zhuǎn)或碰撞。基于此,本文研制了一款便攜式無人機起降平臺,結(jié)構(gòu)簡單,使用方便,適用于市面上99%的無人機起降。而無人機設(shè)備在復(fù)雜的地理環(huán)境下均可以正常起降,能夠保證無人機使用的安全,防范誤傷無人機駕駛員的事故,保證人身安全。

2電網(wǎng)無人機應(yīng)用情況分析

傳統(tǒng)的人工巡視作業(yè)效率低,智能巡檢應(yīng)運而生,高精度、高效率的輸電運維成為大勢所趨,因此無人機在電力行業(yè)高壓輸電線路運維工作中的應(yīng)用已經(jīng)十分普及。

2.1電網(wǎng)無人機應(yīng)用分類

電網(wǎng)系統(tǒng)中,輸電運維應(yīng)用無人機通常分三類:巡視類、測量類、特種作業(yè)類。

(1)巡視類無人機作為電網(wǎng)運維最常見的應(yīng)用方式,通常運維人員使用精靈4、御2無人機進行輸電線路精細(xì)化巡視和通道巡視。在無人機精細(xì)化巡視過程中,操作人員駕駛無人機通過近距離拍攝輸電鐵塔各本體部件的照片,來進行缺陷識別。相較于傳統(tǒng)的地面人工望遠(yuǎn)鏡查看,無人機作業(yè)可不受位置限制,在各個角度進行部件拍攝和缺陷識別,發(fā)現(xiàn)重大緊急缺陷及時進行處理,有效保證輸電線路運行的可靠性。

(2)測量類無人機一般包括測溫類及測距類。

測溫類一般應(yīng)用大疆Mavic2熱成像雙光無人機,該無人機集成了熱成像傳感器,可感知動態(tài)范圍在-10~400℃,可見光相機可拍攝高清晰視頻,一次航線飛行即可完成可見光和紅外光拍攝,實現(xiàn)了一次飛行完成兩項作業(yè)任務(wù),作業(yè)效率大幅提升。

測距類無人機通常使用大疆經(jīng)緯M300RTK,不但可以搭載禪思H20鏡頭進行紅外測溫,還可以搭載第三方鏡頭,如激光雷達鏡頭,對輸電線路保護區(qū)進行飛行掃描,對輸電線路及地面物體進行三維點云識別,實現(xiàn)樹木與導(dǎo)線距離、輸電線路對地距離、輸電線路與公路/鐵路等重要交叉跨越距離的準(zhǔn)確有效測量,及時發(fā)現(xiàn)其他物體與帶電導(dǎo)線距離不足問題,保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。

(3)特種作業(yè)類無人機一般應(yīng)用于特種作業(yè),例如:1)噴水無人機,可帶電進行輸電線路絕緣子清洗工作,防止在陰雨天發(fā)生絕緣子閃絡(luò)風(fēng)險:2)噴火無人機,可帶電進行輸電線路飄掛物清除工作,將導(dǎo)線上或者橫擔(dān)嘴上的飄掛物及鳥巢、蜂巢點燃,謹(jǐn)防帶電體短路情況發(fā)生:3)植保無人機(大疆T40無人機),可進行農(nóng)藥噴灑,也可對輸電線路保護區(qū)超高樹木進行技術(shù)處理作業(yè)等。

2.2無人機應(yīng)用現(xiàn)狀分析

上文介紹了輸電運維人員經(jīng)常使用的無人機型號及分類。小型無人機,如御2起飛重量約907g,飛機展開尺寸為g22mm×242mm(長×寬),每塊電池續(xù)航20min:中型無人機,如紅外測溫及激光雷達測距飛機經(jīng)緯Mg00RTK起飛重量約9kg,飛機展開尺寸為4g0mm×420mm,每塊電池續(xù)航g2min:大型無人機,如大疆植保無人機T40起飛重量約50kg,飛機展開尺寸為1125mm×750mm,兩支撐架距離為600mm×550mm(長x寬)。鑒于此分析發(fā)現(xiàn),常見飛機一般起飛重量均小于50kg,常見飛機尺寸均小于600mm×600mm,每塊電池續(xù)航時間約g0min。

經(jīng)過調(diào)查發(fā)現(xiàn),目前市面上也存在無人機起降平臺,通常是一個圓形的防水優(yōu)質(zhì)尼龍或硬板,這些起降平臺功能單一、材質(zhì)普通,只能滿足輕質(zhì)無人機簡單的起降需求,如遇復(fù)雜野外環(huán)境,如茂密的草地、水溝、斜坡等環(huán)境,均無法使用,為此本文致力于研發(fā)一款適用于全部尺寸的無人機起降平臺,該平臺材質(zhì)輕便,便于攜帶,且可依據(jù)太陽能電池板外置充電接口,為無人機提供良好的起降環(huán)境,同時為無人機提供充足的電能供應(yīng)。

3起降平臺技術(shù)方案

基于上文分析,研制了一款新型可便攜無人機起降平臺,滿足適用于各種機型起降、適用于各種地形的應(yīng)用場景、為無人機提供充足的電力供應(yīng)等三種需求。起降平臺技術(shù)方案如圖1、圖2所示,共由17個零部件組成,其主要功能及技術(shù)設(shè)計思路如下:

1為塑膠把手,塑膠材質(zhì),輕質(zhì)防滑,設(shè)計匹配可伸縮鋁合金拉桿。

2為可伸縮鋁合金拉桿,與塑膠把手1成一體設(shè)計,航空鋁材質(zhì),用于拖動起降平臺主體4移動,不使用時可伸縮至平臺主體內(nèi)。

g為折疊合頁,航空鋁材質(zhì),用于連接起降平臺主體4,使其可以展開與合上。

4為起降平臺主體,航空鋁材質(zhì),無人機在起降平臺主體進行起飛和降落,鏤空設(shè)計,降低起降平臺整體質(zhì)量。

5為防震緩沖鈕,配合起降平臺主體4展開后,起到支撐、防震、保護作用。

6為移動滑輪,用于配合可伸縮鋁合金拉桿2來帶動起降平臺主體4移動。

7為底部折疊合頁,航空鋁材質(zhì),用于連接起降平臺主體4底部,使其可以展開與合上。

8為USB充電口,可提供5V/1A的充電接口。

9為平臺提手,航空鋁材質(zhì),用于提起起降平臺。

10為USB充電口,可提供12V/2A的充電接口。

11為支撐腳架腳墊,用于輔助支撐腳架12更平穩(wěn)地支撐便攜式無人機起降平臺。

12為支撐腳架,將起降平臺主體4展開后,打開支撐腳架可將便攜式無人機起降平臺放置在野外環(huán)境中。

1g為可調(diào)節(jié)卡扣,本平臺支撐腳架12可進行250mm長短調(diào)節(jié),腳架每個腿最長可達到450mm,確保在傾斜位置也可以通過調(diào)整腿長短來保持起降平臺的平衡。

14為防震緩沖鈕,作用原理與防震緩沖鈕5相同。

15為太陽能電池板,與起降平臺一體化設(shè)計,可提供12V和5V兩種電壓輸出。

16為水準(zhǔn)儀,通過判斷水準(zhǔn)儀情況,來確保起降平臺高度水平。

17為反光板,既可發(fā)光又可反光,即便在夜間飛行,也可實現(xiàn)飛機快速找到起降平臺位置。

本方案設(shè)計質(zhì)量為7.8kg,起降平臺展開面積800mm×800mm,平臺高度450mm,折疊后尺寸為400mm×400mm,厚度為150mm,適用于大疆全系列機型,可承受500N的下壓力。

4應(yīng)用成效

作業(yè)人員通過可伸縮鋁合金拉桿2和移動滑輪6將便攜式無人機起降平臺拉到作業(yè)點,根據(jù)作業(yè)環(huán)境選擇合適的作業(yè)位置,通過使用折疊合頁g將起降平臺主體4展開,將支撐腳架12從內(nèi)部翻轉(zhuǎn)出來,通過調(diào)節(jié)可調(diào)節(jié)卡扣13,將支撐腳架12每個腿調(diào)整至合適長度,然后將無人機放置在起降平臺主體4平面上便可以開展無人機的起飛工作。無人機巡視工作結(jié)束后,降落在起降平臺主體4上,將無人機裝機收好,便可以按照上面的展開順序?qū)⒈銛y式無人機起降平臺合上收起,完成本次無人機巡視工作。

該起降平臺外觀簡潔美觀,產(chǎn)品化設(shè)計思路,拉桿箱式移動方式,4個可伸縮式支架,能夠滿足各類無人機不同野外環(huán)境的起降需求:平臺表面一體化設(shè)計8塊太陽能電池板,可提供12V和5V兩種電壓輸出,為無人機電池及無人機遙控器持續(xù)提供電能,解決野外作業(yè)電池電量不足的問題。平臺表面外部布置8塊發(fā)光條幅,保證無人機即便在夜間工作也可準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)無人機起降位置,滿足無人機起降過程中的可視化需求。起降平臺實物圖如圖3所示。

圖3起降平臺實物圖

該成果已于2021一2022年在江門供電局輸電管理一所試驗應(yīng)用,據(jù)統(tǒng)計,應(yīng)用此成果近兩年,江門輸電一所由無人機起降導(dǎo)致炸機數(shù)量減少12臺,根據(jù)每臺無人機維修費用5000元計,有效減少無人機維修費6萬元,提高無人機起降安全性的同時,也延長了無人機的使用壽命。

針對本文成果便攜式無人機起降平臺,應(yīng)用總結(jié)如下:

(1)該平臺自2021年使用至今,在保證操作簡便、便攜的同時,降低了無人機起降風(fēng)險,將無人機炸機率降低50%,延長了無人機的使用壽命。

(2)該平臺從根本上解決了無人機起降難的問題,有效降低了無人機及作業(yè)人員安全風(fēng)險。

(3)該平臺從根本上解決了傳統(tǒng)起降平臺功能單一、材質(zhì)簡單的問題,針對無人機電池耐久性差的缺陷,能夠有效提供電源供應(yīng),對電源進行及時充電。

綜上所述,本次試運行達到了預(yù)期目標(biāo),產(chǎn)品性能得到了驗證和完善,可以開展進一步的推廣。

5結(jié)語

無人機起降平臺設(shè)計尺寸為800mm×800mm,折疊后尺寸為400mm×400mm,質(zhì)量為7.8kg,一體化設(shè)計,可折疊,裝拆快速,最大承重超過50kg,可滿足輸電運維99%的無人機起降需求:配置2個萬向輪,便于作業(yè)人員攜帶轉(zhuǎn)移。該設(shè)備可不受野外環(huán)境影響,為無人機起降提供飛行保障和電力供應(yīng),提高無人機作業(yè)效率,降低無人機及作業(yè)人員安全風(fēng)險,值得在無人機應(yīng)用領(lǐng)域全面推廣。