摘要：為滿足配電網(wǎng)架空線路巡檢應(yīng)用需求，提出了基于小型無人直升機(jī)平臺(tái)的配網(wǎng)架空線路綜合巡檢技術(shù)。提出無人機(jī)綜合巡檢平臺(tái)的構(gòu)建方法，研究確定無人機(jī)搭載的可見光、紅外、紫外及超聲波傳感器、特高頻傳感器等綜合巡檢模塊的配置要求。測(cè)試結(jié)果表明，無人機(jī)巡檢系統(tǒng)的適應(yīng)環(huán)境溫度為–20~45 ℃，最高海拔高度為2 000 m，抗風(fēng)能力為7 m/s;懸停控制精度的垂直方向?yàn)?plusmn;0.5 m、水平方向?yàn)?plusmn;1.0 m，能精確定點(diǎn)近距離巡檢桿塔。對(duì)于可見光傳感器，有效像素?cái)?shù)為1 200萬，具備變焦和自動(dòng)對(duì)焦功能;對(duì)于紅外傳感器，有效像素?cái)?shù)為30萬，具備自動(dòng)對(duì)焦功能。提出的小型無人直升機(jī)綜合巡檢技術(shù)可應(yīng)用在配網(wǎng)架空線路巡視和檢測(cè)，以提升配網(wǎng)線路巡檢的自動(dòng)化和智能化水平。

關(guān)鍵詞：配網(wǎng)架空輸電線路 無人機(jī)綜合巡檢 傳感模塊 環(huán)境適應(yīng)性 巡檢功能

本文轉(zhuǎn)載自《中國(guó)電力》雜志 2018年 51卷 1期

引言

近年來，隨著遙感、自動(dòng)控制、信息處理、圖像識(shí)別等新技術(shù)快速發(fā)展，無人機(jī)技術(shù)在鐵路、交通物流、農(nóng)業(yè)植保、石油化工等行業(yè)獲得了廣泛應(yīng)用[1-2]。與此同時(shí)，電力行業(yè)也在不斷探索無人機(jī)巡檢技術(shù)研究和應(yīng)用[3-6]。

國(guó)家電網(wǎng)公司自2011年開始探索“直升機(jī)、無人機(jī)和人工協(xié)同巡檢”應(yīng)用。2013年年初，在公司系統(tǒng)內(nèi)選取10個(gè)省(地市級(jí)公司)開始為期3年的協(xié)同巡檢試點(diǎn)應(yīng)用工作。2016年至今，正在開展無人機(jī)巡檢推廣應(yīng)用[7-8]。

總體而言，配電網(wǎng)設(shè)備運(yùn)維效率和技術(shù)水平不足，配電網(wǎng)設(shè)備停電試驗(yàn)項(xiàng)目很少，日常巡視是主要的設(shè)備狀態(tài)管控手段[9-10]，運(yùn)維人員對(duì)于有效且高效的巡檢手段需求較為迫切。目前，搭載可見光、紅外、紫外傳感器等檢測(cè)設(shè)備的無人機(jī)巡檢系統(tǒng)已應(yīng)用于主網(wǎng)輸電線路設(shè)備本體、附屬設(shè)施和通道環(huán)境巡視檢查和檢測(cè)工作。在配電網(wǎng)線路巡檢方面，由于配電網(wǎng)設(shè)備和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、鄰近人口密集用戶區(qū)等影響因素制約，基于無人機(jī)巡檢技術(shù)在配電網(wǎng)架空線路中的應(yīng)用還未見相關(guān)報(bào)導(dǎo)。

1 無人機(jī)綜合巡檢平臺(tái)構(gòu)建

1.1 無人機(jī)選型

目前應(yīng)用于電網(wǎng)巡檢的無人機(jī)按照平臺(tái)進(jìn)行分類，主要包括固定翼無人機(jī)、大中小型無人直升機(jī)(多為電動(dòng)多旋翼)。固定翼無人機(jī)具有飛行速度快(大多數(shù)在100~200 km/h)、續(xù)航時(shí)間較長(zhǎng)、作業(yè)范圍廣等優(yōu)勢(shì)，缺點(diǎn)是無法進(jìn)行定點(diǎn)懸停觀測(cè)、照相，起降條件要求較高。目前成熟可靠的大、中型無人直升機(jī)產(chǎn)品較少，應(yīng)用的比較多的是美國(guó)Copterworks公司生產(chǎn)的AF25b型直升機(jī)，該機(jī)動(dòng)力為雙缸汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，起飛質(zhì)量32 kg，載荷11 kg，續(xù)航時(shí)間約1 h;相對(duì)于電動(dòng)多旋翼無人機(jī)，該機(jī)優(yōu)點(diǎn)是載荷大、續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)，缺點(diǎn)是維護(hù)操作較復(fù)雜且攜帶不方便。電動(dòng)多旋翼無人機(jī)集成技術(shù)難度較低，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠家較多，具有成本低、便攜性好、集成度高、維護(hù)保養(yǎng)簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，缺點(diǎn)是載荷小、巡航時(shí)間短。

由于配網(wǎng)系統(tǒng)具有設(shè)備眾多、設(shè)備間距較小、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、經(jīng)過地區(qū)多為城鎮(zhèn)人口密集地區(qū)等特點(diǎn)，應(yīng)用于配網(wǎng)線路無人機(jī)巡檢系統(tǒng)應(yīng)滿足如下要求：(1)經(jīng)常在人口密集區(qū)作業(yè)，情況復(fù)雜，因此要求配網(wǎng)無人機(jī)巡檢系統(tǒng)有很高的可靠性，機(jī)體尺寸較小、起降方便、墜機(jī)風(fēng)險(xiǎn)較低;(2)一般都在公路通達(dá)的巡檢點(diǎn)附近，因此大都要求目視控制飛行，對(duì)于測(cè)控距離要求較低，一般2 km距離足夠，單次作業(yè)時(shí)間也不會(huì)太長(zhǎng)，一般≤30 min;(3)巡檢方式多樣性，要求能夠搭載可見光、紅外光觀測(cè)能力，特殊條件下能夠開展紫外、超聲波、特高頻傳感器等多種巡檢設(shè)備;(4)較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性，攜帶方便，便于作業(yè)迅速展開。

因此，綜合以上分析建議選擇小型無人直升機(jī)(以下簡(jiǎn)稱為無人機(jī))開展配網(wǎng)架空線路無人機(jī)綜合巡檢作業(yè)。

1.2 無人機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

(1)無人機(jī)殼體設(shè)計(jì)。由于配電網(wǎng)無人機(jī)巡檢工作環(huán)境變化較大，并且可能碰到比較惡劣的天氣，則需研究無人機(jī)殼體的非常規(guī)空氣動(dòng)力學(xué)特性，且從一定程度上保證無人機(jī)的性能、操縱性和穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)出具有一定流線型的無人機(jī)外殼，如圖1所示。主殼體具有較好的流線型，在飛行過程中阻力更小，所需動(dòng)力就更小，在相同電池容量的情況下，續(xù)航時(shí)間更長(zhǎng)。

(2)無人機(jī)云臺(tái)設(shè)計(jì)。電動(dòng)多旋翼無人機(jī)用來搭載任務(wù)設(shè)備的主要是云臺(tái)，設(shè)計(jì)了三軸增穩(wěn)云臺(tái)，如圖2所示，用于在無人機(jī)自主飛行、低空作業(yè)的同時(shí)，保證數(shù)字航空影像的拍攝質(zhì)量。云臺(tái)搭載的載荷設(shè)計(jì)采用插拔式連接方式，安裝拆卸方便，便于操作。設(shè)計(jì)的云臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)至少水平和俯仰2個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)性能。

(3)無人機(jī)懸臂設(shè)計(jì)。電動(dòng)多旋翼無人機(jī)的運(yùn)動(dòng)和簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)都依賴于螺旋槳及時(shí)的速度改變，以調(diào)整力和力矩，設(shè)計(jì)無人機(jī)懸臂如圖3所示。

1.3 無人機(jī)平臺(tái)結(jié)構(gòu)仿真分析

懸臂結(jié)構(gòu)是支撐云臺(tái)、任務(wù)設(shè)備及整個(gè)機(jī)架的關(guān)鍵部位，必須保證其良好的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。為驗(yàn)證懸壁結(jié)構(gòu)在懸停工作狀態(tài)下的變形情況，采用ANSYS有限元軟件對(duì)懸壁結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。工作狀態(tài)應(yīng)力分布如圖4所示，無人機(jī)旋翼的流體分析、定速分析分別如圖5和圖6所示。

由圖4~圖6可知：(1)懸臂工作狀態(tài)時(shí)，應(yīng)力分布均勻，應(yīng)力最大值為20.125 N/mm，應(yīng)力值滿足空氣動(dòng)力學(xué)特性;(2)螺旋槳在工作轉(zhuǎn)速的狀態(tài)下，流場(chǎng)分布均勻，飛行良好;(3)螺旋槳處于懸停的狀態(tài)下，槳尖部位空氣流速最快，可達(dá)到168 m/s左右，槳葉附近空氣流動(dòng)處于湍流狀態(tài)，槳葉整體飛行運(yùn)動(dòng)狀況良好。