無人機(jī)電力架線施工中阻尼控制技術(shù)研究

馬鳳臣 丁寶民 彭廣 安晨光

摘 要：無人機(jī)架線施工中存在無人機(jī)的飛行速度與牽引繩放線輪的放線速度間的不匹配問題，這種問題提高了施工中的風(fēng)險(xiǎn)。在工程實(shí)踐中，增加阻尼控制器來控制放線的速度，通過飛控通道對(duì)放線速度實(shí)施遠(yuǎn)程的自適應(yīng)PID調(diào)節(jié)控制，使兩個(gè)速度達(dá)到基本匹配，解決了施工中出現(xiàn)的問題，提高了放線效率。設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)斷線器，既支持通過飛控通道傳遞命令來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)斷線，也支持手動(dòng)斷線。本系統(tǒng)可實(shí)施的放線長度可達(dá)2.5km，滿足實(shí)際工程的需要。無人機(jī)架線施工中，在起飛前可使用遠(yuǎn)程地面站規(guī)劃航線，無人機(jī)按照航線自動(dòng)放線，放線中由飛機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的自動(dòng)控制，大大地提升了工程效率。

關(guān)鍵詞：阻尼控制；輸電線；自動(dòng)斷線；航線規(guī)劃

中圖分類號(hào)：TM75 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 概述

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，電力施工中用機(jī)械代替人工，且由機(jī)械化向自動(dòng)化智能化轉(zhuǎn)變是發(fā)展的趨勢(shì)。在電力架線施工中使用無人機(jī)展放牽引繩，方便快捷。隨著無人機(jī)施工水平不斷地提高，出現(xiàn)了各種新的技術(shù)方案，消除了安全風(fēng)險(xiǎn)，施工效率和經(jīng)濟(jì)效益越來越高；特別是線路走廊長、地形復(fù)雜、地勢(shì)險(xiǎn)要的地區(qū)，例如在農(nóng)田，果園等經(jīng)濟(jì)作物生長區(qū)，通航的河道，復(fù)雜的交通，跨越山區(qū)與峽谷使用無人機(jī)展放牽引繩線擔(dān)當(dāng)“電力放線工”，替代人工進(jìn)行展放牽引繩施工作業(yè)，效果更加顯著。

無人機(jī)展放牽引繩方案是由無人機(jī)帶動(dòng)一根特制的牽引繩投送到放線區(qū)段的各級(jí)桿塔橫擔(dān)上，再利用牽張機(jī)緩慢牽引二級(jí)引繩，在整區(qū)段牽引繩全部放通后，再利用二級(jí)牽引繩牽引三級(jí)引繩帶動(dòng)導(dǎo)線，完成導(dǎo)線的展放施工。

我們使用的無人機(jī)架線所搭載的引導(dǎo)繩長度在1.8km范圍內(nèi)，放線長度有限，放線輪放線的速度隨著飛行速度的加快放線速度也會(huì)加快，由于慣性原因當(dāng)飛機(jī)速度減慢時(shí)放線輪速度仍在加快，導(dǎo)致放線過長，如果在山林中架線，放線過長很可能會(huì)掛在樹上，危險(xiǎn)系數(shù)過高，當(dāng)飛機(jī)放線到一定長度時(shí)，想要斷線還需要人工斷線，飛行過程全程只能用遙控器控制，不能自動(dòng)飛行，設(shè)計(jì)不人性化。為了提高架線效率，消除架線過程中的不確定因素造成的安全隱患，使架線更加的自動(dòng)化，智能化，我們?cè)诩芫€機(jī)的架線掛載上增加阻尼控制功能和自動(dòng)斷線功能，提升了飛機(jī)的掛載重量，放線長度更大，給飛機(jī)增加航線規(guī)劃功能，放線效率提升了很多。

1 施工工具

1.1 無人機(jī)

采用深圳市科比特航空科技有限公司的X6-P六旋翼無人機(jī)，表1是該機(jī)型技術(shù)參數(shù)。

其機(jī)型采用的是六旋翼X6-P，機(jī)身材質(zhì)為碳纖維復(fù)合材料，該材質(zhì)含有90%的碳成分，并且經(jīng)過長期高溫?zé)崽幚?，具有良好的耐摩擦、耐高溫特性。?dāng)上升海拔4000m時(shí)，能夠凸顯低熱膨脹性能，一般無人機(jī)在升至此高度時(shí)，受到外層大氣壓力的擠壓，極易出現(xiàn)變形。但是這種碳纖維材質(zhì)組成的無人機(jī)，在高海拔高度上會(huì)產(chǎn)生及其微小的變形。另外在機(jī)身重量和最大起飛重量方面，也有卓越的優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)在穩(wěn)定性，一般無人機(jī)的機(jī)身重量為3kg，最大續(xù)航時(shí)間20min，而這種無人機(jī)在重量和續(xù)航時(shí)間上，明顯高于其他無人機(jī)。最后便是在工作溫度上的界定范圍，一般無人機(jī)使用環(huán)境為戶外正常溫度，當(dāng)達(dá)到較高溫度時(shí)，會(huì)對(duì)機(jī)身和續(xù)航能力產(chǎn)生較大的負(fù)面影響。但是這種無人機(jī)不會(huì)因?yàn)橥饨鐪囟鹊沫h(huán)境受到影響，所受溫度為-10℃～60℃，能夠在極大程度上承受外界溫度的波動(dòng)變化。

1.2 阻尼器MTN-04

線輪安放在飛機(jī)端，隨著飛機(jī)的飛行速度加快，線輪的放線速度也加快。操作中，有時(shí)飛機(jī)速度需要放緩，但由于慣性原因，而放線輪的速度還在增加，造成放線速度與飛機(jī)的飛行速度嚴(yán)重不匹配，造成多余長度的線放出來，牽引線有可能掛載樹上，落在水中或其他影響正常放線的操作。為了解決這種非正常情況的發(fā)生，我們?cè)诜啪€輪出口端附近安裝了磁阻尼器MTN-04，通過飛控通道給出的命令，應(yīng)用PID程序控制，讓MTN-04提供適當(dāng)?shù)倪\(yùn)動(dòng)阻力，使放線速度與飛機(jī)的飛行速度相匹配，防止過多的線放出來，影響飛機(jī)飛行的安全。

MTN-04磁阻尼器是以磁場(chǎng)為媒介傳遞恒定扭力的裝置。轉(zhuǎn)動(dòng)部件均以質(zhì)輕堅(jiān)固的材料精密加工而成，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量極小。張力輸出膠輪以彈性軟膠制成，不傷線。金屬部件均經(jīng)防銹處理，耐蝕性能優(yōu)良。阻尼器輸出和本體之間通過磁性副連接，在輸出軸上提供穩(wěn)定的制動(dòng)扭矩。可以預(yù)設(shè)并精確控制張力，張力穩(wěn)定可靠，安裝結(jié)構(gòu)簡單，張力大小調(diào)節(jié)方便。MTN-04結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊，體積小巧，可在各種位置穩(wěn)定工作。阻尼器可在放線時(shí)產(chǎn)生可調(diào)性張力，使放線時(shí)帶適宜的張力，從而使放線輪的放線速度與無人機(jī)飛行速度相適應(yīng)，保證了工程施工平穩(wěn)進(jìn)行。

MTN-04的特點(diǎn)：

（1）具有穩(wěn)定的扭矩，不受到轉(zhuǎn)差的影響，靜止時(shí)和轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)扭矩不變。因此，從最低轉(zhuǎn)速到最高轉(zhuǎn)速，扭矩始終恒定，不受時(shí)間、溫度、速度或其他條件的影響。

（2）通過有刻度的轉(zhuǎn)盤進(jìn)行張力的設(shè)定，重復(fù)性好，可以在最大與最小之間連續(xù)調(diào)整，得到最優(yōu)化的張力來滿足需要。

（3）安裝簡單，無須監(jiān)護(hù)外加控制器。

（4）從靜態(tài)到動(dòng)態(tài)張力無突變， 運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)能提供恒定張力，停車時(shí)可保持張力。

（5）可作為離合器使用，本體和輸出軸皆可作為輸入和輸出端。當(dāng)負(fù)載過大時(shí)，產(chǎn)生滑差打滑，保護(hù)整機(jī)。

（6）在調(diào)節(jié)盤上加一個(gè)微型步進(jìn)電機(jī)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)與控制。

施工中將阻尼器連接飛控通道7，可遠(yuǎn)程控制阻尼器阻尼力的大小。

圖1是放線輪與阻尼器的結(jié)構(gòu)圖。

1.3 斷線器

普通架線機(jī)在架線時(shí)放到一定長度后需要人工斷線，操作麻煩復(fù)雜，如果引線掛在樹上，又不能及時(shí)斷線，那么很有可能造成飛機(jī)失事，造成財(cái)產(chǎn)損失，人員受傷，還要賠付青苗費(fèi)用，為解決這系列安全問題我們研發(fā)了一款遠(yuǎn)程斷線器。

斷線器由USB充電打火機(jī)的電熱絲發(fā)熱片作為點(diǎn)火發(fā)熱源，MOS管形成控制開關(guān)組成，開關(guān)的通斷控制連接至飛控，通過通道8遠(yuǎn)程控制，也可手動(dòng)控制。

斷線器特點(diǎn)：

（1）遠(yuǎn)程點(diǎn)火，觸發(fā)點(diǎn)火后升溫很快，溫度夠高，在很短的時(shí)間內(nèi)即可熔斷引導(dǎo)線。

（2）穩(wěn)定性高，可反復(fù)使用，可以在遠(yuǎn)程地面站上面控制斷線，也可以使用遙控器斷線，支持自動(dòng)斷線和緊急情況下手動(dòng)斷線器斷線。

使用組成斷線系統(tǒng)，飛控通過通道8控制斷線器的開啟與關(guān)閉，當(dāng)接收到飛控控制信號(hào)時(shí)，發(fā)熱片發(fā)熱，將線熔斷，達(dá)到斷線效果。

1.4 專業(yè)地面站

采用工業(yè)級(jí)三防地面端控制站，采用專業(yè)的地面控制軟件，作業(yè)航線規(guī)劃，航點(diǎn)自動(dòng)斷線，超長距離控制。

2 阻尼器的智能控制

當(dāng)無人機(jī)在空中的飛行速度變緩時(shí)，放線輪由于慣性的作用還在加快，為了不出現(xiàn)牽引線過長的情況，要對(duì)放線端進(jìn)行阻尼控制，通過飛控通道7輸出信號(hào)來調(diào)節(jié)阻尼器的張力大小來控制放線的長度。利用PWM調(diào)制技術(shù)，對(duì)阻尼器實(shí)行PID控制。

隨著控制理論和技術(shù)的日趨完善和成熟，各種先進(jìn)的控制方法不斷出現(xiàn)，但目前PID控制仍然是最常用的控制方案。PID控制具有直觀、實(shí)現(xiàn)簡單和魯棒性好等優(yōu)點(diǎn)。但在PID控制中，一個(gè)關(guān)鍵的問題就是PID參數(shù)整定，傳統(tǒng)的方法是在獲取控制對(duì)象數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)某一整定原則來確定PID參數(shù)。然而現(xiàn)在系統(tǒng)面臨難于建立精確的數(shù)學(xué)模型的問題，而且模型參數(shù)隨著飛行工作狀況的改變而改變，參數(shù)整定難度極大。

近年來已提出了多種自校正PID調(diào)節(jié)方法，但由于自適應(yīng)控制是在被控對(duì)象為線性對(duì)象的前提下進(jìn)行研究的，我們面對(duì)的系統(tǒng)是非線性、時(shí)變系統(tǒng)，校正后仍存在不盡人意之處。為此將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)引入到PID控制參數(shù)整定，無疑是一個(gè)新的著眼點(diǎn)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)、并行處理及較強(qiáng)的容錯(cuò)能力，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于PID控制過程，使控制更加智能，在線調(diào)整PID參數(shù)，使被控系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力和魯棒性。

本系統(tǒng)采用增量式數(shù)字PID控制，以飛行器的實(shí)時(shí)速度的變化量作為輸入，而控制阻尼器的轉(zhuǎn)動(dòng)變化量作為輸出，對(duì)阻尼器進(jìn)行張力的適應(yīng)性調(diào)節(jié)。系統(tǒng)中采用的算法是單神經(jīng)元自適應(yīng)算法，在算法中，有3個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加權(quán)系數(shù)，分別對(duì)應(yīng)PID控制器參數(shù)，通過對(duì)加權(quán)系數(shù)即對(duì)PID控制器控制參數(shù)K，、K，、K。的調(diào)整來實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)功能。加權(quán)系數(shù)的調(diào)整可以采用不同的學(xué)習(xí)規(guī)則，從而構(gòu)成不同的控制算法。這里在單神經(jīng)元控制器中引入輸出誤差二次型性能指標(biāo)，通過修改網(wǎng)絡(luò)權(quán)值項(xiàng)，使性能指標(biāo)趨于最小，從而實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)PID的最優(yōu)控制。

3 施工過程與步驟

將繞好線的線輪裝進(jìn)飛機(jī)的掛載艙，固定牢固，選擇周圍無遮擋物的空地作為起飛場(chǎng)所，打開專業(yè)地面站并且連接上飛機(jī)端。

在專業(yè)地面站上規(guī)劃作業(yè)航線，設(shè)置好要在那個(gè)地方斷線，將對(duì)應(yīng)控制通道寫給對(duì)應(yīng)航點(diǎn)，并將航線任務(wù)發(fā)生給無人機(jī)，周圍無風(fēng)或者微風(fēng)情況下解鎖起飛。

飛機(jī)按照航線飛行，可以遠(yuǎn)程通過遙控器控制阻尼的大小和啟動(dòng)斷線器。

飛機(jī)放線完畢并且斷線后，選擇安全的高度返航。

起飛前人員應(yīng)與飛機(jī)保證10m～15m的安全距離，起飛前要檢查飛機(jī)電機(jī)、槳葉是否運(yùn)轉(zhuǎn)正常，飛機(jī)是否有異常聲音，電池電量是否足夠。

保證放線輪的引導(dǎo)線沒有打結(jié)，線能順利放出來，如在飛行過程中發(fā)現(xiàn)引導(dǎo)線放不出來，需要馬上斷線，保證飛機(jī)的安全。

工作時(shí)需要備好工具，準(zhǔn)備一些零部件備用保證架線機(jī)持續(xù)工作。

結(jié)語

在架線機(jī)上增加阻尼控制器、斷線器、遠(yuǎn)程地面站控制系統(tǒng)作業(yè)效率明顯提升，使用更加的人性化，優(yōu)點(diǎn)明顯，放線時(shí)可以規(guī)劃航線自動(dòng)放線，可以遠(yuǎn)程自動(dòng)斷線，也可遠(yuǎn)程手動(dòng)斷線，抗風(fēng)能力最高可達(dá)10m/s，遠(yuǎn)程操作能力更強(qiáng)，更具備實(shí)用性。

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