面向架空輸電線路的小型無人機(jī)巡檢起降平臺(tái)設(shè)計(jì)

耿 寒，楊海威，張益霖，惠大新

(1．國網(wǎng)遼源供電公司，吉林 遼源 136200；2．國網(wǎng)長春供電公司， 長春 130021)

隨著電力需求的不斷增長，相應(yīng)的電網(wǎng)架結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，特別是開展特高壓電網(wǎng)以及能源互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)，使架空輸電線路的規(guī)模不斷增大。以人工或半自動(dòng)線路巡檢的傳統(tǒng)方式不能滿足當(dāng)前輸電線路的運(yùn)行維護(hù)要求，基于無人機(jī)巡檢輸電線路受地形制約小，具有操作簡單、塔頭巡檢效果好，巡檢成本低等優(yōu)點(diǎn)，和人工巡視形成了良性互補(bǔ)，提高了輸電線路運(yùn)行維護(hù)的覆蓋能力。

隨著無人機(jī)巡檢輸電線路應(yīng)用的不斷推進(jìn)，強(qiáng)化無人機(jī)檢測能力、完善巡檢作業(yè)和安全飛行等系列課題的研究成果正不斷豐富輸電線路無人機(jī)巡檢的技術(shù)，為電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行提供更大保證。文獻(xiàn)[1]為使巡檢無人機(jī)適合復(fù)雜環(huán)境，并提高巡視距離和安全性，結(jié)合多項(xiàng)技術(shù)，研發(fā)了一套大型無人機(jī)輸電線路巡檢系統(tǒng)。文獻(xiàn)[2]應(yīng)用現(xiàn)有的4種高效巡視方法，通過對(duì)4種巡視設(shè)備的應(yīng)用比較，擬定了一套在上海市供電公司配電線路中應(yīng)用的無人機(jī)巡檢方案。文獻(xiàn)[3-4]也分別說明了使用無人機(jī)進(jìn)行輸電線路巡檢的合理性和有效性。無人機(jī)巡檢作業(yè)信息應(yīng)用方面，通常以無人機(jī)配置的傳感器獲取的影像資料為數(shù)據(jù)源，進(jìn)行缺陷定位或故障診斷等方面的研究[5-7]，提高了輸電線路運(yùn)行維護(hù)水平。

當(dāng)前用于輸電線路巡檢作業(yè)的無人機(jī)多為小型無人機(jī)，針對(duì)個(gè)別極復(fù)雜地形進(jìn)行輸電線路狀態(tài)巡檢，采用多旋翼的垂直起降方式。在實(shí)際無人機(jī)巡檢作業(yè)中，面臨農(nóng)田、河流等特殊地形，無人機(jī)在起降過程中容易發(fā)生傾覆、磕碰等。針對(duì)這一情況，亟待研發(fā)一種全地形的起降裝置，該裝置便于收放，并可以和無人機(jī)收納裝置結(jié)合，在各類地形上均能支持水平基面架設(shè)。

1 輸電線路運(yùn)行維護(hù)分析

輸電線路的運(yùn)行與維護(hù)是保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行工作的重要組成部分，為保障輸電線路處于正常運(yùn)行狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和消除桿塔塔體、金具、其他附屬設(shè)備以及線路保護(hù)區(qū)內(nèi)出現(xiàn)的缺陷或隱患，同時(shí)為輸電線路檢修、運(yùn)行維護(hù)等作業(yè)項(xiàng)目提供基礎(chǔ)依據(jù)，需要組織運(yùn)行維護(hù)人員對(duì)線路進(jìn)行巡檢，即人工巡視。根據(jù)工作內(nèi)容的不同，可將巡視工作分為正常巡視、故障巡視、特殊巡視三類。

巡視內(nèi)容可分為3部分：桿塔、附屬設(shè)施、通道環(huán)境。桿塔需要檢查的內(nèi)容主要包括：基礎(chǔ)、塔材、導(dǎo)線、絕緣子等部分；附屬設(shè)施需要檢查的內(nèi)容主要包括：防雷裝置、防鳥裝置、各種監(jiān)測裝置、標(biāo)志牌以及較小的金屬構(gòu)件；架空線路通道環(huán)境需要檢查的內(nèi)容為物體對(duì)導(dǎo)線的水平、垂直距離是否滿足要求，是否有發(fā)生故障的隱患，如：樹木、建筑物與導(dǎo)線的水平、垂直距離，線路保護(hù)區(qū)內(nèi)有無危及線路安全的施工作業(yè)，易燃、易爆物堆積，漂浮物。

現(xiàn)階段輸電線路巡視工作主要以正常巡視、故障巡視、特殊巡視三種常規(guī)巡視方式為主，線路巡查人員以地面巡視為基本手段，并輔以帶電登桿(塔)檢查等。無人機(jī)的線路巡檢作業(yè)中，小型無人機(jī)操作簡單，成本低，可勝任桿塔、金具等附屬設(shè)施、通道環(huán)境的巡檢工作，被廣泛應(yīng)用。

輸電線路的無人機(jī)巡視作業(yè)主要針對(duì)特定的區(qū)域進(jìn)行巡檢作業(yè)，該區(qū)域地形復(fù)雜，人工巡視困難，巡視結(jié)果難以符合工作要求。而在一些較復(fù)雜環(huán)境下運(yùn)行的輸電線路桿塔，無人機(jī)巡檢作業(yè)也面臨較多困難。

2 小型無人機(jī)巡檢作業(yè)分析

2.1 無人機(jī)技術(shù)與人工巡視的差異性分析

采用無人機(jī)的輸電線路巡視作業(yè)主要根據(jù)內(nèi)置程序和地面遙控進(jìn)行。巡視作業(yè)前，無人機(jī)操作人員需對(duì)待巡檢對(duì)象、目的有初步了解，掌握巡檢環(huán)境，確定巡檢作業(yè)的全過程內(nèi)容，保障飛行安全和穩(wěn)定性，提高工作效率。同時(shí)，保證無人機(jī)操作人員的技術(shù)熟練程度，掌握機(jī)載儀器的情況，保證能夠及時(shí)獲得待查缺陷、故障的準(zhǔn)確信息，使無人機(jī)巡線作業(yè)既能完成人工巡視可發(fā)現(xiàn)的缺陷、隱患，也能發(fā)現(xiàn)人工巡視難以發(fā)現(xiàn)的導(dǎo)線斷股、異常放電等不可忽視的隱患。

無人機(jī)巡檢作業(yè)較人工巡視的差異性主要體現(xiàn)在工作質(zhì)量、工作效率和工作要求三方面。工作質(zhì)量方面：人工巡檢在地面以一定角度仰視桿塔塔頭、導(dǎo)線等巡視對(duì)象，無人機(jī)可近距離觀察，觀察角度增大，細(xì)節(jié)分辨率更高；人工巡檢會(huì)受到巡線員生理、心理等主觀因素的影響，不能保證巡視質(zhì)量，無人機(jī)巡視作業(yè)人力耗費(fèi)水平低，有利于保障輸電可靠性。工作效率方面：由于無人機(jī)的運(yùn)行成本低，從保障供電可靠性角度，可安排多臺(tái)無人機(jī)組協(xié)同進(jìn)行全線路日常巡視和重點(diǎn)巡視，節(jié)省大部分人力，提高工作效率。工作要求：人工巡視可以適合任何情況下的工作環(huán)境，無人機(jī)巡檢作業(yè)相對(duì)要求較高，需要一套從準(zhǔn)備起飛到設(shè)備回收的全過程飛行保障措施。

2.2 無人機(jī)巡檢作業(yè)的工作要求分析

確定使用無人機(jī)巡視后，即對(duì)無人機(jī)設(shè)備自身、巡檢人員狀態(tài)及天氣狀況和工作環(huán)境等因素進(jìn)行檢查，特殊情況制定相應(yīng)的安全措施，保證無人機(jī)能順利開展工作。無人機(jī)起飛時(shí)，根據(jù)無人機(jī)的質(zhì)量選擇合理的起飛方式，保證無人機(jī)可以穩(wěn)定安全地進(jìn)入到預(yù)定航線。完成預(yù)定巡檢工作后無人機(jī)返航，地面巡檢人員應(yīng)最大限度地提前作好無人機(jī)準(zhǔn)備降落區(qū)域的場地清障工作，保證無人機(jī)的安全穩(wěn)定降落。無人機(jī)降落后，應(yīng)檢查各部件的狀態(tài)，并進(jìn)行簡單的清潔和緊固工作，如有損壞和設(shè)備異常情況，應(yīng)及時(shí)維修，最后對(duì)部件進(jìn)行拆卸和裝箱，核對(duì)設(shè)備清單，保證現(xiàn)場無遺漏后裝車、入庫，做最后一次核對(duì)，完成設(shè)備的回收工作。

當(dāng)前無人機(jī)的工作環(huán)境大多在地理環(huán)境惡劣的線路走廊內(nèi)，此時(shí)的巡檢工作對(duì)人工巡檢或是勞動(dòng)強(qiáng)度過大，或是自然環(huán)境惡劣，亦或是人工巡檢難以達(dá)到要求的檢測精度。進(jìn)行無人機(jī)巡檢作業(yè)后，主要工作是如何避免惡劣環(huán)境下無人機(jī)發(fā)生事故。把無人機(jī)巡檢作業(yè)分為起飛、高空巡檢和返航降落3個(gè)工作階段，降低無人機(jī)的起降難度會(huì)顯著降低無人機(jī)的事故發(fā)生率，因此，設(shè)計(jì)先進(jìn)的無人機(jī)起降平臺(tái)尤為重要。

3 小型無人機(jī)起降平臺(tái)的設(shè)計(jì)方案

3.1 適用于復(fù)雜環(huán)境的起降平臺(tái)模型

惡劣的架空線路走廊通常是指高低不平的農(nóng)田、面積較大的河流、垃圾堆放場等線路通道環(huán)境，小型無人機(jī)進(jìn)行巡檢作業(yè)時(shí)必須克服工作環(huán)境帶來的不利影響，因此，起降平臺(tái)必須最大程度地降低飛行難度，提高巡檢工作質(zhì)量，完成巡檢工作任務(wù)。同時(shí)，在保證完成任務(wù)的基礎(chǔ)上，要確保無人機(jī)不受到損壞，降低巡檢作業(yè)成本，應(yīng)對(duì)復(fù)雜起降環(huán)境時(shí)，起降平臺(tái)的設(shè)計(jì)模型見圖1。

圖1 復(fù)雜環(huán)境的起降平臺(tái)模型

起降平臺(tái)由平臺(tái)表面和支撐架組裝而成，平面可向外擴(kuò)展，進(jìn)而擴(kuò)大無人機(jī)的起降范圍。支撐架采用多節(jié)設(shè)計(jì)，可伸縮、拉長，靈活調(diào)節(jié)起降平臺(tái)的高度，克服玉米等高桿植物給起降帶來的困難。支撐架內(nèi)設(shè)置各種功能模塊，以便適應(yīng)各種場景下的無人機(jī)起降，減少無人機(jī)事故發(fā)生。

3.2 作業(yè)環(huán)境為農(nóng)田場景時(shí)的模型

農(nóng)田是較為常見的輸電線路走廊內(nèi)的地形地貌，對(duì)于小型無人機(jī)而言，農(nóng)田對(duì)無人機(jī)起降動(dòng)作的影響主要體現(xiàn)在：無人機(jī)起降時(shí)，由于東北地區(qū)的農(nóng)田主要設(shè)計(jì)為壟溝-壟臺(tái)組合，因此高低不平的地表讓無人機(jī)起降時(shí)極易發(fā)生傾覆事件，給設(shè)備(特別是旋翼)造成損壞。當(dāng)起降環(huán)境是農(nóng)田時(shí)，起降平臺(tái)的設(shè)計(jì)模型見圖2。

圖2 農(nóng)田的起降平臺(tái)模型

無人機(jī)在起降平臺(tái)上進(jìn)行起降動(dòng)作時(shí)，由于起降平臺(tái)的表面平整光滑，幫助無人機(jī)克服了地表不平的不利因素，因此，可滿足無人機(jī)安全起飛和平穩(wěn)降落，減少無人機(jī)傾覆事件發(fā)生的概率。

3.3 作業(yè)環(huán)境為水面場景時(shí)的模型

當(dāng)桿塔的基礎(chǔ)在水里時(shí)，采用人工巡視較為復(fù)雜，無人機(jī)巡檢既解決了巡線員難以靠近桿塔的困難，也提高了巡檢的工作效率?？紤]蓄電池的電量及高壓線的電磁干擾，此時(shí)要解決的問題是無人機(jī)因向桿塔靠近和返航而損失的蓄電池電量，以及保證通信系統(tǒng)良好的實(shí)時(shí)性和較高的可靠性，避免飛行距離過長造成無人機(jī)墜機(jī)落水和誤操作而過于靠近高壓線產(chǎn)生危險(xiǎn)。當(dāng)起降環(huán)境是水面時(shí)，起降平臺(tái)的設(shè)計(jì)模型見圖3。

圖3 水面的起降平臺(tái)模型

起降平臺(tái)的材料采用密度低于水密度的合金材料，以便讓平臺(tái)的浮力大于自身重力進(jìn)而可漂浮在水面上。當(dāng)起降平臺(tái)攜帶無人機(jī)靠近水中桿塔時(shí)，無人機(jī)在起降平臺(tái)上起降，減少了飛向水中桿塔所消耗的電量，也減少了無人機(jī)返航時(shí)的耗電量。支撐架內(nèi)置信號(hào)放大模塊，保證準(zhǔn)確、及時(shí)地傳輸巡檢信息和無人機(jī)的控制信息。通過上述兩種途徑降低墜機(jī)事件發(fā)生的概率。

4 結(jié)論

本文討論了小型無人機(jī)用于輸電線路巡檢時(shí)較人工巡檢的優(yōu)勢，同時(shí)分析了無人機(jī)在起降時(shí)面臨的困難，提出了為無人機(jī)設(shè)計(jì)起降平臺(tái)的方案。通過分析各種復(fù)雜地形給無人機(jī)起降帶來的困難，設(shè)計(jì)了適用于面向東北地區(qū)的多種地形的無人機(jī)起降平臺(tái)，提高了輸電線路巡檢效率，保障無人機(jī)的安全飛行。