多旋翼無人機多功能起降輔助平臺的研制

高 偉，劉洪偉，王 偉，常志偉，李 洲

（國網(wǎng)山東省電力公司檢修公司，山東 濟南 250118）

0 引言

近年來，國內(nèi)外電力企業(yè)逐步推廣普及無人機在輸電線路巡視中的應(yīng)用，無人機巡視相對人工巡視具有不受地形環(huán)境條件限制、巡視效率高等優(yōu)勢。同時可搭載照相機等任務(wù)設(shè)備，使用無人機巡視線路可以從輸電線路的上空拍攝清晰的照片，具有對運行輸電線路隱患精準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)的能力［1］。

在無人機巡視過程中由于不同原因會出現(xiàn)各類故障，這在一定程度上影響了無人機巡檢工作。通過對故障類型調(diào)查，發(fā)現(xiàn)常見故障為螺旋槳斷裂、拍照模糊、電機短路、機舵失靈和機架變形等。電機、機舵、螺旋槳是無人機的重要部件，一旦發(fā)現(xiàn)有損壞或裂痕，必須立即進行維修更換［2］，而維修費用增添了輸電線路運維成本。

為妥善解決此類問題，本文從多個角度查找原因，確定故障主要因素，根據(jù)故障因素設(shè)計無人機起降輔助平臺，取得良好的效果。

1 旋翼無人機故障原因

1.1 人員、設(shè)備對無人機巡檢的影響

對不同型號無人機巡檢過程中的故障情況進行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)不同型號無人機故障率變化不大；對無人機操控手技術(shù)水平進行分析，發(fā)現(xiàn)無人機操控手均已達到合格水平，因此不同操控手對無人機故障率影響不大。

1.2 環(huán)境條件對無人機巡檢的影響

無人機起降點地面傾斜度大，導(dǎo)致無人機在起降過程中難以保持平衡，引起無人機故障。使用傾斜度可調(diào)的平板模擬不同程度傾斜地面，在不同傾斜程度條件下分別進行多次起降試驗，通過統(tǒng)計試驗數(shù)據(jù)，得出地面傾斜度與無人機故障率的關(guān)系：無人機起降點地面傾斜度越大無人機故障率越高。

無人機巡檢作業(yè)起降點存在沙石、樹枝等障礙物，無人機在起降過程中碰撞障礙物，引起無人機螺旋槳損壞。在整潔地面上鋪設(shè)沙石模擬有障礙物地面，操控?zé)o人機分別在整潔地面與有障礙物地面上進行多次起降試驗，通過檢查螺旋槳損傷情況，發(fā)現(xiàn)在障礙地面起降時無人機螺旋槳損壞次數(shù)是在清潔地面起降損壞次數(shù)的數(shù)倍，可以確定，障礙物是引發(fā)旋翼無人機故障的重要因素。

無人機巡檢作業(yè)起降點存在大量灰塵，而無人機機載照相機安裝于無人機機架下部，無人機起降過程中，地面效應(yīng)引起大量沙石和揚塵。若相機防護性差，導(dǎo)致?lián)P塵顆粒進入相機，進而引起相機設(shè)備內(nèi)部元件故障和鏡頭積灰，導(dǎo)致拍照模糊，無法辨識線路缺陷。小組成員選擇一處揚塵較大的地點現(xiàn)場應(yīng)用多旋翼無人機起降多次，對相機進灰情況進行現(xiàn)場驗證，相機設(shè)備均有進灰塵現(xiàn)場發(fā)生。相機進入灰塵后，對與其距離5 m處的銷釘，進行多次拍照，發(fā)現(xiàn)所拍攝的照片均難以辨識。通過對比試驗，可以確定現(xiàn)場灰塵大也是造成無人機機載相機故障、影響無人機巡檢工作質(zhì)量的重要因素。

2 旋翼無人機起降輔助平臺設(shè)計

2.1 整體構(gòu)思

地面傾斜度大、地表障礙物多、地面大量灰塵是造成無人機故障的主要原因。要消除地面傾斜度大對無人機的影響，可以選擇通過平臺起降或是選擇平坦的地面起降，考慮到輸電線路多處于郊外或山區(qū)，難以就近選擇合適的起降點，現(xiàn)有無人機技術(shù)無法使無人機保持長時間飛行，因此設(shè)計無人機起降平臺是解決問題的最佳方案。要消除地表障礙對無人機起降的影響，可以清掃地表障礙物或是設(shè)計制作高于地表障礙物的無人機起降輔助支架，考慮到工作現(xiàn)場地形復(fù)雜，清掃工作費時費力且難以達到理想效果，因此選擇設(shè)計制作高于地表障礙物的無人機起降輔助支架。要消除地面灰塵對無人機機載相機的影響，可以選擇防塵性好的相機、相機保護罩或是加裝防塵隔離板，考慮到成本與機載相機靈活性問題，選擇加裝防塵隔離板。

2.2 無人機起降/防塵平板

2.2.1 平板尺寸與合頁設(shè)計

現(xiàn)有2種型號的無人機機架橫撐長度分別為 50 cm和60 cm?？紤]到無人機起降活動裕度和輕便性，選擇制作長寬均為80 cm的平板作為起降輔助平臺，厚度不大于0.5 cm。為起到良好的防塵效果，選擇長寬均為90 cm的平板作為防塵隔板。為起到更好的效果，將防塵隔板與起降平臺有機結(jié)合，進行優(yōu)化設(shè)計，制作長寬均為90 cm的平板，起到起降平臺與防塵隔板作用。

為便于攜帶和運輸，將平板分解為2塊長為90 cm、寬為45 cm的平板，其中間用合頁進行連接。合頁作為平板的承重部件，需要足夠的承載力。合頁采用不易生銹、不易氧化、抗腐蝕性強的不銹鋼材料，厚度為3 mm，采用全鋼滾珠軸承，保證合頁開合順暢，采用加粗配套不銹鋼螺絲，保證合頁堅固性。為保證合頁安裝后兩塊平板不發(fā)生沖突或是產(chǎn)生較大縫隙，平板采用兩片頁板相對稱的合頁，并選用與合頁匹配的螺釘與緊固件［3］。

2.2.2 平板材料選擇

無人機起降平板的材料有3種選擇：木質(zhì)材料、碳纖維材料、亞克力材料。亞克力材料是一類人工制造的熱塑性有機合成材料，擁有優(yōu)秀的綜合性能，在現(xiàn)代工藝品、建材等行業(yè)應(yīng)用廣泛，同樣適用于無人機起降平臺的設(shè)計［4］。 亞克力平板密度為 1.18 g／cm3，質(zhì)量輕、攜帶輕便，便于使用后清潔與保養(yǎng)，綠色環(huán)保，擁有良好的耐磨性、耐熱性、耐腐蝕性，且易于加工制作，價格低廉，可減少生產(chǎn)成本，作為無人機起降平板材料選擇［5］。使用亞克力材料制作的可折疊平板如圖1所示。

圖1 亞克力材料可折疊平板

木質(zhì)平板密度為0.8 g／cm3，易于加工、便于攜帶且價格低廉，其易吸水變形，維護與保養(yǎng)不便，不作為無人機起降平板材料選擇。碳纖維材料密度可達2.0 g／cm3，是一種碳質(zhì)量分數(shù)在95%以上的高強度、高模量新型纖維材料，質(zhì)量輕強度高，耐腐蝕性、高模量，兼?zhèn)浼徔椑w維的柔軟可加工性，但由于價格過高，考慮到線路運維工作成本，不作為無人機起降平板材料選擇。

2.3 起降輔助支架

2.3.1 起降輔助支架尺寸設(shè)計

制作框架式起降支架，通過升高無人機起降高度，避免起降過程中螺旋槳誤碰地表障礙物。將無人機起降支架設(shè)計為帶有4個支撐腿的框架，為便于攜帶和運輸，框架設(shè)計為中間對折式，長為80 cm，寬為40 cm，高為5 cm，滿足2種型號的無人機機架橫撐長度分別為50 cm和60 cm的要求。起降支架的4個支撐腿腿可自由伸縮，可調(diào)式調(diào)節(jié)高度范圍為45～150 cm。起降支架設(shè)計尺寸如圖2所示。

圖2 起降輔助支架

2.3.2 起降輔助支架材料選擇

支架材料主要有3種選擇：鋁合金、碳素鋼與不銹鋼。鋁合金材料密度在2.58～2.90 g／cm3之間，強度高，具有一定抗腐蝕性能、良好機械性能及陽極反應(yīng)。因其制作工藝要求較高，不易加工，不做為輔助支架材料選擇。碳素鋼材料具有冶煉容易，工藝性好，價格便宜，產(chǎn)量大等優(yōu)點。因其密度為7.85 g／cm3，質(zhì)量重，且耐腐蝕性差，易銹蝕，不做為輔助支架材料選擇。

不銹鋼具有表面裝飾美觀、耐腐蝕性優(yōu)越、受環(huán)境的制約較少、耐氧化性和耐熱性較好等優(yōu)點。不銹鋼的表面在受到外來物體的損傷后，氧化膜會被破壞，但是不銹鋼材料會在幾分鐘至數(shù)小時以內(nèi)在損傷的表面上形成新的氧化膜，所以不銹鋼材料在使用過程中能持續(xù)產(chǎn)生防腐效果。不銹鋼韌性、強度和塑性高，易加工，價格偏高但在可以承受的范圍內(nèi)，作為輔助支架的材料選擇。使用不銹鋼材料制作的輔助支架如圖3所示。

圖3 起降輔助支架整體圖

2.4 起降輔助平臺

將起降／防塵平板和輔助支架有機整合，并將現(xiàn)有的折疊式平板增加一定面積，實現(xiàn)防塵功能。平臺部分可供無人機進行起降，同時起到隔離揚塵的作用；支撐部分選取無人機起降機架，通過高度的自由調(diào)節(jié)對地面障礙物進行躲避，確保提供平穩(wěn)安全的起降平面。將折疊式平板和無人機起降支架結(jié)合成無人機起降平臺。

將無人機起降輔助平臺在500 kV線路實訓(xùn)基地進行無人機巡檢模擬實驗。經(jīng)20次起降，地面傾斜度大于10°時平臺性能平穩(wěn)，能夠避開地表障礙物，未出現(xiàn)螺旋槳斷裂情況?，F(xiàn)場拍攝800張照片，清晰度100%。無人機起降平臺符合Q／GDW 11399—2015《架空輸電線路無人機巡檢作業(yè)安全工作規(guī)程》作業(yè)要求。

圖4 起降平臺外觀結(jié)構(gòu)

圖5 起降輔助平臺現(xiàn)場試驗

3 結(jié)語

無人機起降輔助平臺的使用有效改善了多旋翼無人機在輸電線路巡檢中的故障率，制作的起降平臺通用性強，適用于目前多種類型旋翼無人機巡檢作業(yè)的起降工作，大大降低無人機故障率。多旋翼無人機故障率的降低，減少了無人機設(shè)備的維護維修時間，提高了輸電線路的巡視效率，保障了輸電線路的安全運行，為促進社會和諧做了貢獻。