無人機全自動展放引線系統(tǒng)的開發(fā)與應用

羅 旻, 周 萌

(1.中國地質(zhì)大學(武漢) 機械與電子信息學院，武漢 430074;2.上海極鷹智能科技有限公司，上海 200240)

0 引 言

架線施工是輸配電線路中最關鍵的工序之一，傳統(tǒng)的架線施工或是采用人拉肩扛的地面拖拽方法，或是采用簡易的的絞磨機等傳統(tǒng)機械設備來完成。架線施工中還存在不少的高空作業(yè)，如緊線、滑車閉鎖、絕緣子連接等，這些高空作業(yè)均具有一定的危險性。而且當施工段需要跨越高速公路、河道、建筑物或者人口密集區(qū)域時，如果還是靠傳統(tǒng)的人工架線方式，將面臨道路、河道封航的問題，不僅給施工帶來麻煩，也給周邊環(huán)境帶來一定的負面影響。為避免道路封航、繞過障礙物，就必須得采用跨越架線?？缭郊芫€時，如何在不封航的情況下，順利將導線從跨越架的一側隔空傳送到另一側，成為跨越架線施工的一個難題。

無人機(Unmanned Aerial Vehicle, UAV)技術經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)逐漸成熟[1][8-9][13-15]。由于無人機具有結構簡單、成本低、易操縱以及小巧靈活的特點，人們自然將其引入到架線施工中加以應用[2-7][10-12]。盡管目前無人機技術在各個行業(yè)的應用非?；馃幔诳罩姓狗艑б€使用過程中就發(fā)現(xiàn)，無人機用于引線展放還存在不少問題，主要表現(xiàn)在無人機操作難、穩(wěn)定性不高。①引線展放過程中操作人員需要非常熟練才能實現(xiàn)無人機平穩(wěn)起飛和降落。②無人機在空中定位比較難、操作還很復雜，抗風能力也不高。實際空中飛行和懸停穩(wěn)定性不高。③引線很難精準的進入放線滑車。實際操作中仍需要人工抓取引線，放線效率不高。

針對傳統(tǒng)施工方式存在的一些弊端和現(xiàn)有無人機架線的不足，為了進一步提高電網(wǎng)施工的高效性，縮短施工時間，保證施工安全，提高經(jīng)濟效益，踐行建設環(huán)境友好型、資源節(jié)約型電網(wǎng)的發(fā)展理念，則開展了全自動展放引線無人機系統(tǒng)的開發(fā)與應用研究[16]。

1 國內(nèi)外研究水平綜述

UAV是一種由無線遙控設備或其他控制器操縱的無人駕駛飛行器。它不需要飛行員在機艙內(nèi)進行駕駛，只需通過控制系統(tǒng)的配置，飛行過程便可由飛行控制程序自動進行。無人機機身上不用安裝任何與飛行員有關的設備，這樣就能有效地節(jié)省和利用空間裝載應用設備以完成各種作業(yè)任務。無人機系統(tǒng)一般由機身、動力系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)、機載設備、傳感器、地面工作站六大部分組成。

20世紀末至今，無人機技術在歐美、日本以及以色列等國家經(jīng)過3次發(fā)展浪潮，已由早期的簡單模式逐步朝著模塊化、標準化、多樣化和系列化的趨勢發(fā)展，目前無人機技術已經(jīng)在軍事、商業(yè)、民用等各個領域均得到廣泛應用。

例如美國國家海洋和大氣管理局用無人機追蹤熱帶風暴有關數(shù)據(jù)，借此完善颶風預警模型；2007年森林大火肆虐時，美國宇航局使用“伊哈納”(Ikhana)的無人機來評估大火的嚴重程度，以及災害的損失估算工作；2011年墨西哥灣鉆井平臺爆炸后艾倫實驗室公司的無人機協(xié)助溢油監(jiān)測和溢油處理等。

以色列也專門組建了一個民用無人機及其工作模式的試驗委員會，2008年給予“蒼鷺”無人機非軍事任務執(zhí)行證書，并與有關部門合作展開多種民用任務的試驗飛行。

我國的無人機技術近些年發(fā)展也十分迅速，專為民用研制的“黔中1號”無人機于2010年順利首飛，2011年國產(chǎn)“蜜蜂28”無人機實現(xiàn)全自主起飛、著陸、懸停和航路規(guī)劃，并被應用于農(nóng)業(yè)噴灑、防災應急、航拍測繪、中繼通信等領域。在電力領域，無人機技術已被廣泛用于電力GIS數(shù)據(jù)采集和輸電線路巡檢工作。

(1) 電力GIS數(shù)據(jù)采集。傳統(tǒng)的電力GIS數(shù)據(jù)采集需要大量的測量人員帶著專業(yè)的測繪設備到現(xiàn)場去進行實地測繪，野外工作環(huán)境艱苦，工作效率不高。所有的數(shù)據(jù)都需要外業(yè)人員到現(xiàn)場才能采集。隨著影像信息技術的快速發(fā)展，借助無人機進行高分辨率的航拍影像已經(jīng)能夠清晰分辨出地面的各種電力設施，再結合專業(yè)的地物分類軟件系統(tǒng)，就可以自動從高清影像中提取所需要的信息。這就是I2I技術“從多維影像到空間地理信息(Images To Information)”。

(2) 輸電線路巡檢。隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，社會對電力資源提出了巨大需求。為滿足這種需求，國家電網(wǎng)正進行超高壓大容量電力線路大幅擴建。宏觀上，電力線路大幅擴建，線路將穿越各種復雜地形，傳統(tǒng)人工巡線方式工作量大，效率低，如何解決電力線路檢測的精度和效率，是困擾電力行業(yè)的重大難題。而通過旋翼和固定翼無人機聯(lián)合巡檢系統(tǒng)，即可實現(xiàn)對輸電線路走廊的大范圍快速普查，又可高效獲取高清晰度線路設備照片，清晰分辨出常見輸電線路的缺陷，大大增強輸電線路巡檢效率，為現(xiàn)代化輸電線路維護工作提供了一種先進、有實用價值的技術手段。據(jù)統(tǒng)計分析，人工地面巡視的經(jīng)濟成本，山地森林為4.43萬元/百公里，平原為2.64萬元/百公里，載人飛機巡線經(jīng)濟成本約為6萬元 /百公里，而無人機巡檢經(jīng)濟成本約為2萬元/百公里。顯而易見，山區(qū)和森林線路采用無人機巡視經(jīng)濟性相對較好，也避免了人身安全問題影響。無人機巡檢系統(tǒng)具有應急啟動快，巡檢效率高，成本低，機動靈活，便于遠程控制等特點。

(3) 無人機架線。在輸電線路施工過程中，線路走廊長、地形情況復雜，線路所經(jīng)地區(qū)山谷河流茂密森林，給線路架設帶來極大不便，工程實施困難重重。為有效緩解生態(tài)環(huán)境保護和架線施工的矛盾，可運用無人機展放導引繩來架設線路。無人機首先沿線路上空飛行并施放一根輕質(zhì)高強引繩通過各基塔，然后利用這根輕質(zhì)引繩不斷牽引后續(xù)引繩，直至牽通一根三級引繩，并架設導線。通過這種方式，解決了人力展放導引繩的高強度和動力傘展放導引繩著陸困難等問題，也減少了線路通道的樹木砍伐，最大限度地保護了自然生態(tài)。

2 無人機全自動展放引線的系統(tǒng)設計

無人機全自動展放引線系統(tǒng)主要由無人機展放引線(導引繩)并由張力機控制導線展放。引線展放開始前，地面施工人員將較細的初級引線的一端與無人機相連，另一端則通過網(wǎng)套式連接器與較粗的次級引線連接，并最終與導線相連。引線展放開始時，地面操作人員控制無人機帶著引線起飛，在地面小型放線器的配合下，無人機將初級引線展放到放線滑車上，并帶著引線到達牽引機。

引線展放完畢后，張力機配合牽引設備進行初級導引繩的收線；在此過程中初級導引繩逐漸被次級牽引繩所代替，張力機可以控制張力大小在一定范圍內(nèi)以維持弧垂在合理范圍內(nèi)。

無人機全自動展放引線系統(tǒng)可以實現(xiàn)無人機攜帶初級引導繩，按指定路線升空并到達指定點懸停并精準的將引線放置于放線滑車上，并通過智能滑車自動識別導引線和自動閉鎖，從而極大降低人工跨越架線的難度，節(jié)省了高空作業(yè)的時間，降低了作業(yè)風險。

(1) 無人機系統(tǒng)的飛行控制原理。在地面操控人員的遙控器的操控或地面站的程序控制下，無人機系統(tǒng)接收來自地面的飛行指令，機身上的飛控系統(tǒng)通過內(nèi)部核心程序和算法將飛行指令轉換為各電動機的轉速和旋轉信息，并通過電子調(diào)速器控制電機的轉動，從而實現(xiàn)飛機航向或姿態(tài)調(diào)整和懸停。

同時機身上裝載的各種傳感器還會實時監(jiān)控飛機飛行狀態(tài)和位置、姿態(tài)信息，由飛控系統(tǒng)對飛機的飛行進行實時調(diào)整；云臺搭載攝像機還可以拍攝飛行畫面，并通過圖傳設備在地面顯示。無人機系統(tǒng)的簡單飛行原理見圖1。

(2) 無人機型式選擇。目前常用的無人機有多旋翼無人機、固定翼無人機和直升飛機，而多旋翼無人機相比之下具有以下一些明顯的優(yōu)點：①操控簡單。多旋翼無人機不需要跑道便可以垂直起降，起飛后可在空中懸停。操控原理簡單，通過遙控器搖桿操控可實現(xiàn)無人機前后、左右、上下和偏航方向的運動。在自動駕駛儀方面，多旋翼自駕議控制方法簡單，控制器參數(shù)調(diào)節(jié)也很簡單。而固定翼和直升飛機的飛行較復雜。固定翼無人機飛行場地要求開闊，而直升機飛行過程中會產(chǎn)生通道間耦合，自駕儀控制器設計困難，控制器調(diào)節(jié)也很困難。②可靠性高。多旋翼無人機沒有活動部件，其可靠性基本上取決于無刷電動機的可靠性，因此可靠性較高。而且多旋翼無人機能夠懸停，飛行范圍受控，相對更安全。③部件更換容易，轉場運輸更方便。多旋翼無人機結構簡單，電機、電調(diào)、螺旋槳等均已有通用化、系列化產(chǎn)品，更換方便。其機架通常做成可折疊式，機架收起后體積小容易攜帶。

圖1 無人機飛行原理圖

基于以上這些明顯的優(yōu)點，多旋翼無人機更適宜在架線施工中推廣使用，采用多旋翼無人機展放引線。

(3) 全自動展放引線無人機配置。通過對無人機引線過程的環(huán)境荷載、抗風能力、智能化的要求分析，最終選用的全自動展放引線的無人機如圖2所示。

圖2 全自動展放引線無人機

基本指標：六旋翼，軸距1 133 mm，最大起飛重量15 kg，可在海拔2 500 m以下工作(通過更換高海拔專用螺旋槳最高可在海拔4 000 m工作)

特性1：高效的動力系統(tǒng)。抗六級風;最大有效載荷6 kg;空載懸停35 min，滿載懸停16 min。

特性2：便攜。收納于750×650×700 mm航空鋁箱內(nèi)，全重35 kg，包括無人機、遙控器、平板電腦、一組電池、充電保姆以及必要的線材附件?？梢灶~外存放兩組備用電池，每一組重量為3.6 kg。

特性3：安全性。阻水設計，可在小雨中飛行;三冗余導航姿控單元;在線故障診斷;動力失效保護(在失去一軸動力時仍能保持不墜機);信號丟失、電量不足時自動返航;天地數(shù)據(jù)通訊鏈路最遠可達7 km(無遮擋)。

(4) 引線自動脫鉤機構。無人機機載設備中需特別設計一個引線掛鉤，用于牽引引線。當引線展放完畢后，通過無人機全自動展放引線APP發(fā)送脫鉤指令，掛鉤自動脫開，引線在自重作用下與無人機分離。

(5) 智能滑輪。之前的無人機展放引線，引線進入滑輪都是靠人工操作。通過對現(xiàn)有滑輪的智能化改造，在滑輪上設置有GPS定位、引線感應開關和自動閉鎖裝置。全自動展放引線無人機根據(jù)智能滑輪上的GPS位置設置航點，當無人機帶著引線到達滑輪附件時，感應開關感應到引線進入滑輪后，自動閉鎖裝置啟動關閉滑輪。

(6) 無人機全自動展放引線系統(tǒng)控制軟件(見圖3)。在每一根線桿滑車上安裝GPS模塊，在地面上建立一個統(tǒng)一的GPS接收端，接收端可以同時接收多個線桿滑輪處的經(jīng)緯度。采用藍牙無線傳輸模塊，可以將接收端接收到的多個滑車經(jīng)緯度傳輸?shù)紸PP上。

基于自主開發(fā)的APP，當?shù)孛嬲灸軌颢@取到線桿滑車的經(jīng)緯度(航點)，就可以控制無人機一鍵起飛，自動完成整個航點的飛行。

無人機由引線舵機帶著引線，一鍵起飛后，沿著規(guī)劃的路徑飛行，在指定的航點(智能滑輪附近)懸停，智能滑輪識別引線進入滑輪后，智能滑輪自動閉鎖，無人機繼續(xù)飛向下一個航點。完成所有航點任務后，無人機到達牽引機附近，引線舵機自動脫鉤釋放引線，并執(zhí)行一鍵返回任務。

圖3 全自動展放引線無人機操作控制軟件

全自動展放引線無人機操作控制軟件(APP)特點：①簡單易用，一鍵操作；②飛行器狀態(tài)反饋，簡單明了；③可擴展性，方便擴展其它子系統(tǒng)。如牽張協(xié)同作業(yè)子系統(tǒng)，方便擴展其它功能。如圖像識別、張力架線作業(yè)過程監(jiān)視、電力巡檢等。

全自動展放引線無人機操作控制軟件(APP)主要功能包括：

主要功能1：航點飛行。①坐標輸入。在已知目的點經(jīng)緯度的情況下，手動輸入坐標并傳送給飛行器執(zhí)行。②指點飛行。直接在地圖上選取目標點并執(zhí)行。③自動獲取。與智能滑輪進行通訊并獲取坐標，隨后自動規(guī)劃并執(zhí)行航線。

主要功能2：高清圖傳。①增穩(wěn)云臺。云臺有增穩(wěn)功能，使得拍攝的畫面可以不受飛行器姿態(tài)的影響，拍攝穩(wěn)定清晰的圖像。②高清變焦攝像頭。3.5倍光學變焦，最大支持4K60P的圖像輸出?？梢匀啼浵癫Υ嬖趕d卡內(nèi)。③實時調(diào)整云臺參數(shù)。拍攝角度可以隨時調(diào)整。④良好的工作距離和抗干擾特性。開闊地區(qū)最遠7 km。

主要功能3：飛行狀態(tài)實時監(jiān)控。①實時顯示飛行器導航數(shù)據(jù)。飛行器坐標(在地圖上顯示)、水平和垂直速度、高度、水平距離。②電池電量。③各種異常。包括通信鏈路異常、羅盤干擾、GPS偏差大，動力失效等各種故障。

3 無人機全自動展放引線的工程應用

(1) 試驗場地測試。無人機自動展放引線系統(tǒng)調(diào)試好后，在校園內(nèi)空曠的場地上進行了多次試飛，在架線專屬APP上點擊執(zhí)行命令，無人機自動飛向滑車，引線經(jīng)過滑輪的時候，智能滑車自動感應，并執(zhí)行閉鎖命令。圖4是校園測試場地試飛。

圖4 校園測試

(2) 模擬施工場地測試。經(jīng)過多次的反復試飛測試，整個自動展放引線無人機系統(tǒng)趨于成熟。在實際工程應用之前，選擇了一個施工場地，進行了模擬架線。當工作人員打開架線專屬APP，無人機自動獲取到線桿航點，點擊執(zhí)行命令，無人機帶著引線，自動飛向滑車，引線進入滑車后，智能滑車自動閉鎖，操作人員點擊釋放引線命令，引線自動從脫鉤器中脫落，并自動返航，完成整個模擬架線任務。圖5是現(xiàn)場模擬架線。

(3) 工程實例。某線路#45桿至#11-3桿線路移位，拆除線路3檔，新放線路3檔。

為了減少對周邊道路的影響，采用全自動展放引線無人機展放A相初級導引繩，然后將網(wǎng)套連接單頭將初級導引繩與導線連接，同時再用旋轉環(huán)連帶一根C相初級導引繩，利用牽張設備牽引‘導線’和C相初級導引繩，依次展放A、C、B三相絕緣導線，完成線路外移搬遷的架線施工。放線過程中，初級導引繩、絕緣導線的展放高度始終保持在離地8 m以上，即垂弧點高程不低于8 m，符合配電線路運行規(guī)定。

工程采用張力放線，全過程引繩及導線不落地展放，能夠保證跨越施工的安全性。作業(yè)期間能連續(xù)完成導線的展放，通過兩側的張力機與牽引機進行錨固。具體的施工流程如下：

全自動展放引線無人機將放線所用導引繩與無人飛行器連接在一起，通過無人飛行器牽引，將導引繩引至放線段電桿的一種配電線路施工方案。首先，將智能滑輪安裝在線桿上，無人機全自動展放引線系統(tǒng)控制軟件(APP)根據(jù)滑輪的GPS定位設置航點，無人機牽引導引線按規(guī)劃好的任務飛行，引線自動進入滑輪，滑輪自動閉鎖，無人機完成展放引線任務后引線自動脫鉤。全自動展放引線無人機現(xiàn)場施工相片如圖6所示。

圖6 全自動展放引線無人機現(xiàn)場施工相片

采用全自動展放引線無人機牽引導線是非常成熟的一種新工藝，不僅保證了初級引繩的不落地，也保護了施工區(qū)域的綠化和道路的正常通行，大大縮短了工期、節(jié)約了成本。該工藝在高壓線跨越航道、鐵路、高速公路等節(jié)點工程得到廣泛應用。

4 結 語

通過合理的無人機系統(tǒng)配置、先進的控制算法和飛行策略，并針對放線任務施以個性化定制，配置了一臺可以實現(xiàn)一鍵起飛一鍵返回、穩(wěn)定性較好、操作方便的全自動展放引線的無人機；開發(fā)了一套由無人機全自動展放引線系統(tǒng)控制軟件APP；結合實際工程，將全自動展放引線的無人機及其控制軟件APP應用于實際工程，取得了良好效果。實現(xiàn)無人機全自動展放引線，盡可能少的依賴人的操作，從而實現(xiàn)無人機自主飛行，全自動完成展放引線任務。大大提高了架線施工的施工效率，降低了施工作業(yè)工時，保證了穩(wěn)定、高效、安全的作業(yè)要求。