車載多旋翼無人機(jī)充電裝置＊

李宇琪，楊榮乾，徐丙州

（武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

1 項(xiàng)目背景及研究意義

目前，我國輸電線路分布范圍廣，所處環(huán)境較為惡劣，人工巡檢線路這種巡線方式的人員工作強(qiáng)度大、工作條件差、工作效率低而且存在人身安全的風(fēng)險(xiǎn)。此外，近些年來小型飛行器技術(shù)迅速發(fā)展，目前的多旋翼無人機(jī)機(jī)動(dòng)靈活、懸停穩(wěn)定性好且便于操控，正在逐漸取代人工巡檢的方式。但是，目前現(xiàn)階段的多旋翼無人機(jī)由于受電池容量的限制，巡航時(shí)間一般在15～20 min。盡管目前已經(jīng)有很多關(guān)于巡航線路優(yōu)化的研究，但無人機(jī)的續(xù)航時(shí)間依舊不夠理想。

現(xiàn)有的充電方式有以下兩種：①移動(dòng)設(shè)施供電的無線充電板。配備受電裝置的無人機(jī)降落到無線充電基座上進(jìn)行充電，優(yōu)點(diǎn)是定位較為簡單，降落容易；缺點(diǎn)是充電效率低、充電時(shí)間長、供電裝置受工作環(huán)境的限制。②太陽能供電的無線充電裝置。這種裝置與上一種相比，受環(huán)境、天氣的限制更加明顯。

多旋翼無人機(jī)由于其靈活性和穩(wěn)定性，所獲取圖像的精度較高，因此可以對線路進(jìn)行精細(xì)檢查。但其結(jié)構(gòu)也決定了它的電池系統(tǒng)不能太大，因此續(xù)航時(shí)間受到了很大限制，每次只能巡檢一兩個(gè)塔，巡檢效率不盡人意。基于以上現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一個(gè)可固定于車頂?shù)某潆娧b置，以期增加無人機(jī)的飛行時(shí)間，提高其工作效率。

2 項(xiàng)目的創(chuàng)新之處

項(xiàng)目的創(chuàng)新之處主要有：①將裝置的安裝位置設(shè)置在汽車的頂部，電力獲取方便，靈活性強(qiáng)。在汽車趕往下一塔桿區(qū)域時(shí)，無人機(jī)可以停留在車頂進(jìn)行充電，高效利用時(shí)間。②采用傳統(tǒng)的接觸式充電方式，充電時(shí)間短、效率高。發(fā)熱量小，安全性和穩(wěn)定性較高，同時(shí)也減少了無線充電對輸電線路所造成的電磁影響。③采用“桿-錐”式對接裝置結(jié)構(gòu)，解決無人機(jī)充電時(shí)的定位問題，使充電過程更加快捷方便。④鎖緊齒采用上下觸碰開關(guān)的方式，使無人機(jī)插入孔內(nèi)時(shí)鎖緊；向上飛行離開時(shí)收縮，使無人機(jī)順利離開。⑤底盤處安裝有永磁鐵，進(jìn)一步固定無人機(jī)，同時(shí)也對無人機(jī)的穩(wěn)定降落起輔助作用。

3 項(xiàng)目的研究內(nèi)容和研究目標(biāo)

本項(xiàng)目以應(yīng)用創(chuàng)新、結(jié)構(gòu)創(chuàng)新和功能創(chuàng)新為切入點(diǎn)，根據(jù)現(xiàn)有的無人機(jī)充電設(shè)備無法達(dá)到高效快速準(zhǔn)確充電的問題，利用“桿-錐”對接裝置來實(shí)現(xiàn)擴(kuò)大對接范圍、降低對接難度的效果。本項(xiàng)目主要包括機(jī)械結(jié)構(gòu)部分、電路控制部分，機(jī)械結(jié)構(gòu)部分主要有連接于無人機(jī)底部的桿狀充電插頭、連于車頂上的充電樁、充電樁內(nèi)的自動(dòng)開關(guān)解鎖裝置；電路控制部分主要包括上下兩部分接觸位置的充電模塊。

裝置作為一個(gè)整體，要使整體能正常工作需要合理的結(jié)構(gòu)將它們結(jié)合起來。項(xiàng)目的具體設(shè)計(jì)內(nèi)容如下：①設(shè)計(jì)合理的云臺(tái)結(jié)構(gòu)，保證無人機(jī)下落充電時(shí)攝像設(shè)備不會(huì)與充電樁相碰撞。②合理設(shè)計(jì)充電桿的直徑、長度以及材料，在保證良好導(dǎo)電性的同時(shí)，其強(qiáng)度能夠承受下落時(shí)的沖擊力。③設(shè)計(jì)合理的上線兩部分的錐面形狀，使上充電桿只要落入下錐面就能順利滑入充電卡槽內(nèi)。通過實(shí)驗(yàn)確定圓形卡槽的尺寸、長度，確保充電時(shí)卡緊，防止風(fēng)力將充電桿破壞。④合理設(shè)置電力來源，與汽車線路準(zhǔn)確連接，保證其安全性。⑤對自鎖齒進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)下落時(shí)將充電桿鎖緊；離開時(shí)充電桿向上頂，出發(fā)自鎖齒收縮，使無人機(jī)順利離開。

4 項(xiàng)目研究的實(shí)施方案及擬采取研究方法和技術(shù)路線

該項(xiàng)目主要是解決無人機(jī)在長距離巡檢線路時(shí)的續(xù)航問題，而解決續(xù)航問題的方法是當(dāng)無人機(jī)的電量使用至少達(dá)30%以上時(shí)再進(jìn)行充電。

由此項(xiàng)目背景中現(xiàn)有的充電方式可以知道，目前的無人機(jī)充電方式主要存在以下幾個(gè)問題：①受工作環(huán)境的影響較大。②連接式充電的無人機(jī)與充電裝置之間連接不太準(zhǔn)確。③無線充電的充電效率低、成本高，且由于高壓輸電線周圍磁場較強(qiáng)，會(huì)對無線充電器產(chǎn)生一定的影響。

因此，多旋翼巡線無人機(jī)的充電相對而言還是連接式充電占更大優(yōu)勢，因此，如何實(shí)現(xiàn)其準(zhǔn)確定位便成了亟待解決的問題。本裝置采用“桿-錐”式連接裝置，這種連接方式可以降低飛行器的定位精度，擴(kuò)大降落范圍，保證無人機(jī)的充電桿只要落到充電樁的錐面上，便能依靠裝置的巧妙結(jié)構(gòu)滑入充電卡槽中。此外，在底板下方布置永磁鐵，將無人機(jī)緊緊吸附在底盤上，防止無人機(jī)移動(dòng)。裝置的主要結(jié)構(gòu)主要有以下幾點(diǎn)。

4.1 上半桿部分

本作品的充電桿位于無人機(jī)云臺(tái)下端、攝像裝備的后部，這樣可以避免阻礙攝像頭的視線，同時(shí)也防止無人機(jī)下落充電時(shí)攝像設(shè)備與充電樁之間發(fā)生碰撞。充電裝置的上半部分整體為桿狀，桿的末端為圓臺(tái)形，圓錐面以及圓臺(tái)表面上有薄銅片。當(dāng)充電桿進(jìn)入卡槽后，由于重力的作用，兩部分的銅片相互接觸，進(jìn)行充電。桿末端的圓錐面以及拐角處的圓角能夠幫助桿端與充電座的圓錐面接觸后，無人機(jī)借助下落的沖擊力順利滑入卡槽中。此外，裝置除圓錐端以外的部分應(yīng)用絕緣材料進(jìn)行包裹，以保證其安全性與耐用性，防止漏電。除此之外，桿的中部還設(shè)計(jì)有自動(dòng)扶正防抖的機(jī)械裝置，該裝置整體為環(huán)形，固連于桿的中部，裝置周圍有小滑輪，保證桿能夠順利向下滑落。小滑輪通過一根可以轉(zhuǎn)動(dòng)的小桿連接于充電桿上，小桿有彈簧與充電桿連接，使之能起到緩沖、穩(wěn)定充電桿的作用。

4.2 下半底座部分

下半部分整體呈柱狀，固連于汽車頂部上，有電線從汽車電源引出，經(jīng)變壓整流等一系列處理后到達(dá)充電末端，該部分的整體性質(zhì)相當(dāng)于插座。底盤部分使用螺栓與車頂相連接，底盤內(nèi)部有永磁鐵，使無人機(jī)停放在裝置上時(shí)更加穩(wěn)定，同時(shí)也有利于無人機(jī)降落時(shí)的定位。充電樁頂部為充電部分，頂端有一圓錐面，圓錐面的底部為充電卡槽，當(dāng)充電桿落入其內(nèi)部后，充電開始。

圓柱形卡槽與圓錐面的相交處有自鎖齒，其具體結(jié)構(gòu)如下：在圓錐面的收口處有4個(gè)自鎖裝置，4個(gè)齒狀頂塊后有小彈簧，當(dāng)帶錐面的桿端落下時(shí)會(huì)推動(dòng)頂塊擠壓彈簧，頂塊向后移動(dòng)，充電桿向下落入充電卡槽內(nèi)。當(dāng)充電桿完全進(jìn)入開槽內(nèi)部后，彈簧推動(dòng)頂塊向前移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)自鎖。除此之外，充電樁中部以及底部為中空設(shè)計(jì)，輸電線從中穿過。而中部以及底部的外壁由絕緣材質(zhì)組成，提高充電裝置的安全系數(shù)。本裝置擁有較強(qiáng)的靈活性，長時(shí)間不用時(shí)可以拆下，短時(shí)間不用時(shí)可以使用防水布遮住。

4.3 電力來源

本裝置的電力來源于汽車，由于裝置的位置位于車頂，因此要合理設(shè)計(jì)線路的布局，盡量在汽車原有線路上進(jìn)行改接，使之合理、美觀、安全。目前汽車外接電源等技術(shù)已較為成熟，本裝置需做出電源接口。

5 項(xiàng)目的研究基礎(chǔ)和可行性分析

5.1 效益分析

根據(jù)直升機(jī)廠家數(shù)據(jù)，以目前我國國內(nèi)機(jī)型數(shù)量最多的R22小型直升機(jī)為例，每小時(shí)的直接飛行成本約為329.87元。多旋翼無人機(jī)巡檢一個(gè)塔桿約耗時(shí)5～8 min，成本約為5.28元。因此，以每巡檢一個(gè)塔桿為例，多旋翼無人機(jī)約節(jié)省成本329.87元。

5.2 可行性分析

現(xiàn)有的多旋翼無人機(jī)結(jié)構(gòu)決定了其飛行時(shí)間不會(huì)太長，因此在其飛行路線上進(jìn)行充電是解決其續(xù)航能力的較為有效、安全的方法。通過車頂上的充電裝置對無人機(jī)進(jìn)行充電，增加其巡檢距離，在汽車在各個(gè)塔桿之間轉(zhuǎn)移的時(shí)侯對無人機(jī)進(jìn)行充電，節(jié)約下來的時(shí)間可用到線路維護(hù)上，線路安全也將得到提高。

現(xiàn)有的用于巡檢電力線路的多旋翼無人機(jī)在充滿電的情況下可以工作10～15 min，對于檔距為200多米的廊道，采用多旋翼無人機(jī)只需要5～8 min即可完成巡檢。而人工巡檢則需要花費(fèi)40～60 min，且人工巡檢如果要檢測塔桿上的具體情況，需要爬上高高的塔桿，還要受高壓電的威脅。因此，用無人機(jī)一次巡檢多個(gè)塔桿可以大大提高工人的巡線效率，同時(shí)也保證了工人的人身安全，減少了體力勞動(dòng)。