無人機(jī)載配網(wǎng)驗(yàn)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄭曉軍 董金水 劉鵬 吳飛

【摘?要】在高壓線路檢修過程中，針對(duì)普遍存在的安全距離判斷不準(zhǔn)和違規(guī)驗(yàn)電問題，提出一種以無人機(jī)為載體的配網(wǎng)驗(yàn)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用二維云平臺(tái)控制驗(yàn)電桿的動(dòng)作和方向，應(yīng)用多種傳感融合技術(shù)判斷和記錄驗(yàn)電過程，設(shè)計(jì)高絕緣性、可伸縮驗(yàn)電桿系統(tǒng)，結(jié)合無人機(jī)和無線遙控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了智能化、安全性高的無人驗(yàn)電過程。

【關(guān)鍵詞】驗(yàn)電系統(tǒng);無人機(jī);多傳感器融合;智能化

1 引言

高壓驗(yàn)電是保證安全的技術(shù)措施之一，是架空配電線路檢修工作的第一步，很多線路人身安全事故都是當(dāng)事人沒有判斷清楚線路帶電情況而導(dǎo)致自身觸電[1]。目前系統(tǒng)內(nèi)線路檢修工作都是在登桿后才進(jìn)行驗(yàn)電，這就導(dǎo)致登桿人員只能通過肉眼判斷自己與線路之間的安全距離，而科學(xué)分析得出人眼對(duì)距離的判斷是最不可靠的，極易因?yàn)榘踩嚯x判斷不準(zhǔn)而造成觸電[2，3]。線路檢修作業(yè)是在工作負(fù)責(zé)人收到調(diào)度指令具備檢修條件后開始安排人員登桿，驗(yàn)電需要登桿到一定的高度后進(jìn)行，而很多作業(yè)人員不愿在登桿的途中停頓下來進(jìn)行驗(yàn)電，主觀認(rèn)為線路是否帶電是經(jīng)過調(diào)度、負(fù)責(zé)人多重確認(rèn)過的，中途驗(yàn)電是多余操作，所以大多數(shù)檢修人員登桿后忽略了驗(yàn)電這一步重要步驟，導(dǎo)致造成觸電事故[4，5]。

針對(duì)普遍存在的安全距離判斷不準(zhǔn)和違規(guī)驗(yàn)電問題，設(shè)計(jì)了一種無人機(jī)載配網(wǎng)驗(yàn)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用二維云平臺(tái)控制驗(yàn)電桿的動(dòng)作和方向，應(yīng)用多種傳感融合技術(shù)判斷和記錄驗(yàn)電過程，設(shè)計(jì)高絕緣性、可伸縮驗(yàn)電桿系統(tǒng)，結(jié)合無人機(jī)和無線遙控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了智能化、安全性高的無人驗(yàn)電過程。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)由無人機(jī)、控制云臺(tái)、驗(yàn)電裝置、遙控裝置組成，如圖1所示。控制云臺(tái)由輕便的亞克力板搭建，用于安裝和固定傳感器、舵機(jī)、電路板、鋰電池。亞克力板之間用尼龍立柱鏈接和支撐。

亞克力平板1用于固定和支撐整個(gè)云臺(tái)。小扭矩舵機(jī)整體由亞克力平板2固定并連接到軸承轉(zhuǎn)盤的外圈，如圖2所示。

小扭矩舵機(jī)的轉(zhuǎn)軸由連接盤固定在亞克力平板3，亞克力平板3與軸承轉(zhuǎn)盤內(nèi)圈連接，同時(shí)亞克力平板3與大扭矩舵機(jī)整體通過支架1連接。這樣可以當(dāng)小扭矩舵機(jī)上電轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)軸承轉(zhuǎn)盤內(nèi)圈轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)大扭矩舵機(jī)整體的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

大扭矩舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸通過支架2與亞克力平板4連接，亞克力平板4固定有激光測距傳感器和攝像頭，環(huán)氧樹脂桿通過固定螺柱與支架2連接。這樣，大扭矩舵機(jī)上電轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)平板4上安裝固定的激光測距傳感器，攝像頭，環(huán)氧樹脂桿進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，如圖3所示。

驗(yàn)電裝置由環(huán)氧樹脂桿和固定在桿上的驗(yàn)電器組成，測距顯示屏和激光接收器安裝在桿上。激光接收器正對(duì)著驗(yàn)電器的紅色小燈，測距顯示屏正對(duì)著攝像頭，并保證在攝像頭的視野之內(nèi)。

云臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，如圖4所示。整個(gè)系統(tǒng)由鋰電池供電，單片機(jī)系統(tǒng)作為控制中心。wifi模塊接收到遙控裝置的信號(hào)發(fā)送給單片機(jī)系統(tǒng)，單片機(jī)系統(tǒng)發(fā)送信號(hào)給舵機(jī)控制器用以控制兩個(gè)舵機(jī)。攝像頭將驗(yàn)電裝置的圖像發(fā)送給單片機(jī)系統(tǒng)，并由WiFi模塊傳輸給遙控裝置。激光測距傳感器用于測量驗(yàn)電環(huán)與無人機(jī)的距離，將測量信號(hào)傳輸給單片機(jī)，并由單片機(jī)通過測距顯示屏顯示。激光接收器用以接收驗(yàn)電器的紅色小燈，當(dāng)紅色小燈閃爍，激光接收器將信號(hào)傳輸給單片機(jī)系統(tǒng)，并通過單片機(jī)控制聲光報(bào)警器進(jìn)行報(bào)警，聲光報(bào)警器安裝在無人機(jī)下方，便于操控人員進(jìn)行觀察。

遙控裝置如圖5所示。由單片機(jī)系統(tǒng)、旋鈕電位器、wifi模塊、攝像頭顯示屏、鋰電池構(gòu)成。旋鈕電位器輸入信號(hào)給單片機(jī)系統(tǒng)，單片機(jī)系統(tǒng)將信號(hào)通過wifi模塊發(fā)送給云臺(tái)控制系統(tǒng)，用以控制兩個(gè)舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，云臺(tái)控制系統(tǒng)通過wifi將攝像頭信息發(fā)送回遙控裝置，通過攝像頭顯示屏觀察驗(yàn)電桿的接觸過程，同時(shí)視野里顯示測距顯示屏的距離數(shù)字信息。

驗(yàn)電裝置系統(tǒng)主要由驗(yàn)電裝置和伸縮裝置兩部分構(gòu)成。驗(yàn)電裝置由驗(yàn)電模塊和探測頭組成，伸縮裝置由環(huán)氧樹脂驗(yàn)電桿、控制器等部分組成，如圖6所示。控制器通過無線通訊模塊接收到伸縮命令，控制驗(yàn)電桿伸長和縮短。伸縮裝置使得驗(yàn)電裝置可以充分接觸到電纜上的驗(yàn)電環(huán)，驗(yàn)電裝置的探測頭用以檢測驗(yàn)電環(huán)是否有電和確認(rèn)是否接觸到電纜，并把相應(yīng)的信息通過無線通訊模塊傳輸?shù)降孛妗?/p>

驗(yàn)電裝置由驗(yàn)電模塊和金屬探測頭組成，驗(yàn)電模塊由驗(yàn)電器、接觸測量電路和無線通訊模塊構(gòu)成。主要功能：1.驗(yàn)電金屬探測頭與驗(yàn)電器實(shí)現(xiàn)驗(yàn)電環(huán)是否有電測量;2.回路金屬探測頭與驗(yàn)電金屬探測頭通過絕緣材料隔開和固定，回路金屬探測頭直接與接觸電路相連，驗(yàn)電金屬探測頭通過導(dǎo)線與接觸電路相連，當(dāng)兩個(gè)接觸頭同時(shí)與驗(yàn)電環(huán)金屬部分接觸，可以形成一個(gè)導(dǎo)電回路，用以確認(rèn)兩個(gè)探頭是否觸碰到驗(yàn)電環(huán)。主要工作過程：1.首先，關(guān)閉接觸測量電路，控制驗(yàn)電裝置觸碰驗(yàn)電環(huán)金屬，如果驗(yàn)電器發(fā)出信號(hào)，說明驗(yàn)電金屬探測頭充分接觸到驗(yàn)電環(huán)金屬，并確認(rèn)驗(yàn)電環(huán)有電;2.如果驗(yàn)電器未發(fā)出信號(hào)，則有兩種可能：a.驗(yàn)電金屬探頭未觸碰到驗(yàn)電環(huán)金屬;b.驗(yàn)電金屬探頭充分觸碰到驗(yàn)電環(huán)金屬，且確認(rèn)驗(yàn)電環(huán)無電。此時(shí)，通過無線通訊模塊打開接觸測量電路，如果接觸測量電路有信號(hào)，說明已經(jīng)充分接觸，屬于b情況，否則屬于a情況，然后關(guān)閉接觸測量電路，重新調(diào)整驗(yàn)電裝置位置，重復(fù)上述過程直到測量結(jié)束。

驗(yàn)電桿自動(dòng)伸縮裝置由三段環(huán)氧樹脂桿、電機(jī)、氣泵、尼龍繩、控制器組成。為了起到絕緣作用，自動(dòng)伸縮驗(yàn)電桿采用絕緣材料實(shí)現(xiàn)。主要工作過程：1.驗(yàn)電桿采用三段環(huán)氧樹脂中空密封桿，可以實(shí)現(xiàn)收縮，當(dāng)驗(yàn)電開始時(shí)，驗(yàn)電桿保持縮桿狀態(tài)，控制器通過無線通訊模塊接收到地面的伸長命令后，氣泵控制單元控制氣泵往驗(yàn)電桿里充氣，氣壓推動(dòng)驗(yàn)電桿的伸長;2.驗(yàn)電結(jié)束后，控制器通過無線通訊模塊接收到地面的收縮命令后，電機(jī)控制單元控制電機(jī)帶動(dòng)尼龍繩，尼龍繩固定在驗(yàn)電桿第一段上，電機(jī)絞繞尼龍繩，將驗(yàn)電桿進(jìn)行收縮。

3 結(jié)論

該裝置的研制代替了傳統(tǒng)的人工的爬桿驗(yàn)電，提高了驗(yàn)電工作的安全性和智能化，與其他驗(yàn)電方案相比，具有以下創(chuàng)新：

●采用回路金屬探測頭與驗(yàn)電金屬探測頭及接觸測量電路構(gòu)成的回路進(jìn)行檢測驗(yàn)電金屬探頭是否接觸到驗(yàn)電環(huán);

●驗(yàn)電桿使用的材料以及伸縮控制的裝置很好的保證了絕緣性。驗(yàn)電桿采用環(huán)氧樹脂材料;采用氣泵方式伸長驗(yàn)電桿;采用電機(jī)結(jié)合尼龍繩的方式縮短驗(yàn)電桿;充氣和尼龍繩都具有很好的絕緣性;

●系統(tǒng)信號(hào)的傳輸采用無線通訊的方式與地面進(jìn)行信息傳遞;

●采用雙舵機(jī)控制云臺(tái)，實(shí)現(xiàn)驗(yàn)電桿的空間位置變化，便于接觸驗(yàn)電環(huán);

●采用.激光測距傳感器、wifi攝像線、激光接收和聲光報(bào)警等多傳感器融合方法，實(shí)現(xiàn)操控者實(shí)時(shí)觀察驗(yàn)電桿的位置狀態(tài)，用于調(diào)節(jié)驗(yàn)電桿的姿態(tài)，并可實(shí)時(shí)保存驗(yàn)電器接觸驗(yàn)電環(huán)的過程。

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作者簡介：

鄭曉軍，1978年出生，大學(xué)本科，高級(jí)工程師，浙江省電力有限公司江山市供電公司，主要從事電力供應(yīng)及管理方向的研究。近年來設(shè)計(jì)研發(fā)創(chuàng)新電力成果12余件，累計(jì)申報(bào)專利30余項(xiàng)，獲得6項(xiàng)發(fā)明專利授權(quán)，省級(jí)科研論文4篇，創(chuàng)新成果多次榮獲榮獲浙江省電力公司科技成果獎(jiǎng)項(xiàng)。

（作者單位：1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司江山市供電公司;2.衢州學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院）