無人機(jī)電池增容及防墜落系統(tǒng)的研究

貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司興義供電局 柴劍珩 龍福剛 楊瑞景 李興斗

無人機(jī)具有高靈活性、快速反應(yīng)、低廉成本及快速便捷等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于電網(wǎng)的規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)行和維護(hù)中。電網(wǎng)行業(yè)大范圍采用了大疆御2系列無人機(jī)作為線路巡檢工作的標(biāo)準(zhǔn)工具，因原裝單塊電池的容量有限，無法滿足高強(qiáng)度工作的時(shí)長需求，往往需要攜帶多塊電池且無法在野外作業(yè)環(huán)境下進(jìn)行充電，并且其他外部環(huán)境等因素影響可能會(huì)造成無人機(jī)意外墜毀。因此無人機(jī)電池續(xù)航能力的提升及無人機(jī)墜機(jī)的預(yù)防，成為亟待解決的問題。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一款適合大疆御2系列無人機(jī)的增容電池，性能優(yōu)良、運(yùn)行流暢且安全可靠，能有效增加電池的續(xù)航時(shí)間，提高無人機(jī)的巡檢效率；并在電池外殼上增加安全防墜落裝置系統(tǒng)，可減少墜機(jī)帶來的財(cái)產(chǎn)損失。

1 項(xiàng)目背景及研究意義

我國地形條件復(fù)雜，高山、峽谷、丘陵眾多，部分區(qū)域或水網(wǎng)密布（江南水鄉(xiāng)）或溝壑叢生（黃土高原），在諸多復(fù)雜地形的基礎(chǔ)上規(guī)劃電網(wǎng)施工藍(lán)圖，建設(shè)電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施，保障電網(wǎng)安全運(yùn)行，測試電網(wǎng)線路狀態(tài)，電力行業(yè)篳路藍(lán)縷、久久為功。隨著電網(wǎng)工業(yè)的發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)水平全面提升、日益完善，電力行業(yè)產(chǎn)業(yè)升級(jí)逐步縱深、有序推進(jìn)，對新型的工作工具和工作方法提出了現(xiàn)實(shí)需求。

在此背景下，快速發(fā)展的無人機(jī)、智能機(jī)器人等新型工具已廣泛應(yīng)用于電網(wǎng)的規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)行和維護(hù)中。在很多復(fù)雜地形條件下開展的電網(wǎng)線路巡檢工作中，相較于因條件受制而采取的傳統(tǒng)人力工作方式，無人機(jī)的高靈活性、快速反應(yīng)、低廉成本及快速便捷等特點(diǎn)，大概率避免了人員工作勞損及檢測數(shù)據(jù)誤差等問題，提高了工作效率和故障識(shí)別效率。目前行業(yè)內(nèi)巡檢用無人機(jī)續(xù)航時(shí)間普遍較短，使得巡檢工作效率過低。以貴州電網(wǎng)公司興義供電局輸電管理所為例，每個(gè)班組配置3臺(tái)大疆御2系列無人機(jī)，在外出進(jìn)行線路巡檢工作中，平均工作強(qiáng)度要求每臺(tái)無人機(jī)至少配備10～15塊原裝電池，電池總重量也隨攜帶電池?cái)?shù)量的增加而增長，為巡檢工作帶來了不便。因此，無人機(jī)巡檢工作對單塊電池的續(xù)航能力提出了更高的要求。同時(shí)因工作損耗，無人機(jī)電池消耗量在逐年增加，而原裝電池價(jià)格成本較高，一旦無人機(jī)在飛行過程中遇到緊急情況導(dǎo)致墜毀，也會(huì)造成一定的財(cái)產(chǎn)損失。

興義供電局從2020年開始采購并應(yīng)用大疆御2系列無人機(jī)，但該無人機(jī)電池僅有3,850hA，正常飛行時(shí)間僅能保證20～25min。

基于以上現(xiàn)狀，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)增加電池容量，延長飛行時(shí)間，同時(shí)，在電池外殼上集成防墜落裝置（如圖1所示），當(dāng)無人機(jī)在飛行過程中遇到緊急情況導(dǎo)致墜機(jī)時(shí)，該電池外殼內(nèi)置入的GPS及加速度計(jì)等電子裝置（如圖2所示）捕獲無人機(jī)的異常狀態(tài)后，防墜落裝置能夠自動(dòng)開傘對無人機(jī)機(jī)體進(jìn)行保護(hù)，從而有效減少因無人機(jī)墜機(jī)導(dǎo)致的財(cái)產(chǎn)損失。

圖1 電池外殼上集成防墜落裝置

圖2 電池外殼內(nèi)置入的GPS及加速度計(jì)等電子裝置

2 功能特點(diǎn)及工作原理

2.1 雙電池續(xù)航且性能安全

設(shè)計(jì)研制一款適合御2系列的增容電池，該電池容量達(dá)到7,000hA，續(xù)航約40～50min。在原裝電池外殼改裝后進(jìn)行3D打印定制化開發(fā)，增加一組擴(kuò)容電池（如圖3所示），在額定負(fù)載情況下通過雙電池來實(shí)現(xiàn)長時(shí)間續(xù)航的能力。

圖3 增加一組擴(kuò)容電池

圖4 在御2電池外殼上進(jìn)行改裝

2.2 快速反應(yīng)，安全防墜

設(shè)計(jì)研制一款適合御2系列電池的安全防墜落系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要通過芯片程序來進(jìn)行控制，采用第2代智能算法，配合高速處理器，每秒8,000次姿態(tài)數(shù)據(jù)分析，瞬間激活，可以在0.01s內(nèi)對危急情況做出快速反應(yīng)。該系統(tǒng)搭載雙傳感器（海拔傳感器和姿態(tài)傳感器）數(shù)據(jù)融合來實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)判斷，高效避免撞擊、墜落及纏槳導(dǎo)致的炸機(jī)等風(fēng)險(xiǎn)。通過在御2電池外殼上進(jìn)行改裝（如圖4所示），搭載安全防護(hù)系統(tǒng)，有效保障無人機(jī)財(cái)產(chǎn)安全。

3 試驗(yàn)

在增容電池試驗(yàn)中，在大疆御2無人機(jī)上安裝改裝后的增容電池進(jìn)行線路巡檢工作模擬，多次飛行試驗(yàn)中電池運(yùn)行穩(wěn)定。設(shè)定安全飛行最低電量，獲取到達(dá)此電量飛行時(shí)長，與原裝電池到達(dá)同等最低電量時(shí)飛行時(shí)長數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，飛行時(shí)長最低延長44min，最高延長51min。得出增容電池安全有效，具有理想的應(yīng)用可行性。

在防墜落裝置試驗(yàn)中，將無人機(jī)旋翼暫停，模擬緊急情況，使無人機(jī)進(jìn)入預(yù)備墜機(jī)狀態(tài)，檢測防墜落裝置的運(yùn)行效果。多次試驗(yàn)結(jié)果顯示，內(nèi)置電子裝置均正常捕獲該異常狀態(tài)，防墜落裝置快速自動(dòng)開傘，有效的防止了無人機(jī)墜落。

4 應(yīng)用前景

電網(wǎng)行業(yè)大范圍采用了大疆御2系列無人機(jī)作為線路巡檢工作的標(biāo)準(zhǔn)工具，因原裝單塊電池的容量有限，無法滿足高強(qiáng)度工作的時(shí)長需求，往往需要攜帶多塊電池且無法在野外作業(yè)環(huán)境下進(jìn)行充電，并且其他外部環(huán)境等因素影響可能會(huì)造成無人機(jī)意外墜毀。本文通過改裝電池，以雙電池模式來增加續(xù)航時(shí)間，保障了無人機(jī)巡檢工作的技能多樣性，使巡檢工作獲得更廣泛的技能應(yīng)用范圍，并通過安全防墜落系統(tǒng)有效解決遇到緊急情況容易發(fā)生墜毀的問題，在實(shí)踐中驗(yàn)證了此方法的可行性?？蓮浹a(bǔ)目前工作中無人機(jī)電池容量與無人機(jī)飛行安全的短板，滿足電力部門線路巡檢工作對無人機(jī)工作時(shí)長的需求，有效支持我國電力設(shè)施的發(fā)展與維護(hù)。