高壓電力塔涉鳥異物自動(dòng)清除方法及系統(tǒng)設(shè)計(jì)

聶家富　明偉　廖雨飛　鐘堅(jiān)　翟嘉彤　黎曉聰

摘 要：目前，輸電線路及高壓電力塔上的異物清除主要依靠人工方式進(jìn)行，高空作業(yè)危險(xiǎn)系數(shù)高，且易受到高溫、霜凍等天氣影響導(dǎo)致無法作業(yè)。本文提出了一種基于無人機(jī)的高壓電力塔涉鳥異物自動(dòng)清除方法及系統(tǒng)。在無人機(jī)飛行過程中，涉鳥異物距離傳感器進(jìn)行異物掃描，實(shí)時(shí)獲取涉鳥異物與無人機(jī)的距離以及與機(jī)翼水平方向的偏移角度。根據(jù)獲取的距離及偏移角度調(diào)節(jié)伸縮桿和機(jī)械手方向及長(zhǎng)度，同時(shí)根據(jù)飛行平衡算法保持無人機(jī)飛行平衡，通過機(jī)械手對(duì)涉鳥異物進(jìn)行清理，實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓電力塔涉鳥異物的自動(dòng)清除。試驗(yàn)證明，本設(shè)計(jì)方案可實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓電力塔及高壓線路涉鳥異物的清除，具有安全可靠、環(huán)境適應(yīng)力強(qiáng)且操作方便的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)（UAV）;高壓電力塔;涉鳥異物清除;飛行平衡算法

中圖分類號(hào)：TM75 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2021）26-0124-03

Method and System Design for Automatic Removal of Foreign Matter

from Wading Birds on High-Voltage Power Tower

NIE Jiafu MING Wei LIAO Yufei ZHONG Jian ZHAI Jiatong LI Xiaocong

（Transmission Management Office of Wuzhou Power Supply Bureau of Guangxi Power Grid Co.， Ltd.， Wuzhou Guangxi 543000）

Abstract： At present， the removal of foreign matters on transmission lines and high-voltage power towers mainly depends on manual methods. The risk factor of high-altitude operation is high， and it is easy to be affected by high temperature， frost and other weather. This paper proposes an automatic removal method and system of bird related foreign matter in high-voltage power tower of UAV. During UAV flight， the bird related foreign matter distance sensor scans the foreign matter， obtains the distance between bird related foreign matter and UAV and the offset angle with the horizontal direction of wing in real time， and adjusts the direction and length of telescopic rod and manipulator according to the obtained distance and offset angle， At the same time， the flight balance of UAV is maintained according to the flight balance algorithm， and the foreign matters involving birds are cleaned by manipulator， so as to realize the automatic removal of foreign matters involving birds in high-voltage power tower. The test results show that the design scheme in this paper can remove the foreign matters involving birds in high-voltage power tower and high-voltage line， and has the characteristics of safety， reliability， strong environmental adaptability and convenient operation.

Keywords： Unmanned Aenal Vehicle（UAV）;high-voltage power tower;bird wading foreign body removal;flight balance algorithm

為了滿足城鎮(zhèn)發(fā)展的需求，電力從發(fā)電站輸送高壓電到各個(gè)用電戶。在輸送過程中，通常會(huì)遇到鳥類在高壓線上棲息死亡的情況。鳥類尸體、鳥巢等涉鳥異物會(huì)對(duì)高壓線造成損耗，影響供電，需要對(duì)其進(jìn)行清理[1]。目前，輸電線路及高壓電力塔上的異物清除主要依靠人工方式進(jìn)行，高空作業(yè)危險(xiǎn)系數(shù)高，在高壓線或高壓塔上工作操作不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致發(fā)生意外[2]。因此，它對(duì)電力工作人員有較高的技術(shù)要求和身體素質(zhì)要求[3-4]。隨著無人機(jī)技術(shù)的成熟，旋翼無人機(jī)以其優(yōu)異的性能被應(yīng)用到電力線路巡檢、高壓電力塔異常檢測(cè)中[5]。本文提出一種無人機(jī)高壓電力塔涉鳥異物自動(dòng)清除方法及系統(tǒng)，以克服現(xiàn)有技術(shù)的不足。在無人機(jī)飛行過程中，利用涉鳥異物距離傳感器進(jìn)行異物掃描，實(shí)時(shí)獲取涉鳥異物與無人機(jī)之間的距離，以及涉鳥異物與機(jī)翼水平方向的偏移角度。根據(jù)獲取的距離及偏移角度調(diào)節(jié)伸縮桿和機(jī)械手方向及距離，同時(shí)根據(jù)飛行平衡算法保持無人機(jī)飛行平衡，通過機(jī)械手對(duì)涉鳥異物進(jìn)行清理。試驗(yàn)證明，本設(shè)計(jì)方案可實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓電力塔及高壓線路涉鳥異物的清除，具有安全可靠、環(huán)境適應(yīng)力強(qiáng)且操作方便的特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)裝置設(shè)計(jì)

本文提出一種基于無人機(jī)的高壓電力塔涉鳥異物自動(dòng)清除系統(tǒng)，系統(tǒng)裝置設(shè)計(jì)如圖1所示。控制主板安裝在旋轉(zhuǎn)支架底座中，用于獲取所有傳感器采集的數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，并對(duì)所有電機(jī)進(jìn)行控制。攝像頭、涉鳥異物距離傳感器設(shè)置在旋轉(zhuǎn)支架底座底部前端，三軸陀螺儀傳感器設(shè)置在旋轉(zhuǎn)支架底座里，配重桿的頂端設(shè)置在旋轉(zhuǎn)支架底座底部后端，伸縮桿的頂端設(shè)置在旋轉(zhuǎn)支架底座靠近前端，機(jī)械手和機(jī)械手接觸異物傳感器設(shè)置在伸縮桿的底端。通過搭載無人機(jī)，根據(jù)距離感應(yīng)器對(duì)涉鳥異物的距離感應(yīng)，無人機(jī)可飛行靠近，通過機(jī)械手對(duì)涉鳥異物進(jìn)行清除，以替代以往需人工登塔清除的傳統(tǒng)方式，降低了高空作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)。

2 涉鳥異物清除算法設(shè)計(jì)

無人機(jī)飛行過程中通過機(jī)械手對(duì)涉鳥異物進(jìn)行清理，需要根據(jù)飛行平衡算法保持無人機(jī)飛行平衡，流程如圖2所示。

本文所設(shè)計(jì)的涉鳥異物清除算法流程如下。無人機(jī)起飛后，伸縮桿和配重桿通過伸縮桿水平角度調(diào)整電機(jī)和配重桿水平角度調(diào)整電機(jī)調(diào)整至與無人機(jī)機(jī)翼垂直位置，兩個(gè)配重桿通過配重桿夾角角度調(diào)整電機(jī)調(diào)整夾角至0°，使無人機(jī)平穩(wěn)飛行，不受伸縮桿和配重桿力矩的影響。

無人機(jī)飛行過程中，涉鳥異物距離傳感器進(jìn)行異物掃描。當(dāng)無人機(jī)接近涉鳥異物時(shí)，判斷實(shí)時(shí)獲取到的涉鳥異物與無人機(jī)之間的距離是否小于伸縮桿最大伸展長(zhǎng)度。當(dāng)距離小于伸縮桿最大伸展長(zhǎng)度且三軸陀螺儀傳感器探測(cè)無人機(jī)停止移動(dòng)時(shí)，控制模塊控制旋轉(zhuǎn)支架底座，使伸縮桿和機(jī)械手方向?qū)χ骧B異物，通過控制伸縮桿來控制電機(jī)，使伸縮桿伸長(zhǎng)至獲取的涉鳥異物與無人機(jī)之間的距離，并通過控制機(jī)械手控制電機(jī)，使機(jī)械手張開。

控制模塊通過三軸陀螺儀傳感器獲取無人機(jī)傾斜角度，根據(jù)前后飛行平衡算法調(diào)整伸縮桿與配重桿之間的角度，根據(jù)左右飛行平衡算法調(diào)整電機(jī)調(diào)整兩個(gè)配置桿之間的角度，使無人機(jī)保持飛行平衡。

上文所提到的前后飛行平衡算法，具體實(shí)現(xiàn)方式為：設(shè)機(jī)械手的質(zhì)量為a，每個(gè)配重桿配重頭的質(zhì)量為b，涉鳥異物與涉鳥異物距離傳感器之間的距離為l，配重桿長(zhǎng)度為l，涉鳥異物與機(jī)翼水平方向的偏移角度為θ，兩個(gè)配重桿之間的夾角為φ。為了保持無人機(jī)前后平衡，需要時(shí)伸縮桿端和配重桿端的力矩保持一致，如式（1）所示。根據(jù)式（1）可求出配重桿水平角度調(diào)整電機(jī)上升配重桿的角度θ，如式（2）所示。當(dāng)伸縮桿長(zhǎng)度調(diào)整為l1、角度調(diào)整為θ時(shí)，可根據(jù)式（2）計(jì)算角度θ，并通過配重桿水平角度調(diào)整電機(jī)進(jìn)行角度調(diào)整。

上文所提到的左右飛行平衡算法，具體實(shí)現(xiàn)方式為：當(dāng)無人機(jī)向左傾斜時(shí)，設(shè)無人機(jī)傾斜角度為φ，控制模塊控制配重桿夾角角度調(diào)整電機(jī)，上升左端配重桿角度為φ;當(dāng)無人機(jī)向右傾斜時(shí)，設(shè)無人機(jī)傾斜角度為φ，控制模塊控制配重桿夾角角度調(diào)整電機(jī)，上升右端配重桿角度為φ。

當(dāng)機(jī)械手接觸異物傳感器探測(cè)機(jī)械手接觸涉鳥異物時(shí)，機(jī)械手夾緊涉鳥異物，將伸縮桿回縮，把涉鳥異物從高壓電力塔拉扯出來。在回縮過程中，控制配重桿水平角度調(diào)整電機(jī)調(diào)整至相應(yīng)的角度，以保持無人機(jī)平衡飛行，把涉鳥異物從高壓電力塔拉扯出來。

對(duì)涉鳥異物進(jìn)行清理后，控制模塊調(diào)整伸縮桿和配重桿至與無人機(jī)機(jī)翼垂直位置，兩個(gè)配重桿通過配重桿夾角角度調(diào)整電機(jī)調(diào)整夾角至0°，使無人機(jī)平穩(wěn)飛行。

無人機(jī)下降至地面時(shí)，基于伸縮桿水平角度調(diào)整電機(jī)和配重桿水平角度調(diào)整電機(jī)對(duì)伸縮桿及配重桿進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整后的伸縮桿及配重桿升高至與無人機(jī)機(jī)翼水平位置，以確保在飛機(jī)下降時(shí)機(jī)械手抓取裝置不與地面接觸。當(dāng)無人機(jī)下降至地面時(shí)，涉鳥異物清除流程結(jié)束。

3 試驗(yàn)測(cè)試

本文設(shè)計(jì)裝置的控制主板采用STM32F407主控芯片，并在主板中集成ESP32藍(lán)牙和Wi-Fi雙模芯片，用于與手機(jī)App實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。用于測(cè)試的無人機(jī)為大疆M600 PRO無人機(jī)，最大負(fù)載為6 kg，搭載專業(yè)級(jí)A3 Pro飛行控制系統(tǒng)。

本文設(shè)計(jì)的機(jī)械手抓取裝置總質(zhì)量為3 kg，伸縮桿最大伸展長(zhǎng)度為2.2 m，裝置安裝在無人機(jī)的底部。在待機(jī)狀態(tài)下，伸縮桿及配重桿升高至與無人機(jī)機(jī)翼水平位置，以確保在待機(jī)狀態(tài)下機(jī)械手抓取裝置不與地面接觸，如圖3所示。

試驗(yàn)測(cè)試項(xiàng)目及結(jié)果如表1所示。

通過上述測(cè)試試驗(yàn)證明，本文設(shè)計(jì)方案通過手機(jī)APP向機(jī)械手下發(fā)控制命令，可實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓電力塔及高壓線路涉鳥異物的清除，同時(shí)無人機(jī)在異物抓取過程中保持平穩(wěn)飛行。本方案具有安全可靠、環(huán)境適應(yīng)力強(qiáng)且操作方便的特點(diǎn)。

4 結(jié)語

本文提出了一種安裝在無人機(jī)的高壓電力塔涉鳥異物機(jī)械手抓取裝置。通過搭載無人機(jī)，根據(jù)距離感應(yīng)器對(duì)涉鳥異物進(jìn)行距離感應(yīng)，無人機(jī)飛行拉近距離，通過機(jī)械手對(duì)涉鳥異物進(jìn)行清除，并根據(jù)飛行平衡算法保持無人機(jī)飛行平衡。試驗(yàn)證明，本文所提出的裝置攜帶方便，能夠替代以往人工登塔清除的傳統(tǒng)方式，降低了高空作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)。

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