大型無人直升機(jī)在輸電線塔架設(shè)中的應(yīng)用

王 瑜 王 放 游亦強(qiáng) 陳 斌 池曦鏘

1國網(wǎng)浙江省電力有限公司溫州供電公司 溫州 325002 2北京航空航天大學(xué)無人系統(tǒng)研究院 北京 100191 3溫州電力建設(shè)有限公司 溫州 325011

0 引言

我國幅員遼闊、地貌復(fù)雜，許多輸電線路需要經(jīng)過山區(qū)。使用傳統(tǒng)手段在高山峻嶺架設(shè)輸電線塔，需修建道路、架設(shè)索道，以運(yùn)輸重型鋼結(jié)構(gòu)組件，周期長、費(fèi)用高[1]。

使用常規(guī)有人直升機(jī)進(jìn)行投放作業(yè)，由于山區(qū)氣象和地形條件復(fù)雜，駕駛員人身安全存在風(fēng)險(xiǎn)，并且保障要求高，費(fèi)用昂貴。使用大型無人直升機(jī)，將索道組件吊運(yùn)投放至山頂，快速架設(shè)運(yùn)輸索道，不需在高山修建道路，大幅縮短工程周期，降低費(fèi)用[2]。

小型電動(dòng)多旋翼及小型無人直升機(jī)在電網(wǎng)巡檢、電纜牽引等領(lǐng)域已有大量的應(yīng)用，但其載荷小，續(xù)航時(shí)間短，通常只能攜帶20 kg以下載荷，飛行30 min左右。但索道鋼結(jié)構(gòu)組件單體質(zhì)量在200 kg以上，現(xiàn)有無人機(jī)無法滿足要求。基于此，本文論證并開發(fā)了用于索道鋼結(jié)構(gòu)組件吊運(yùn)投放的大型無人直升機(jī)F500，該機(jī)可攜帶200 kg以上載荷，續(xù)航時(shí)間可達(dá)5 h以上。經(jīng)過大量研發(fā)和測試，F(xiàn)500無人直升機(jī)已經(jīng)具備執(zhí)行山區(qū)物資投放的能力，并于2019年12月，在浙江省某輸電線塔建設(shè)工程中，成功執(zhí)行了索道鋼結(jié)構(gòu)組件的吊運(yùn)投放任務(wù)，大幅縮短了工程周期。500 kg大型無人直升機(jī)可在電網(wǎng)建設(shè)及維護(hù)的諸多領(lǐng)域發(fā)揮作用，為傳統(tǒng)的電力建設(shè)施工提供成本和風(fēng)險(xiǎn)可控的航空手段。

1 無人直升機(jī)吊運(yùn)投放系統(tǒng)概述

如圖1所示，F(xiàn)500起飛質(zhì)量500 kg，可攜帶200 kg有效載荷續(xù)航2 h以上。與目前國內(nèi)市場上常見的電動(dòng)多旋翼無人機(jī)相比，該無人機(jī)有效載荷大，續(xù)航時(shí)間長。

圖1 F500工業(yè)無人直升機(jī)系統(tǒng)

F500無人直升機(jī)空機(jī)質(zhì)量為240 kg，任務(wù)載荷+燃油質(zhì)量為260 kg，最大起飛質(zhì)量為500 kg。巡航速度為80 km/h，最大速度為140 km/h，實(shí)用升限為5 000 m，標(biāo)準(zhǔn)航時(shí)為5 h，抗風(fēng)能力為7級。旋翼直徑為6.3 m，機(jī)體高度為1.8 m，機(jī)身長度為3 m，槳葉片數(shù)為2×2，燃油標(biāo)號為95號汽油，發(fā)動(dòng)機(jī)功率為115 HP。

F500工業(yè)無人直升機(jī)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)超視距全自主飛行，飛行任務(wù)及投放坐標(biāo)錄入系統(tǒng)后，無人機(jī)可按照規(guī)劃航線自動(dòng)飛抵目的地上空，執(zhí)行投放任務(wù)。完成投放后，按照規(guī)劃航線自動(dòng)返航降落。

面向吊運(yùn)投放任務(wù)需求，開發(fā)了電磁投放裝置。該裝置通過電磁鐵和固定裝置將需運(yùn)輸?shù)呢浳镂皆陲w機(jī)機(jī)腹下面，到達(dá)投放點(diǎn)后，程序控制電磁鐵釋放，完成貨物投送。使用大載荷工業(yè)無人直升機(jī)進(jìn)行索道門架運(yùn)輸，可省去上山修路的成本和時(shí)間，提高效率。

2 工業(yè)無人直升機(jī)運(yùn)輸投放系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)采用共軸雙旋翼無人直升機(jī)平臺，搭載自主飛控導(dǎo)航系統(tǒng)、無線通訊鏈路系統(tǒng)、電磁吊裝與自動(dòng)投放系統(tǒng)、光電吊艙監(jiān)控與無線圖像傳輸系統(tǒng)。可單次運(yùn)載200 kg有效載荷，超視距自主導(dǎo)航飛行，到點(diǎn)自動(dòng)投放返航，由于采用共軸雙旋翼布局，不需尾槳，該系統(tǒng)體積緊湊，可在比常規(guī)單旋翼布局直升機(jī)更小的起降場地作業(yè)，如圖2所示。

圖2 起降場地條件

2.1 共軸雙旋翼無人直升機(jī)飛行平臺

F500飛行平臺采用共軸雙旋翼布局，共軸雙旋翼無人直升機(jī)有2副同軸反轉(zhuǎn)的主旋翼。2副旋翼產(chǎn)生的反扭矩相互抵消，故不需尾槳，縱向尺寸小。2副主旋翼產(chǎn)生有利的氣動(dòng)干擾，沒有尾槳損耗。因此，懸停氣動(dòng)效率高于傳統(tǒng)單旋翼直升機(jī)布局，在相同總質(zhì)量下，共軸式旋翼直徑僅為單旋翼直徑的78%。在拉力系數(shù)Ct/σ＝0.13%～0.20%內(nèi)，共軸直升機(jī)的效率比單旋翼高17%～30%，如圖3所示。

圖3 共軸旋翼與單旋翼效率對比

機(jī)身與起落架均采用鈦合金焊接絎架結(jié)構(gòu)，質(zhì)量輕、強(qiáng)度高，且具備優(yōu)良的抗腐蝕性能。旋翼系統(tǒng)采用復(fù)合材料槳葉，中心鉸鏈半剛性槳轂。復(fù)合材料槳葉質(zhì)量輕、抗疲勞特性好，不需要維護(hù)。中心鉸鏈半剛性槳轂結(jié)構(gòu)可靠性高，同時(shí)可避免地面共振，增加了飛行平臺的可靠性。操縱系統(tǒng)采用上下2副獨(dú)立控制的自動(dòng)傾斜器，上旋翼的操縱桿從旋翼軸空腔內(nèi)穿過，使得外部結(jié)構(gòu)減少，有效降前飛低氣動(dòng)阻力，同時(shí)可以抑制沙塵的侵入。

動(dòng)力系統(tǒng)采用1臺ROTAX914發(fā)動(dòng)機(jī)，燃料為95號汽油，最大功率115 HP。該發(fā)動(dòng)機(jī)采用水平對置四缸布局，與直列四缸布局相比，振動(dòng)水平比降低。該發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)配備一級渦輪增壓系統(tǒng)，在4 500 m高原地區(qū)，功率僅比海平面減少10%，相對非增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，高空功率提高30%。

圖4 ROTAX914航空發(fā)動(dòng)機(jī)

2.2 任務(wù)設(shè)備及控制系統(tǒng)

任務(wù)設(shè)備包括吊裝投放系統(tǒng)和光電觀察系統(tǒng)。吊裝投放系統(tǒng)由電磁吸附模塊、安裝固定模塊、控制模塊組成。該系統(tǒng)使用定制開發(fā)的電磁鐵，通過安裝固定模塊將需要運(yùn)輸?shù)乃鞯篱T架組件吊裝在機(jī)腹下方。無人直升機(jī)攜帶載荷到達(dá)目的地后，控制模塊收到觸發(fā)信號，釋放電磁鐵，將索道門架組件投放到指定地點(diǎn)，無人直升機(jī)返航。

光電觀察系統(tǒng)由自適應(yīng)減震云臺和高清攝像機(jī)組成，吊裝于機(jī)頭下方。無人直升機(jī)飛行過程中，云臺根據(jù)飛機(jī)的姿態(tài)變化自動(dòng)調(diào)整俯仰、滾轉(zhuǎn)角度，保持高清攝像機(jī)畫面穩(wěn)定，并通過圖像傳輸模塊將飛機(jī)視角的畫面回傳到地面站，為操作人員提供圖像信息。

2.3 通訊鏈路系統(tǒng)

如圖5所示，通訊鏈路由機(jī)載發(fā)射模塊與地面接收模塊構(gòu)成。機(jī)載終端包括全向天線機(jī)載收發(fā)組合模塊，完成圖像處理、飛控?cái)?shù)據(jù)處理、信號接收和發(fā)送功能。地面終端包括地面全向天線、定向天線、地面鏈路設(shè)備箱、伺服機(jī)構(gòu)、電源盒等。完成圖像、飛控?cái)?shù)據(jù)的接收和發(fā)送功能。

圖5 通信鏈路原理圖

2.4 飛控導(dǎo)航系統(tǒng)

飛控導(dǎo)航系統(tǒng)用于穩(wěn)定直升機(jī)飛行姿態(tài)，支持航線規(guī)劃，使直升機(jī)按照規(guī)劃航線全自主飛行，完成預(yù)設(shè)的飛行任務(wù)。

F500飛控導(dǎo)航系統(tǒng)采用在線雙余度姿態(tài)檢測單元，高穩(wěn)定性GPS接收機(jī)以及高速CPU，提供CAN，RS232接口，配合雙目視覺模塊實(shí)現(xiàn)雙目避障及視覺仿地飛行功能。

飛控系統(tǒng)具備自動(dòng)返航功能，當(dāng)數(shù)傳鏈路斷開時(shí)，可觸發(fā)自動(dòng)返航，直升機(jī)爬升至安全高度，返回起飛點(diǎn)上空懸停，達(dá)到設(shè)定時(shí)間后，自動(dòng)降落著陸。

3 成果應(yīng)用

面向山區(qū)吊運(yùn)投放任務(wù)，本文制定了無人直升機(jī)航空運(yùn)輸方案。在山區(qū)復(fù)雜環(huán)境下，用重載無人直升機(jī)將貨物運(yùn)輸并投放到山頂目的地，可減少人員風(fēng)險(xiǎn)及成本，提高作業(yè)效率。

執(zhí)行任務(wù)前，雙方人員先對飛行環(huán)境進(jìn)行考察，獲得起飛點(diǎn)與投放點(diǎn)坐標(biāo)，選擇山路轉(zhuǎn)彎處一塊草地作為無人直升機(jī)起降場地，對場地進(jìn)行了平整與硬化施工。

圖6 無人直升機(jī)執(zhí)行投放任務(wù)場景

無人直升機(jī)轉(zhuǎn)場至起飛點(diǎn)后，機(jī)組人員進(jìn)行環(huán)境適應(yīng)性試飛，規(guī)劃飛行航線并制定應(yīng)急預(yù)案。安全小組對起降場地進(jìn)行清場后，機(jī)組將需投放的索道門架掛在至機(jī)腹電磁投放系統(tǒng)上。無人直升機(jī)按照規(guī)劃航線起飛，到達(dá)山頂投放點(diǎn)上空后將載荷投放。完成投放任務(wù)后按預(yù)定航線返航降落。直升機(jī)著陸后，機(jī)務(wù)人員檢查飛機(jī)并補(bǔ)充燃油，準(zhǔn)備下一次飛行。整個(gè)投放任務(wù)共進(jìn)行了6個(gè)架次飛行，將1.2 t組件從山下公路投送至山頂輸電塔安裝處用時(shí)2 d。與傳統(tǒng)方式相比，節(jié)省修路成本和數(shù)月的工期，大大提高了效率。

4 結(jié)語

目前，市場上的無人機(jī)載荷通常不超過50 kg，無法滿足山區(qū)線塔架設(shè)的投放任務(wù)。本文研制的F500大型工業(yè)無人直升機(jī)，一次飛行可運(yùn)輸投放200 kg以上載荷，在溫州山區(qū)開展了面向線塔架設(shè)的航空運(yùn)輸投放任務(wù)，是國內(nèi)第一次使用大型工業(yè)無人直升機(jī)進(jìn)行200 kg以上載荷的投放任務(wù)。這種作業(yè)方式避免了有人直升機(jī)駕駛員的人身安全風(fēng)險(xiǎn)，與傳統(tǒng)線塔架設(shè)方式相比，省去了修建上山道路的成本和工期，可大大提高山區(qū)輸電線塔架設(shè)的效率。