基于無(wú)人機(jī)技術(shù)的配網(wǎng)線路桿塔鳥巢清除裝置研究

關(guān)家華，凌忠標(biāo)，陳君宇，葉蓓，譚家祺

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司佛山供電局，廣東佛山，530006）

0 引言

隨著生態(tài)環(huán)境的不斷改善，配電線路桿塔鳥巢現(xiàn)象隨之增加，因鳥巢引起的線路跳閘事故也隨之發(fā)生，嚴(yán)重影響配網(wǎng)線路的供電可靠性。早期架空線路異物主要采用絕緣繩索、吊籃、軟梯、絕緣斗臂車等接近導(dǎo)線，人工清除異物。人工清除異物方式，耗時(shí)長(zhǎng)、作業(yè)難度大強(qiáng)度高、作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)高[1]；同時(shí)受環(huán)境限制對(duì)崎嶇的山路及跨越河流、湖泊等地段，難以安全高效地清除架空線路異物。目前常見的清除方式有無(wú)人機(jī)噴火清除、激光大炮，噴火無(wú)人機(jī)主要通過無(wú)人機(jī)搭載噴火裝置，控制無(wú)人機(jī)接近異物后，噴火裝置噴火燒除異物，對(duì)于線路下方有易燃物時(shí)不適用，且無(wú)人機(jī)本身存在操作不當(dāng)墜落風(fēng)險(xiǎn)[2]。激光大炮則是通過從地面發(fā)出激光輻射向高空異物，大功率小光斑的激光能快速將異物引燃；又或通過云臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，將異物快速碳化，形成“切割”效果，使異物脫落，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、非接觸式、可帶電作業(yè)的異物清除方法[2-6]。激光大炮所需配件多且較重，不便于搬運(yùn)，對(duì)于崎嶇山路等并不適用。

本文研究一種可搭載在無(wú)人機(jī)上的配網(wǎng)線路鳥巢清除裝置，實(shí)現(xiàn)可在地面端遠(yuǎn)程操控?zé)o人機(jī)，即可及時(shí)、安全、快速地點(diǎn)燃桿塔上的鳥巢，操作便捷，可安全、高效、快捷地清除線路鳥巢，減輕運(yùn)維人員的鳥巢清除作業(yè)強(qiáng)度和作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，提高配網(wǎng)線路的供電可靠性。

1 激光的選擇研究

■1.1 功能需求

使用無(wú)人機(jī)攜帶激光裝置清除飄掛物，具有使用方便、安全可靠、便捷等特點(diǎn)，可對(duì)線路桿塔上的鳥巢進(jìn)行清除且不會(huì)損傷配網(wǎng)線路及桿塔等金屬部件。

激光裝置應(yīng)具備以下性能：

(1)多旋翼無(wú)人機(jī)負(fù)載后續(xù)航時(shí)間一般小于20min中，且無(wú)人機(jī)懸停過程中受環(huán)境風(fēng)或地磁干擾，無(wú)人機(jī)易出現(xiàn)震動(dòng)、飄移情況，因此激光裝置應(yīng)盡可能快速高效的完成清除作業(yè)。

(2)多旋翼無(wú)人機(jī)載重能力有限，因此激光清障裝置重量要輕。

(3)激光清障裝置應(yīng)能清除線路桿塔上的鳥巢，且不會(huì)對(duì)配網(wǎng)線路及桿塔等金屬部件造成損傷。

(4)激光清障裝置搭載在無(wú)人機(jī)上，可實(shí)現(xiàn)2~5m內(nèi)的線路異物清除作業(yè)。

■1.2 激光光源的選擇

配網(wǎng)架空線路上的異物主要為非金屬材料的塑料和化纖制品，這些材料的熱導(dǎo)率、熔點(diǎn)、燃點(diǎn)或軟化溫度等遠(yuǎn)低于金屬材料的[7]。因此，可采用激光束精確發(fā)射到異物表面，通過激光對(duì)材料的光熱作用，將異物切割斷落或燒毀，從而消除線路異物引起的安全隱患。由于紅外激光對(duì)金屬表面的吸收率低且在空氣中傳輸損耗小，目前市面上常見的激光大炮采用紅外遠(yuǎn)程發(fā)射進(jìn)行異物清除，但是受配網(wǎng)線路線行下樹木及建筑物等影響，使用受限且配件多，難搬運(yùn)。

鳥巢屬于聚酯纖維類制品，其熱導(dǎo)率、燃點(diǎn)等遠(yuǎn)低于金屬材料（見表1），因此選擇合適光源即可清除。本研究擬采用無(wú)人機(jī)搭載光源近距離進(jìn)行鳥巢的清除作業(yè)，無(wú)需考慮空氣中傳輸損耗，且無(wú)需過大功率光源，因此選用LED紫光作為光源。考慮到復(fù)合絕緣子易受激光損傷且玻璃絕緣子及復(fù)合絕緣子也可能會(huì)受損，在異物清除過程中，應(yīng)避免激光直射絕緣子。

表1 線路金屬材料與聚酯纖維的熱性能比對(duì)表

2 基于無(wú)人機(jī)技術(shù)的激光清障裝置研制

■2.1 設(shè)計(jì)思路

目前市面上常見的激光清障裝置，主要是從地面發(fā)射光源對(duì)線路異物進(jìn)行清除，但是線路環(huán)境復(fù)雜，線行下方樹木、房屋等會(huì)嚴(yán)重影響激光使用效果。本研究通過無(wú)人機(jī)搭載高效率激光發(fā)生器，可在高空實(shí)現(xiàn)線路鳥巢異物清除作業(yè)，避免線行下的環(huán)境干擾問題。操作人員可在地面端遠(yuǎn)程操控?zé)o人機(jī)飛行至鳥巢異物2~5米范圍內(nèi)，通過無(wú)人機(jī)自帶的攝像頭傳遞回的實(shí)時(shí)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行鳥巢異物圖像識(shí)別，實(shí)現(xiàn)對(duì)作業(yè)區(qū)域的清除目標(biāo)進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別并反饋至地面遙控端，操作人員確認(rèn)作業(yè)目標(biāo)后，自動(dòng)控制云臺(tái)與激光發(fā)生裝置對(duì)需要作業(yè)的目標(biāo)進(jìn)行清除工作。整個(gè)作業(yè)過程，操作人員在地面端即可通過遙控器進(jìn)行可視化清障作業(yè)，過程可控、安全高效。

■2.2 激光功率選擇

由于配網(wǎng)線路桿塔鳥巢較難獲取，一般都是發(fā)現(xiàn)后即采取相關(guān)措施進(jìn)行清除作業(yè)。而紙片比鳥巢更加難以燃燒，本研究選用紙片代替鳥巢進(jìn)行激光功率選擇試驗(yàn)。研究依次選用5W/cm2、8W/cm2、10W/cm2、15W/cm2的LED激光進(jìn)行紙片燃燒試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 激光功率及清除效果對(duì)照表

試驗(yàn)結(jié)果如表2及圖1(b)所示，當(dāng)激光功率為5W/cm2，5min內(nèi)紙片變黑但是無(wú)法點(diǎn)燃；如圖1(c)所示，當(dāng)激光功率8W/cm2時(shí)，2min內(nèi)紙片可以點(diǎn)燃，且對(duì)紙片附近鋼管無(wú)損傷；如圖1(d)所示，當(dāng)激光功率10W/cm2時(shí)，45s內(nèi)紙片可以點(diǎn)燃，且對(duì)紙片附近鋼管無(wú)損傷；如圖1(e)所示，當(dāng)激光功率15W/cm2時(shí)，8s內(nèi)紙片可以點(diǎn)燃，且對(duì)紙片附近鋼管無(wú)損傷；無(wú)人機(jī)在高空中作業(yè)時(shí)其穩(wěn)定性易受外界環(huán)境影響，因此清除時(shí)間越短對(duì)于無(wú)人機(jī)作業(yè)越適用，但是激光功率過大其體積及重量也隨之增加。綜合考慮清除效果及無(wú)人機(jī)穩(wěn)定性及載荷因素，15W/cm2的LED激光即可滿足清除需求，無(wú)需繼續(xù)增大激光功率。

圖1 紙片燃燒試驗(yàn)圖

■2.3 裝置研制

2.3.1 多旋翼無(wú)人機(jī)

本研究選擇目前電力線路特種作業(yè)常用的無(wú)人機(jī)-大疆M600 Pro多旋翼無(wú)人機(jī)搭載激光裝置進(jìn)行架空線路鳥巢清除作業(yè)。

M600 Pro多旋翼無(wú)人機(jī)采用模塊化設(shè)計(jì)，整機(jī)裝配及使用便捷簡(jiǎn)單，高效的動(dòng)力系統(tǒng)集成防塵、主動(dòng)散熱功能。M600 Pro搭載三余度A3 Pro飛控系統(tǒng)、高清數(shù)字圖傳、只能飛行電池組及電池管理系統(tǒng)；增加減震設(shè)計(jì)，飛行數(shù)據(jù)更加精準(zhǔn)，提高飛行可靠性；內(nèi)置飛行參數(shù)自適應(yīng)的功能實(shí)現(xiàn)不同負(fù)載下的參數(shù)免調(diào)，便捷易用。配備D-RTK GNSS，大幅提升飛行可靠性，有效消除磁干擾的影響并提供厘米級(jí)的定位精度。M600 Pro滿載可提供15~18分鐘續(xù)航時(shí)間及最大5公里的遠(yuǎn)距離、低延時(shí)高清實(shí)時(shí)影像與控制信號(hào)傳輸能力。支出大疆云臺(tái)與第三方軟硬件擴(kuò)展，最大載重6.0kg，可對(duì)其進(jìn)行功能擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)電力行業(yè)特種作業(yè)需求，目前作為電力特種作業(yè)無(wú)人機(jī)載體被廣泛應(yīng)用于電力行業(yè)。

2.3.2 激光清障裝置研制

激光清障裝置通過特制的無(wú)人機(jī)搭載機(jī)架與大疆M600 Pro多旋翼無(wú)人機(jī)固定聯(lián)接；無(wú)人機(jī)懸停過程中，不可避免由于環(huán)境風(fēng)或地磁干擾造成無(wú)人機(jī)出現(xiàn)震動(dòng)、飄移情況，采用高負(fù)載的無(wú)刷三軸云臺(tái)搭載激光發(fā)射筒，在三軸云臺(tái)上通過陀螺儀、加速度計(jì)、角速度計(jì)獲取云臺(tái)姿態(tài)使其實(shí)現(xiàn)云臺(tái)自穩(wěn)，從而達(dá)到激光發(fā)射筒的相對(duì)穩(wěn)定進(jìn)而避免因無(wú)人機(jī)本身震動(dòng)導(dǎo)致的激光無(wú)法聚焦；在激光發(fā)射筒側(cè)面安裝有一個(gè)低功率的激光發(fā)生裝置，輔佐大功率激光發(fā)生器進(jìn)行激光作業(yè)；加裝毫米波雷達(dá)對(duì)作業(yè)區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)距離測(cè)量，并對(duì)測(cè)量得到的距離進(jìn)行自動(dòng)調(diào)焦操作，實(shí)現(xiàn)更高效率的激光作業(yè)。裝置設(shè)計(jì)圖如圖2所示。

圖2 激光清障裝置研制

圖中，①無(wú)人機(jī)搭載機(jī)架；②毫米波雷達(dá)；③陀螺儀；④三軸云臺(tái)；⑤激光發(fā)生器；⑥激光輔助瞄準(zhǔn)器；⑦三軸云臺(tái)控制電路；⑧無(wú)線數(shù)傳；⑨電池；⑩激光控制外殼。

云臺(tái)負(fù)責(zé)搭載激光發(fā)生器，并保證其能實(shí)現(xiàn)在三維空間下的自主調(diào)整。云臺(tái)在配合上目標(biāo)鎖定算法后可實(shí)現(xiàn)在激光發(fā)生器瞄準(zhǔn)期間最大限度的減少因?yàn)闊o(wú)人機(jī)或外界環(huán)境因素導(dǎo)致的激光瞄準(zhǔn)目標(biāo)偏移問題。云臺(tái)在三軸下的運(yùn)動(dòng)采用三軸無(wú)刷電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，每一個(gè)無(wú)刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)都通過獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行，驅(qū)動(dòng)芯片型號(hào)為DRV8313，驅(qū)動(dòng)電流最大可達(dá)到2.5A。云臺(tái)整體控制采用一個(gè)獨(dú)立的控制單片機(jī)進(jìn)行，單片機(jī)負(fù)責(zé)控制云臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片、采集安裝于云臺(tái)上方的陀螺儀數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)解算云臺(tái)姿態(tài)、負(fù)責(zé)對(duì)外部信號(hào)的響應(yīng)并做出對(duì)應(yīng)的動(dòng)作等，云臺(tái)控制芯片采用的是STM32F103RCT6 主頻72M，搭載Cortex-M3內(nèi)核。

毫米波雷達(dá)型號(hào)為AWR1443 EVB，其具備低功耗、自監(jiān)控、超精準(zhǔn)等特點(diǎn)，僅需通過指令即可實(shí)現(xiàn)毫米報(bào)雷達(dá)近距離、中距離和遠(yuǎn)距離探測(cè)的配置。在清障作業(yè)過程中，毫米波雷達(dá)可對(duì)激光模塊前方障礙物進(jìn)行探測(cè)，返回至單片機(jī)一個(gè)掃描平面的距離數(shù)據(jù)，單片機(jī)根據(jù)云臺(tái)姿態(tài)與距離信息得出目標(biāo)物與設(shè)備之間的距離，并對(duì)得到的距離信息自動(dòng)調(diào)整激光發(fā)生器焦距，從而實(shí)現(xiàn)激光效率的最大化利用，降低激光清障作業(yè)的時(shí)間及作業(yè)難度。

陀螺儀選用WT901B十軸高精度陀螺儀模塊，模塊內(nèi)置MPU9255負(fù)責(zé)輸出3維加速度、3維速度、3維磁場(chǎng)、3維角度，內(nèi)置還有BMP280氣壓計(jì)，負(fù)責(zé)輸出1維高度信息。通過十軸陀螺儀獲取實(shí)時(shí)云臺(tái)姿態(tài)，調(diào)整激光發(fā)射角度。

數(shù)據(jù)傳輸模塊的射頻芯片采用SX1278，發(fā)射頻率可以在410~525MHz，支持多種應(yīng)用場(chǎng)景。芯片采用LoRa擴(kuò)頻技術(shù)，使其抗干擾與靈敏度都大大提高，數(shù)傳發(fā)射最大功率在20dBm，凈空環(huán)境下可達(dá)到的最遠(yuǎn)通訊距離3000m。數(shù)傳針對(duì)不同的應(yīng)用環(huán)境做了不同的低功耗發(fā)射設(shè)計(jì)，模塊處于發(fā)射狀態(tài)下整體電流控制在106mA。

無(wú)人機(jī)搭載機(jī)架及激光控制外殼，根據(jù)搭載元器件外形及重量等進(jìn)行特定設(shè)計(jì)，以滿足激光清障無(wú)人機(jī)作業(yè)需求。

3 性能試驗(yàn)

■3.1 模擬作業(yè)場(chǎng)景搭建

在室外模擬10kV配網(wǎng)線路上纏繞干草編制的鳥巢，模擬配網(wǎng)線路桿塔鳥巢。

■3.2 作業(yè)前準(zhǔn)備工作

3.2.1 無(wú)人機(jī)準(zhǔn)備

檢查無(wú)人機(jī)與激光裝置掛載是否正確連接；無(wú)人機(jī)性能檢測(cè)。

3.2.2 激光裝置準(zhǔn)備

檢查激光裝置電池電量檢查是否電量充足；查驗(yàn)云臺(tái)三軸運(yùn)動(dòng)是否正常；對(duì)激光裝置無(wú)線通訊進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證測(cè)試數(shù)據(jù)是否能夠正常反饋；自動(dòng)調(diào)焦測(cè)試，在毫米波雷達(dá)前方放置障礙物檢查激光發(fā)生器自動(dòng)調(diào)焦裝置是否能夠正常調(diào)焦。

■3.3 作業(yè)過程

無(wú)人機(jī)搭載激光裝置飛行至模擬鳥巢清除作業(yè)區(qū)域，操作人員可以在地面遙控端通過無(wú)人機(jī)搭載的攝像頭觀察到輔助瞄準(zhǔn)激光裝置發(fā)射的激光點(diǎn)，從而進(jìn)一步的確定作業(yè)位置，通過無(wú)線遙控裝置控制激光清障裝置進(jìn)行云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)與激光發(fā)射或關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)模擬鳥巢的清除作業(yè)。

■3.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

選用大疆M600 Pro多旋翼無(wú)人機(jī)搭載15W/cm2的LED激光可在地面端遠(yuǎn)程控制無(wú)人機(jī)飛至模擬鳥巢附近，通過無(wú)人機(jī)自帶的攝像頭輔助激光裝置瞄準(zhǔn)鳥巢，當(dāng)作業(yè)人員通過遙控器控制激光發(fā)射后，鳥巢在6s內(nèi)燃燒，30s內(nèi)脫落，即完成模擬鳥巢的清除作業(yè)。清除作業(yè)完成后，線路金屬設(shè)備及桿塔無(wú)損傷情況出現(xiàn)。

4 結(jié)論

通過無(wú)人機(jī)搭載15W/cm2的LED激光可在地面端遠(yuǎn)程清除模擬線路桿塔上的鳥巢，且對(duì)桿塔、導(dǎo)線、絕緣子等設(shè)備無(wú)損傷。線路模擬試驗(yàn)證明，無(wú)人機(jī)搭載激光清障裝置可提供一種安全、高效、便捷地清除線路鳥巢的作業(yè)方式，有效減少配網(wǎng)線路鳥巢清除工作難度和風(fēng)險(xiǎn)，降低線路鳥巢引起的電力事故發(fā)生率，提升配網(wǎng)線路供電安全性和可靠性。