一種便攜式無(wú)人機(jī)起降平臺(tái)的研制與應(yīng)用

孫天成 吳建鋒 溫帶銀 尹斌鴻 鄭理威

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司江門(mén)供電局，廣東 江門(mén) 529000）

1 課題背景

隨著科技的發(fā)展，無(wú)人機(jī)越來(lái)越多地應(yīng)用于各行各業(yè)中，特別是在輸電線路運(yùn)檢方面。傳統(tǒng)作業(yè)方式是靠巡線工目測(cè)發(fā)現(xiàn)缺陷，往往輸電桿塔頂部的缺陷無(wú)法及時(shí)被發(fā)現(xiàn)，人巡獲取的數(shù)據(jù)精度不夠，而無(wú)人機(jī)可以飛越高山大嶺，其拍攝的高清晰度照片能夠幫助工作人員快速了解線路運(yùn)行情況，有效降低人力成本，提高工作效率。

然而，輸電線路鐵塔常常立于野外山區(qū)，復(fù)雜的環(huán)境給無(wú)人機(jī)起降帶來(lái)了麻煩。對(duì)于不平整的砂石地或雜草叢生的山地，在黃土地上或使用手持的方式起降無(wú)人機(jī)，都可能導(dǎo)致飛機(jī)損傷、破壞，更存在一些人身傷害風(fēng)險(xiǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2019年至今，廣東省內(nèi)無(wú)人機(jī)炸機(jī)事故中，有超過(guò)70%的事故發(fā)生在起飛和降落階段[1]。當(dāng)無(wú)人機(jī)預(yù)降落時(shí)，由于風(fēng)力與復(fù)雜的野外環(huán)境等因素影響，無(wú)人機(jī)易發(fā)生翻轉(zhuǎn)或碰撞?；诖?，本文研制了一款便攜式無(wú)人機(jī)起降平臺(tái)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，適用于市面上99%的無(wú)人機(jī)起降。而無(wú)人機(jī)設(shè)備在復(fù)雜的地理環(huán)境下均可以正常起降，能夠保證無(wú)人機(jī)使用的安全，防范誤傷無(wú)人機(jī)駕駛員的事故，保證人身安全。

2 電網(wǎng)無(wú)人機(jī)應(yīng)用情況分析

傳統(tǒng)的人工巡視作業(yè)效率低，智能巡檢應(yīng)運(yùn)而生，高精度、高效率的輸電運(yùn)維成為大勢(shì)所趨，因此無(wú)人機(jī)在電力行業(yè)高壓輸電線路運(yùn)維工作中的應(yīng)用已經(jīng)十分普及。

2.1 電網(wǎng)無(wú)人機(jī)應(yīng)用分類

電網(wǎng)系統(tǒng)中，輸電運(yùn)維應(yīng)用無(wú)人機(jī)通常分三類：巡視類、測(cè)量類、特種作業(yè)類[2]。

（1）巡視類無(wú)人機(jī)作為電網(wǎng)運(yùn)維最常見(jiàn)的應(yīng)用方式，通常運(yùn)維人員使用精靈4、御2無(wú)人機(jī)進(jìn)行輸電線路精細(xì)化巡視和通道巡視。在無(wú)人機(jī)精細(xì)化巡視過(guò)程中，操作人員駕駛無(wú)人機(jī)通過(guò)近距離拍攝輸電鐵塔各本體部件的照片，來(lái)進(jìn)行缺陷識(shí)別。相較于傳統(tǒng)的地面人工望遠(yuǎn)鏡查看，無(wú)人機(jī)作業(yè)可不受位置限制，在各個(gè)角度進(jìn)行部件拍攝和缺陷識(shí)別，發(fā)現(xiàn)重大緊急缺陷及時(shí)進(jìn)行處理，有效保證輸電線路運(yùn)行的可靠性。

（2）測(cè)量類無(wú)人機(jī)一般包括測(cè)溫類及測(cè)距類。

測(cè)溫類一般應(yīng)用大疆Mavic2熱成像雙光無(wú)人機(jī)，該無(wú)人機(jī)集成了熱成像傳感器，可感知?jiǎng)討B(tài)范圍在-10～400℃，可見(jiàn)光相機(jī)可拍攝高清晰視頻，一次航線飛行即可完成可見(jiàn)光和紅外光拍攝，實(shí)現(xiàn)了一次飛行完成兩項(xiàng)作業(yè)任務(wù)，作業(yè)效率大幅提升。

測(cè)距類無(wú)人機(jī)通常使用大疆經(jīng)緯M300RTK，不但可以搭載禪思H20鏡頭進(jìn)行紅外測(cè)溫，還可以搭載第三方鏡頭，如激光雷達(dá)鏡頭，對(duì)輸電線路保護(hù)區(qū)進(jìn)行飛行掃描，對(duì)輸電線路及地面物體進(jìn)行三維點(diǎn)云識(shí)別，實(shí)現(xiàn)樹(shù)木與導(dǎo)線距離、輸電線路對(duì)地距離、輸電線路與公路/鐵路等重要交叉跨越距離的準(zhǔn)確有效測(cè)量，及時(shí)發(fā)現(xiàn)其他物體與帶電導(dǎo)線距離不足問(wèn)題，保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

（3）特種作業(yè)類無(wú)人機(jī)一般應(yīng)用于特種作業(yè)，例如：1）噴水無(wú)人機(jī)，可帶電進(jìn)行輸電線路絕緣子清洗工作，防止在陰雨天發(fā)生絕緣子閃絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)；2）噴火無(wú)人機(jī)，可帶電進(jìn)行輸電線路飄掛物清除工作，將導(dǎo)線上或者橫擔(dān)嘴上的飄掛物及鳥(niǎo)巢、蜂巢點(diǎn)燃，謹(jǐn)防帶電體短路情況發(fā)生；3）植保無(wú)人機(jī)（大疆T40無(wú)人機(jī)），可進(jìn)行農(nóng)藥噴灑，也可對(duì)輸電線路保護(hù)區(qū)超高樹(shù)木進(jìn)行技術(shù)處理作業(yè)等。

2.2 無(wú)人機(jī)應(yīng)用現(xiàn)狀分析

上文介紹了輸電運(yùn)維人員經(jīng)常使用的無(wú)人機(jī)型號(hào)及分類。小型無(wú)人機(jī)，如御2起飛重量約907g，飛機(jī)展開(kāi)尺寸為322mm×242mm（長(zhǎng)×寬），每塊電池續(xù)航20min；中型無(wú)人機(jī)，如紅外測(cè)溫及激光雷達(dá)測(cè)距飛機(jī)經(jīng)緯M300RTK起飛重量約9kg，飛機(jī)展開(kāi)尺寸為430mm×420mm，每塊電池續(xù)航32min；大型無(wú)人機(jī)，如大疆植保無(wú)人機(jī)T40起飛重量約50kg，飛機(jī)展開(kāi)尺寸為1125mm×750mm，兩支撐架距離為600mm×550mm（長(zhǎng)×寬）[3]。鑒于此分析發(fā)現(xiàn)，常見(jiàn)飛機(jī)一般起飛重量均小于50kg，常見(jiàn)飛機(jī)尺寸均小于600mm×600mm，每塊電池續(xù)航時(shí)間約30min。

經(jīng)過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，目前市面上也存在無(wú)人機(jī)起降平臺(tái)，通常是一個(gè)圓形的防水優(yōu)質(zhì)尼龍或硬板，這些起降平臺(tái)功能單一、材質(zhì)普通，只能滿足輕質(zhì)無(wú)人機(jī)簡(jiǎn)單的起降需求，如遇復(fù)雜野外環(huán)境，如茂密的草地、水溝、斜坡等環(huán)境，均無(wú)法使用，為此本文致力于研發(fā)一款適用于全部尺寸的無(wú)人機(jī)起降平臺(tái)，該平臺(tái)材質(zhì)輕便，便于攜帶，且可依據(jù)太陽(yáng)能電池板外置充電接口，為無(wú)人機(jī)提供良好的起降環(huán)境，同時(shí)為無(wú)人機(jī)提供充足的電能供應(yīng)。

3 起降平臺(tái)技術(shù)方案

基于上文分析，研制了一款新型可便攜無(wú)人機(jī)起降平臺(tái)，滿足適用于各種機(jī)型起降、適用于各種地形的應(yīng)用場(chǎng)景、為無(wú)人機(jī)提供充足的電力供應(yīng)等三種需求。起降平臺(tái)技術(shù)方案如圖1、圖2所示，共由17個(gè)零部件組成，其主要功能及技術(shù)設(shè)計(jì)思路如下：

圖1 起降平臺(tái)折疊外觀圖

圖2 起降平臺(tái)展開(kāi)工作圖

1為塑膠把手，塑膠材質(zhì)，輕質(zhì)防滑，設(shè)計(jì)匹配可伸縮鋁合金拉桿。

2為可伸縮鋁合金拉桿，與塑膠把手1成一體設(shè)計(jì)，航空鋁材質(zhì)，用于拖動(dòng)起降平臺(tái)主體4移動(dòng)，不使用時(shí)可伸縮至平臺(tái)主體內(nèi)。

3為折疊合頁(yè)，航空鋁材質(zhì)，用于連接起降平臺(tái)主體4，使其可以展開(kāi)與合上。

4為起降平臺(tái)主體，航空鋁材質(zhì)，無(wú)人機(jī)在起降平臺(tái)主體進(jìn)行起飛和降落，鏤空設(shè)計(jì)，降低起降平臺(tái)整體質(zhì)量。

5為防震緩沖鈕，配合起降平臺(tái)主體4展開(kāi)后，起到支撐、防震、保護(hù)作用。

6為移動(dòng)滑輪，用于配合可伸縮鋁合金拉桿2來(lái)帶動(dòng)起降平臺(tái)主體4移動(dòng)。

7為底部折疊合頁(yè)，航空鋁材質(zhì)，用于連接起降平臺(tái)主體4底部，使其可以展開(kāi)與合上。

8為USB充電口，可提供5V/1A的充電接口。

9為平臺(tái)提手，航空鋁材質(zhì)，用于提起起降平臺(tái)。

10為USB充電口，可提供12V/2A的充電接口。

11為支撐腳架腳墊，用于輔助支撐腳架12更平穩(wěn)地支撐便攜式無(wú)人機(jī)起降平臺(tái)。

12為支撐腳架，將起降平臺(tái)主體4展開(kāi)后，打開(kāi)支撐腳架可將便攜式無(wú)人機(jī)起降平臺(tái)放置在野外環(huán)境中。

13為可調(diào)節(jié)卡扣，本平臺(tái)支撐腳架12可進(jìn)行250mm長(zhǎng)短調(diào)節(jié)，腳架每個(gè)腿最長(zhǎng)可達(dá)到450mm，確保在傾斜位置也可以通過(guò)調(diào)整腿長(zhǎng)短來(lái)保持起降平臺(tái)的平衡。

14為防震緩沖鈕，作用原理與防震緩沖鈕5相同。

15為太陽(yáng)能電池板，與起降平臺(tái)一體化設(shè)計(jì)，可提供12V和5V兩種電壓輸出。

16為水準(zhǔn)儀，通過(guò)判斷水準(zhǔn)儀情況，來(lái)確保起降平臺(tái)高度水平。

17為反光板，既可發(fā)光又可反光，即便在夜間飛行，也可實(shí)現(xiàn)飛機(jī)快速找到起降平臺(tái)位置。

本方案設(shè)計(jì)質(zhì)量為7.8kg，起降平臺(tái)展開(kāi)面積800mm×800mm，平臺(tái)高度450mm，折疊后尺寸為400mm×400mm，厚度為150mm，適用于大疆全系列機(jī)型，可承受500N的下壓力。

4 應(yīng)用成效

作業(yè)人員通過(guò)可伸縮鋁合金拉桿2和移動(dòng)滑輪6將便攜式無(wú)人機(jī)起降平臺(tái)拉到作業(yè)點(diǎn)，根據(jù)作業(yè)環(huán)境選擇合適的作業(yè)位置，通過(guò)使用折疊合頁(yè)3將起降平臺(tái)主體4展開(kāi)，將支撐腳架12從內(nèi)部翻轉(zhuǎn)出來(lái)，通過(guò)調(diào)節(jié)可調(diào)節(jié)卡扣13，將支撐腳架12每個(gè)腿調(diào)整至合適長(zhǎng)度，然后將無(wú)人機(jī)放置在起降平臺(tái)主體4平面上便可以開(kāi)展無(wú)人機(jī)的起飛工作。無(wú)人機(jī)巡視工作結(jié)束后，降落在起降平臺(tái)主體4上，將無(wú)人機(jī)裝機(jī)收好，便可以按照上面的展開(kāi)順序?qū)⒈銛y式無(wú)人機(jī)起降平臺(tái)合上收起，完成本次無(wú)人機(jī)巡視工作。

該起降平臺(tái)外觀簡(jiǎn)潔美觀，產(chǎn)品化設(shè)計(jì)思路，拉桿箱式移動(dòng)方式，4個(gè)可伸縮式支架，能夠滿足各類無(wú)人機(jī)不同野外環(huán)境的起降需求；平臺(tái)表面一體化設(shè)計(jì)8塊太陽(yáng)能電池板，可提供12V和5V兩種電壓輸出，為無(wú)人機(jī)電池及無(wú)人機(jī)遙控器持續(xù)提供電能，解決野外作業(yè)電池電量不足的問(wèn)題。平臺(tái)表面外部布置8塊發(fā)光條幅，保證無(wú)人機(jī)即便在夜間工作也可準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)無(wú)人機(jī)起降位置，滿足無(wú)人機(jī)起降過(guò)程中的可視化需求。起降平臺(tái)實(shí)物圖如圖3所示。

圖3 起降平臺(tái)實(shí)物圖

該成果已于2021—2022年在江門(mén)供電局輸電管理一所試驗(yàn)應(yīng)用，據(jù)統(tǒng)計(jì)，應(yīng)用此成果近兩年，江門(mén)輸電一所由無(wú)人機(jī)起降導(dǎo)致炸機(jī)數(shù)量減少12臺(tái)，根據(jù)每臺(tái)無(wú)人機(jī)維修費(fèi)用5000元計(jì)，有效減少無(wú)人機(jī)維修費(fèi)6萬(wàn)元，提高無(wú)人機(jī)起降安全性的同時(shí)，也延長(zhǎng)了無(wú)人機(jī)的使用壽命。

針對(duì)本文成果便攜式無(wú)人機(jī)起降平臺(tái)，應(yīng)用總結(jié)如下：

（1）該平臺(tái)自2021年使用至今，在保證操作簡(jiǎn)便、便攜的同時(shí)，降低了無(wú)人機(jī)起降風(fēng)險(xiǎn)，將無(wú)人機(jī)炸機(jī)率降低50%，延長(zhǎng)了無(wú)人機(jī)的使用壽命。

（2）該平臺(tái)從根本上解決了無(wú)人機(jī)起降難的問(wèn)題，有效降低了無(wú)人機(jī)及作業(yè)人員安全風(fēng)險(xiǎn)。

（3）該平臺(tái)從根本上解決了傳統(tǒng)起降平臺(tái)功能單一、材質(zhì)簡(jiǎn)單的問(wèn)題，針對(duì)無(wú)人機(jī)電池耐久性差的缺陷，能夠有效提供電源供應(yīng)，對(duì)電源進(jìn)行及時(shí)充電。

綜上所述，本次試運(yùn)行達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，產(chǎn)品性能得到了驗(yàn)證和完善，可以開(kāi)展進(jìn)一步的推廣。

5 結(jié)語(yǔ)

無(wú)人機(jī)起降平臺(tái)設(shè)計(jì)尺寸為800mm×800mm，折疊后尺寸為400mm×400mm，質(zhì)量為7.8kg，一體化設(shè)計(jì)，可折疊，裝拆快速，最大承重超過(guò)50kg，可滿足輸電運(yùn)維99%的無(wú)人機(jī)起降需求；配置2個(gè)萬(wàn)向輪，便于作業(yè)人員攜帶轉(zhuǎn)移。該設(shè)備可不受野外環(huán)境影響，為無(wú)人機(jī)起降提供飛行保障和電力供應(yīng)，提高無(wú)人機(jī)作業(yè)效率，降低無(wú)人機(jī)及作業(yè)人員安全風(fēng)險(xiǎn)，值得在無(wú)人機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域全面推廣。