一種便攜式無人機(jī)起降平臺(tái)的研制與應(yīng)用

1課題背景

隨著科技的發(fā)展,無人機(jī)越來越多地應(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法及時(shí)被發(fā)現(xiàn),人巡獲取的數(shù)據(jù)精度不夠,而無人機(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)境給無人機(jī)起降帶來了麻煩。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)無人機(jī)炸機(jī)事故中,有超過70%的事故發(fā)生在起飛和降落階段。當(dāng)無人機(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,無人機(jī)易發(fā)生翻轉(zhuǎn)或碰撞。基于此,本文研制了一款便攜式無人機(jī)起降平臺(tái),結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,使用方便,適用于市面上99%的無人機(jī)起降。而無人機(jī)設(shè)備在復(fù)雜的地理環(huán)境下均可以正常起降,能夠保證無人機(jī)使用的安全,防范誤傷無人機(jī)駕駛員的事故,保證人身安全。

2電網(wǎng)無人機(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)無人機(jī)應(yīng)用分類

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

(1)巡視類無人機(jī)作為電網(wǎng)運(yùn)維最常見的應(yīng)用方式,通常運(yùn)維人員使用精靈4、御2無人機(jī)進(jìn)行輸電線路精細(xì)化巡視和通道巡視。在無人機(jī)精細(xì)化巡視過程中,操作人員駕駛無人機(jī)通過近距離拍攝輸電鐵塔各本體部件的照片,來進(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熱成像雙光無人機(jī),該無人機(jī)集成了熱成像傳感器,可感知?jiǎng)討B(tài)范圍在-10~400℃,可見光相機(jī)可拍攝高清晰視頻,一次航線飛行即可完成可見光和紅外光拍攝,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)線距離不足問題,保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

(3)特種作業(yè)類無人機(jī)一般應(yīng)用于特種作業(yè),例如:1)噴水無人機(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)嘴上的飄掛物及鳥巢、蜂巢點(diǎn)燃,謹(jǐn)防帶電體短路情況發(fā)生:3)植保無人機(jī)(大疆T40無人機(jī)),可進(jìn)行農(nóng)藥噴灑,也可對(duì)輸電線路保護(hù)區(qū)超高樹木進(jìn)行技術(shù)處理作業(yè)等。

2.2無人機(jī)應(yīng)用現(xiàn)狀分析

上文介紹了輸電運(yùn)維人員經(jīng)常使用的無人機(jī)型號(hào)及分類。小型無人機(jī),如御2起飛重量約907g,飛機(jī)展開尺寸為g22mm×242mm(長(zhǎng)×寬),每塊電池續(xù)航20min:中型無人機(jī),如紅外測(cè)溫及激光雷達(dá)測(cè)距飛機(jī)經(jīng)緯Mg00RTK起飛重量約9kg,飛機(jī)展開尺寸為4g0mm×420mm,每塊電池續(xù)航g2min:大型無人機(jī),如大疆植保無人機(jī)T40起飛重量約50kg,飛機(jī)展開尺寸為1125mm×750mm,兩支撐架距離為600mm×550mm(長(zhǎng)x寬)。鑒于此分析發(fā)現(xiàn),常見飛機(jī)一般起飛重量均小于50kg,常見飛機(jī)尺寸均小于600mm×600mm,每塊電池續(xù)航時(shí)間約g0min。

經(jīng)過調(diào)查發(fā)現(xiàn),目前市面上也存在無人機(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,均無法使用,為此本文致力于研發(fā)一款適用于全部尺寸的無人機(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,為無人機(jī)提供良好的起降環(huán)境,同時(shí)為無人機(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:

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)。

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

4為起降平臺(tái)主體,航空鋁材質(zhì),無人機(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展開后,打開支撐腳架可將便攜式無人機(jī)起降平臺(tái)放置在野外環(huán)境中。

1g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調(diào)整腿長(zhǎng)短來保持起降平臺(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,通過判斷水準(zhǔn)儀情況,來確保起降平臺(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)人員通過可伸縮鋁合金拉桿2和移動(dòng)滑輪6將便攜式無人機(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,通過使用折疊合頁(yè)g將起降平臺(tái)主體4展開,將支撐腳架12從內(nèi)部翻轉(zhuǎn)出來,通過調(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,然后將無人機(jī)放置在起降平臺(tái)主體4平面上便可以開展無人機(jī)的起飛工作。無人機(jī)巡視工作結(jié)束后,降落在起降平臺(tái)主體4上,將無人機(jī)裝機(jī)收好,便可以按照上面的展開順序?qū)⒈銛y式無人機(jī)起降平臺(tái)合上收起,完成本次無人機(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,為無人機(jī)電池及無人機(jī)遙控器持續(xù)提供電能,解決野外作業(yè)電池電量不足的問題。平臺(tái)表面外部布置8塊發(fā)光條幅,保證無人機(jī)即便在夜間工作也可準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)無人機(jī)起降位置,滿足無人機(jī)起降過程中的可視化需求。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2021一2022年在江門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,江門輸電一所由無人機(jī)起降導(dǎo)致炸機(jī)數(shù)量減少12臺(tái),根據(jù)每臺(tái)無人機(jī)維修費(fèi)用5000元計(jì),有效減少無人機(jī)維修費(fèi)6萬(wàn)元,提高無人機(jī)起降安全性的同時(shí),也延長(zhǎng)了無人機(jī)的使用壽命。

針對(duì)本文成果便攜式無人機(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),降低了無人機(jī)起降風(fēng)險(xiǎn),將無人機(jī)炸機(jī)率降低50%,延長(zhǎng)了無人機(jī)的使用壽命。

(2)該平臺(tái)從根本上解決了無人機(jī)起降難的問題,有效降低了無人機(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)單的問題,針對(duì)無人機(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,可以開展進(jìn)一步的推廣。

5結(jié)語(yǔ)

無人機(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50kg,可滿足輸電運(yùn)維99%的無人機(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,為無人機(jī)起降提供飛行保障和電力供應(yīng),提高無人機(jī)作業(yè)效率,降低無人機(jī)及作業(yè)人員安全風(fēng)險(xiǎn),值得在無人機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域全面推廣。