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电力系统六旋翼无人机的研制论文

发布时间:2020-11-21 11:20:07 文章来源:SCI论文网 我要评论














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摘要:本文针对电力系统架线存在的问题,分析了其需求,根据无人机的特点,研制了一款电力系统专用架线无人机。该无人机具有一体化可拆装的特点,保证无人机能够便于携带、运输、使用和维修,并且具备较强的防沙尘、雨水能力。另外,该无人机具有强劲的动力,具备强悍的抗风性能和海拔适应能力,有效保障安全飞行作业。通过优化机身及旋翼设计,保证了较长的续航时间,能够满足现阶段对电力系统架线的需求。

关键词:电力系统;架线无人机;研制

本文引用格式:雷英栋.电力系统六旋翼无人机的研制[J].教育现代化,2019,6(66):234-235.

一 研究背景

随着无人机的智能化、挂载多样化,不断开拓新的应用领域。无人机在电网建设、应急响应、规划设计、巡检等方面的应用逐步增多,既能有效降低电力企业的成本预算,提升工作效率,又能大幅度减小故障率。随着电力系统对无人机需求的逐步增多以及无人机技术的迅猛发展,无人机巡检、架线等技术在电力系统的推广和应用势必会起到十分重要的作用。

最早将飞行器运用到电力系统研究的是一些欧美经济发达国家,探索将直升机应用到输电线路巡视上,最早利用无人机巡检线路的是英国威尔士大学和英国EA电力咨询公司。之后,越来越多的大学、企业、研究所将计算机视觉技术、故障自动检测技术、三维图像监测技术应用到无人机线路巡视上。

近些年,无人机展放导引绳技术越来越成熟,利用无人机架线,可以大大提高电力架线的工作效率,降低运行成本,提高施工过程中的安全性。我国的无人机技术起步相对较晚。在电力行业中,直到2009年国家电网才正式开始对无人机的巡线、架线等领域展开立项研究。

可以看到,对于电力系统旋翼无人机,国内外以及有了一定的研究,主要应用于电力巡线,对于电力架线无人机的研究甚少。因此,本项目研究开发一款具备长航时,高抗风性能,同时便于拆装运输的电力系统六旋翼无人机。

二 电力架线需求分析

在国家电网进行架线工程施工过程中经常会跨越原始森林,也经常会遇到灌木丛等复杂危险情况,而通常原始森林是不能砍伐的,因此给工程施工带来了极高的难度。因此需要设计一款无人机,将可以轻松的飞越树木,并通过向地面空投导引绳,完成施工。

在传统的长江水面的架线作业中,通常情况下只能由拖船将牵引绳拖过水面,如此操作需要对施工水域进行封航,封航会直接造成经济损失。因此需要更高效的更便捷的架线方式,通过无人机遥控拖拽导引绳,使导引绳从长江上空飞过,避免长江封航是一个不错的选择。

在线路改造过程中,需要在一条通电线路的基础上横跨一条新的线路,为了保证施工人员的安全,无论多重要的线路,传统施工只能首先对原线路进行断电后再施工。最好的办法是设计一款设备,可以实现带电跨越,可避免断电施工。

综上,电力系统的架线在实际工作中,所受到的场地和环境之复杂是不可想象的,甚至很多地方都是人迹罕至,施工的难度和危险性极大。因此,如果是无人机架线,希望架线无人机配上自主飞行系统,不仅可以减少了劳动强度和难度,而且也保障了电力工人的人身安全。

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三 关键技术设计

(一)长航时设计


目前,无人机的续航问题是制约无人机发展的最重要因素,各个研究团队都在想尽一切办法提高无人机的续航能力。一般来说提高续航能力有很多措施,比如使用大容量电池。或是通过无人机整体设计,提高无人机的气动效率等。针对本项目无人机架线的工作特点及飞行负载,通过设计高效率的螺旋桨,并且匹配设计高效的电机、电子调速器系统,从而提高整机的力学效率,提高旋翼气动效率,是提高续航更为可行的方法。以此满足大载重架线,实现3.5mm直径线1200米长(约6公斤)载重,同时遥控、电台、图传传输距离达到1.5KM,同时续航时间挂载3KG达到25分钟的要求。

(二)强抗风能力设计

由于电力线经常架设在山区,环境恶劣,风速和山谷间乱流比较严重,需要飞行器具有较好的抗风性能。超高压输电线路一般建设在高山峻岭之间或人烟较少之地,气象及地形条件复杂。要求飞行器必须具有较好的气象适应能力及控制能力,应具备5级风的抗风性才能有效保障飞行作业。

(三)海拔适应能力设计

输电线路大多穿越在山地之中,随着地形变化设计施工,海拔变化大,对地高度变化大。要求飞行器必须具有较强的海拔适应能力,无人机能够达到相对飞行高度300米,且能稳定地控制在相对地面70至150米高度上随地形变化进行飞行的能力。

(四)一体式折叠快拆机身设计

由于电力类无人机作业环境比较艰苦,经常涉及山区作业,考虑到续航等问题,电力架线人员需要携带无人机长距离运输,对于无法拆装或折叠的无人机使用相当不便,尤其是起落架和机臂是导致无人机系统难以携带的一个重要原因。因此,本项目的研究在于设计一款具有快速拆装结构的起落架,从而能够提高机器的便携性,减小运输体积。对于快拆机架的要求是:结构简单、抗风沙、雨水、强度达到满足飞行器起降的要求,同时考虑到运输的便利性。

四 研究创新点

(一)实现快速拆装便携设计


本项目研制的电力系统无人机采用一体式折叠设计,使用维护简便,降低了使用要求,并且全系统具有较好的拆装稳定性,简单易学、操作方便。快拆脚架、机臂不仅结构简单,达到了较强的抗风沙、雨水等级要求,同时强度也达到满足飞行器起降的要求,考虑到运输、使用和维修的便利性。

(二)实现强劲动力及长时间续航

动力性能与续航时间是无人机系统的核心指标,集中体现在电力行业应用中。由于电力线经常架设在山区,环境恶劣,风速和山谷间乱流比较严重,需要飞行器具有较好的抗风性能,同时还要保证足够的续航时间完成作业。本项目主要突破路径是针对工作负载,设计高效率的螺旋桨,并且匹配设计高效的电机、电子调速器系统,从而提高整机的力学效率。目前本项目的六旋翼气动效率可以做到10克每瓦,抗风可以达到6级。通过设计,该无人机续航时长达到了50分钟,大大提高了作业任务的操作时长,提高了整个工作效率。

五 结语

本文针对电力系统架线存在的问题,分析了复杂地形等架线其需求,根据无人机的特点,研制了一款电力系统专用架线无人机,突破了长续航、强抗风、便于运输携带等各个关键技术,达到了非常良好的效果。研制的无人机具有机身一体化可拆装的特点,保证了无人机能够便于携带、运输、使用和维修,并且具备较强的防沙尘、雨水能力。另外,通过旋翼的优化设计,电机电调的匹配,该无人机具有强劲的动力,具备强悍的抗风性能和海拔适应能力,有效保障安全飞行作业。通过优化机身及旋翼设计,选择合适的电池,保证了无人机载重飞行较长的续航时间,能够满足现阶段对电力系统架线的需求。另外,对于后期其他挂载的使用提供了可能。

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参考文献

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