自動控制無人駕駛飛艇保持安全作業距離的幾個重要技術環節

孫正來 江東勝 王彩虹 徐誠

【摘要】 無人駕駛飛艇在電力應急中具有重要作用。為了解決單純依靠遠程遙控或自控存在較大安全風險的問題，國家電網公司發明了帶自動線控的無人飛艇應急作業方法，本文則從技術實現上闡述自動控制無人飛艇保持安全作業距離的幾個重要技術環節、處理措施和改進建議。

【關鍵詞】 無人飛艇 自動控制 懸鏈線

一、引言

電力設施分布范圍廣，架空線路長，又處于露天運行，易受到周圍環境與自然變化的影響。特別在氣候劇烈變化、自然災害、超負荷運行和意外事故等情況時，容易發生電力事故，給國民經濟與人民生活帶來很大的影響。為此，通過電力應急快速到達、迅速定位并排除故障或隱患就顯得尤為重要。當有重大災情發生，地面應急手段難以快速達到目標時，利用無人機（包括無人飛機和無人飛艇）進行低空應急將大幅提高工作效率。但是，在遙控或自控飛行模式下，安全性無法保障，非常容易與帶電體發生碰撞，發生危險，反而造成更大的故障。與線路巡檢[3]的要求不同的是，電力應急所表現的非計劃性、區域局部性和響應的持續性，對飛行器的要求更側重于長時間浮空和懸行、更好的穩定性和應急救援方面，這些是無人飛機技術在原理上難以突破的瓶頸。

為此，國家電網公司1發明了針對無人飛艇的自動線控安全作業方法及其裝備[1]，并研究了在風力作用下的擴展懸鏈線模型[2]。本文則從技術實現上闡述自動控制無人飛艇保持安全作業距離的幾個重要技術環節、處理措施和改進建議。

二、雨雪作用下的線控模型

牽引繩在自然下垂狀態下表現了懸鏈線模型曲線，在風力作用下的文獻[2]推導了擴展懸鏈線模型。由于雨雪影響是不可必避免的，牽引繩的曲線模型應包含雨雪的影響規律，以便得出符合不同天氣下的實際的模型。

雨雪作用分兩個方面：1、直接作用，在應急現場局部范圍內，可以假定雨雪對和牽引繩的作用是均勻的，因此與風力作用類似，因此，可將雨雪作用并入風力作用，代入懸鏈線模型和伯努利風壓方程一并推導。2、間接作用，繩子被雨雪侵蝕，密度值提高，因此通過修改懸鏈線模型和伯努利風壓方程中的密度常數解決。

三、自動線控決策機制

按照線控飛艇以保持安全距離的工作特點，在均勻放線、均勻收線和保持三種情況下，最符合上述模型描述的規律。一旦系統感知飛艇失控，則以最快的加速度開始收線直到完成。此時，飛艇做為端點之一會產生強大的加速變化的反作用力和劇烈的位移。收線作用力越大，模型中風力和線密度的影響越小，線的狀態越趨直線。由于在失控收線狀態下，快速變化的計算結果，無論值為多少，均不會用于改變收線方式的依據。因此，模型只用于放線和保持兩種狀態的決策或驗證，不必用于失控保護收線過程的計算。同時，由于線控系統對飛艇是否失控的決策的準確性是非常重要的，在實際算法中，不僅參照模型計算結果的變化，同時參照飛艇的三維坐標值及其變化，以便對判斷是否失控做雙重的、更可靠、也更有利的決策。

四、自動線控機位置確定

如圖1所示，紅線為飛艇的飛行曲線，藍線為飛艇最終接近一定高度監測點（h），并保持安全距離（K）的臨界線。當飛艇位置未及臨界線之前，線控機是依據拉力檢測決定放線的，最小拉力值約為5KG（可調），最大拉力值為300KG（可調），因此，轉出足夠長的牽引線，使飛艇一開始獲得自由飛行的慣性。因此，自動線控設備的選點不宜離監測點太近。

由于自動線控是強制安全可靠的技術措施，線材選擇的是3mm直徑的凱夫拉繩，并采用抗拉力好的編織結構，具有連續承受300KG的拉力，與飛艇自控或遙控飛行相比，可在大風天氣下作業，此時，自動線控設備的選點必須在上風頭。

如圖2所示，為了保持飛艇與作業面保持安全距離，自動線控機應與監測點保持垂直，由于應急現場不可能完全滿足自動線控設備的工作條件，此時，安全距離（K）是與最短垂直安全距離（K）的關系為：

K = X – R = X – （ L – K ） = X + K – L

其中：K根據電力急應對象，由電力規程確定，X和L在作業前通過激光測距獲得。

將K的值輸入自動線控系統，系統按照該值自動處理飛艇作業時的安全控制依據。

如圖3所示，為復雜作業環境下K的計算。

由于監測點位于三條電力線的前方，而自動線控機必須位于最好觀測方向，此時，須做多向測距，得出作業面由自動線控機位置與距離最近的水平方向的電力線為半徑畫出，從而計算最安全的K值。

五、自動線控飛艇的高度

如圖4所示，計算K還考慮飛行高度的影響。按照自動線控機設計的收線速度，當飛艇高度與監測點高度相當時，自動線控機位置宜選擇線控角度不大于45度，對線控最為有利。風速較低時，角度可適當提高，風速越大，角度越小越安全。作業面的位置通過目視最近的障礙物，對其激光測距，從而求出K。

五、改進建議

根據自動線控飛艇作業試驗和演練，以下改進可以進一步提高作業效率。

？ 線控機出線導向的改進

？ 線控機出線人工輔助

？ 線控機與運載車輛整合提高作業效率

？ 飛艇裝備與運載車輛的整合提高作業效率

？ 作業吊倉應進一步整合各模塊，使重量減輕，自穩更好。

參 考 文 獻

[1]王國富，劉軍等，觀測帶電檢測體的無人駕駛飛艇控制裝置及其控制方法，發明專利申請號或專利號201510209640.8

[2]王國富，劉軍等，自動控制無人駕駛飛艇保持安全作業距離的數學模型研究，合肥工業大學學報（自然科學版），2016.2