一種適用于輸電線路跨線牽引無(wú)人機(jī)的飛行方案設(shè)計(jì)

王燾榮　諶海云

【摘 要】輸電線路帶電作業(yè)專用的微型無(wú)人機(jī)在飛行中駕駛員難以對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行及時(shí)有效的避障操控，對(duì)此本文設(shè)計(jì)了針對(duì)性極強(qiáng)的自主飛行方案，此方案算法簡(jiǎn)潔精煉，充分考慮了工程應(yīng)用中的價(jià)值需求，具有很高的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】無(wú)人機(jī)；自主飛行；工程應(yīng)用

0 引言

在高壓架空輸電線路的檢修作業(yè)中，傳統(tǒng)方法是檢修工人從桿塔底部攀爬到塔頂，再逐步移動(dòng)到線路檢修所在位置。這種方法繁瑣低效，于是誕生了專用于電力檢修的無(wú)人機(jī)跨線飛行策略。

此策略需要用無(wú)人機(jī)牽引一根無(wú)人機(jī)可負(fù)載的細(xì)導(dǎo)繩繞過(guò)輸電線路，通過(guò)這根細(xì)導(dǎo)繩逐漸將更粗的導(dǎo)繩牽引繞過(guò)輸電線路，重復(fù)此動(dòng)作直到最后一根導(dǎo)繩繞過(guò)輸電線路。最后這根導(dǎo)繩將把電力檢修人員和檢修設(shè)備拉到輸電線路上，使其可進(jìn)行電力檢修作業(yè)。此策略中，目前對(duì)于無(wú)人機(jī)的飛行采用的是遙控手動(dòng)控制，但無(wú)人機(jī)在抵近輸電線路的飛行以及在輸電線路之間的飛行中，存在肉眼難以遠(yuǎn)距離有效觀測(cè)、高空氣流環(huán)境復(fù)雜、無(wú)人機(jī)牽引導(dǎo)繩時(shí)慣性質(zhì)量過(guò)大且導(dǎo)繩過(guò)長(zhǎng)等因素，無(wú)人機(jī)駕駛員難以及時(shí)操控?zé)o人機(jī)使其避開(kāi)輸電線路。

據(jù)此，本文設(shè)計(jì)了一種專用于跨線導(dǎo)繩牽引無(wú)人機(jī)的自主飛行方案。

1 跨輸電線路的飛行方案

圖1為無(wú)人機(jī)靠近輸電線路時(shí)情況。

以三線輸電線路為例，三條輸電線路分別為J1，J2，J3。J1和J2確定一個(gè)下平面H，無(wú)人機(jī)到J1的連線與H面的夾角為？茲1，無(wú)人機(jī)到J2的連線與H面的夾角為？茲2，無(wú)人機(jī)到J3的連線與水平面的夾角為？茲3。J1到J2的距離l為已知，？茲1、？茲2和？茲3可由機(jī)載系統(tǒng)測(cè)得。根據(jù)已知信息作圖如下：

圖2 無(wú)人機(jī)靠近輸電線路時(shí)場(chǎng)景分析

圖2中，d1為無(wú)人機(jī)所在點(diǎn)A到J1的距離，d2為無(wú)人機(jī)到J2的距離。圖中大三角形為直角三角形，h為無(wú)人機(jī)到H面的垂直距離，l′為無(wú)人機(jī)到J1的水平距離，過(guò)J1點(diǎn)作AJ2的垂線h′。由此有：

自主飛行方案：①水平飛行使無(wú)人機(jī)在J1右下側(cè)A點(diǎn)處；②無(wú)人機(jī)從A點(diǎn)豎直上升到H平面上方使其到H平面的豎直距離為h的B點(diǎn)處；③無(wú)人機(jī)從B點(diǎn)水平飛行至C點(diǎn)，懸停并釋放導(dǎo)繩；④從C點(diǎn)水平飛行至右側(cè)D點(diǎn)處，然后接上遙控信號(hào)，返航。飛行軌跡如圖所示。

圖3 三線輸電線無(wú)人機(jī)繞J1跨線飛行方案

A點(diǎn)在J1右側(cè)下方，B點(diǎn)在J1右側(cè)上方，AB連線到J1的水平距離L′設(shè)定為無(wú)人機(jī)緊急壁障反應(yīng)距離的1～1.2倍之間。B、C所在水平面設(shè)定為從H平面到J3之間，無(wú)人機(jī)頂部到H平面垂直距離設(shè)定為機(jī)身高度的1.2～1.4倍之間。C點(diǎn)到J1的水平距離為l的1/3～2/3倍之間。D點(diǎn)到J1的水平距離需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)速、天氣等因素設(shè)定，D點(diǎn)必須在B點(diǎn)右側(cè)，需保證無(wú)人機(jī)返航過(guò)程中不接觸到導(dǎo)繩。

2 飛行方案擴(kuò)展

上述方案在應(yīng)用到其他類型輸電線路的跨線飛行與釋放導(dǎo)繩的作業(yè)中時(shí)，只需要改變A、B、C、D的位置即可。

2.1 三線輸電線路跨J3飛行

在自主飛行方案中，改變B點(diǎn)的水平高度為J3所在平面上方，無(wú)人機(jī)頂部到J3所在平面垂直距離設(shè)定為機(jī)身高度的1.2～1.4倍之間。C點(diǎn)所在水平位置設(shè)置為J3左側(cè)l23的1/3～2/3倍處。飛行軌跡如圖所示。對(duì)于繞J2飛行，只需把J2處理成J1即可。

2.2 多線路輸電線路跨線飛行方案

對(duì)多線路的輸電線路，均可按照三線輸電線路中J1和J3線的飛行方案飛行，以下是部分飛行方案路徑圖。

其他線路環(huán)境如五線繞J4以及六線或更復(fù)雜的線路情況下，均可按照三線、四線、五線等線路的飛行方案進(jìn)行軌跡規(guī)劃，此處不再贅述。

3 總結(jié)

本方案為針對(duì)無(wú)人機(jī)跨線飛行的嵌入式輔控飛行方案，與無(wú)人機(jī)飛控系統(tǒng)結(jié)合使用。本方案算法簡(jiǎn)潔精煉，運(yùn)算量小，具有十分高的可移植性，適合于工程實(shí)際應(yīng)用，在無(wú)人機(jī)的跨線飛行中可取得良好成績(jī)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]胡濤，胡毅，李景祿，等.輸電線路帶電作業(yè)的安全防護(hù)[J].高電壓技術(shù)，2006，32（5）：22-25.

[2]王慶江，高曉光，符小衛(wèi).無(wú)威脅情況下任意兩點(diǎn)間的無(wú)人機(jī)路徑規(guī)劃[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2009，31（9）：2157-2162.

[3]劉洋.動(dòng)態(tài)環(huán)境中的無(wú)人機(jī)路徑規(guī)劃研究[D].西北工業(yè)大學(xué)，2015.

[4]符小衛(wèi)，高曉光.一種無(wú)人機(jī)路徑規(guī)劃算法研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2004，16（1）：20-21.