無人機電池增容及防墜落系統的研究

貴州電網有限責任公司興義供電局 柴劍珩 龍福剛 楊瑞景 李興斗

無人機具有高靈活性、快速反應、低廉成本及快速便捷等特點，已廣泛應用于電網的規劃、建設、運行和維護中。電網行業大范圍采用了大疆御2系列無人機作為線路巡檢工作的標準工具，因原裝單塊電池的容量有限，無法滿足高強度工作的時長需求，往往需要攜帶多塊電池且無法在野外作業環境下進行充電，并且其他外部環境等因素影響可能會造成無人機意外墜毀。因此無人機電池續航能力的提升及無人機墜機的預防，成為亟待解決的問題。本項目設計了一款適合大疆御2系列無人機的增容電池，性能優良、運行流暢且安全可靠，能有效增加電池的續航時間，提高無人機的巡檢效率；并在電池外殼上增加安全防墜落裝置系統，可減少墜機帶來的財產損失。

1 項目背景及研究意義

我國地形條件復雜，高山、峽谷、丘陵眾多，部分區域或水網密布（江南水鄉）或溝壑叢生（黃土高原），在諸多復雜地形的基礎上規劃電網施工藍圖，建設電網基礎設施，保障電網安全運行，測試電網線路狀態，電力行業篳路藍縷、久久為功。隨著電網工業的發展，科學技術的進步，電網基礎設施建設水平全面提升、日益完善，電力行業產業升級逐步縱深、有序推進，對新型的工作工具和工作方法提出了現實需求。

在此背景下，快速發展的無人機、智能機器人等新型工具已廣泛應用于電網的規劃、建設、運行和維護中。在很多復雜地形條件下開展的電網線路巡檢工作中，相較于因條件受制而采取的傳統人力工作方式，無人機的高靈活性、快速反應、低廉成本及快速便捷等特點，大概率避免了人員工作勞損及檢測數據誤差等問題，提高了工作效率和故障識別效率。目前行業內巡檢用無人機續航時間普遍較短，使得巡檢工作效率過低。以貴州電網公司興義供電局輸電管理所為例，每個班組配置3臺大疆御2系列無人機，在外出進行線路巡檢工作中，平均工作強度要求每臺無人機至少配備10～15塊原裝電池，電池總重量也隨攜帶電池數量的增加而增長，為巡檢工作帶來了不便。因此，無人機巡檢工作對單塊電池的續航能力提出了更高的要求。同時因工作損耗，無人機電池消耗量在逐年增加，而原裝電池價格成本較高，一旦無人機在飛行過程中遇到緊急情況導致墜毀，也會造成一定的財產損失。

興義供電局從2020年開始采購并應用大疆御2系列無人機，但該無人機電池僅有3,850hA，正常飛行時間僅能保證20～25min。

基于以上現狀，本項目設計增加電池容量，延長飛行時間，同時，在電池外殼上集成防墜落裝置（如圖1所示），當無人機在飛行過程中遇到緊急情況導致墜機時，該電池外殼內置入的GPS及加速度計等電子裝置（如圖2所示）捕獲無人機的異常狀態后，防墜落裝置能夠自動開傘對無人機機體進行保護，從而有效減少因無人機墜機導致的財產損失。

圖1 電池外殼上集成防墜落裝置

圖2 電池外殼內置入的GPS及加速度計等電子裝置

2 功能特點及工作原理

2.1 雙電池續航且性能安全

設計研制一款適合御2系列的增容電池，該電池容量達到7,000hA，續航約40～50min。在原裝電池外殼改裝后進行3D打印定制化開發，增加一組擴容電池（如圖3所示），在額定負載情況下通過雙電池來實現長時間續航的能力。

圖3 增加一組擴容電池

圖4 在御2電池外殼上進行改裝

2.2 快速反應，安全防墜

設計研制一款適合御2系列電池的安全防墜落系統。該系統主要通過芯片程序來進行控制，采用第2代智能算法，配合高速處理器，每秒8,000次姿態數據分析，瞬間激活，可以在0.01s內對危急情況做出快速反應。該系統搭載雙傳感器（海拔傳感器和姿態傳感器）數據融合來實現精準判斷，高效避免撞擊、墜落及纏槳導致的炸機等風險。通過在御2電池外殼上進行改裝（如圖4所示），搭載安全防護系統，有效保障無人機財產安全。

3 試驗

在增容電池試驗中，在大疆御2無人機上安裝改裝后的增容電池進行線路巡檢工作模擬，多次飛行試驗中電池運行穩定。設定安全飛行最低電量，獲取到達此電量飛行時長，與原裝電池到達同等最低電量時飛行時長數據進行比較，飛行時長最低延長44min，最高延長51min。得出增容電池安全有效，具有理想的應用可行性。

在防墜落裝置試驗中，將無人機旋翼暫停，模擬緊急情況，使無人機進入預備墜機狀態，檢測防墜落裝置的運行效果。多次試驗結果顯示，內置電子裝置均正常捕獲該異常狀態，防墜落裝置快速自動開傘，有效的防止了無人機墜落。

4 應用前景

電網行業大范圍采用了大疆御2系列無人機作為線路巡檢工作的標準工具，因原裝單塊電池的容量有限，無法滿足高強度工作的時長需求，往往需要攜帶多塊電池且無法在野外作業環境下進行充電，并且其他外部環境等因素影響可能會造成無人機意外墜毀。本文通過改裝電池，以雙電池模式來增加續航時間，保障了無人機巡檢工作的技能多樣性，使巡檢工作獲得更廣泛的技能應用范圍，并通過安全防墜落系統有效解決遇到緊急情況容易發生墜毀的問題，在實踐中驗證了此方法的可行性。可彌補目前工作中無人機電池容量與無人機飛行安全的短板，滿足電力部門線路巡檢工作對無人機工作時長的需求，有效支持我國電力設施的發展與維護。