高壓電力塔涉鳥異物自動清除方法及系統設計

聶家富　明偉　廖雨飛　鐘堅　翟嘉彤　黎曉聰

摘 要：目前，輸電線路及高壓電力塔上的異物清除主要依靠人工方式進行，高空作業危險系數高，且易受到高溫、霜凍等天氣影響導致無法作業。本文提出了一種基于無人機的高壓電力塔涉鳥異物自動清除方法及系統。在無人機飛行過程中，涉鳥異物距離傳感器進行異物掃描，實時獲取涉鳥異物與無人機的距離以及與機翼水平方向的偏移角度。根據獲取的距離及偏移角度調節伸縮桿和機械手方向及長度，同時根據飛行平衡算法保持無人機飛行平衡，通過機械手對涉鳥異物進行清理，實現對高壓電力塔涉鳥異物的自動清除。試驗證明，本設計方案可實現對高壓電力塔及高壓線路涉鳥異物的清除，具有安全可靠、環境適應力強且操作方便的特點。

關鍵詞：無人機（UAV）;高壓電力塔;涉鳥異物清除;飛行平衡算法

中圖分類號：TM75 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）26-0124-03

Method and System Design for Automatic Removal of Foreign Matter

from Wading Birds on High-Voltage Power Tower

NIE Jiafu MING Wei LIAO Yufei ZHONG Jian ZHAI Jiatong LI Xiaocong

（Transmission Management Office of Wuzhou Power Supply Bureau of Guangxi Power Grid Co.， Ltd.， Wuzhou Guangxi 543000）

Abstract： At present， the removal of foreign matters on transmission lines and high-voltage power towers mainly depends on manual methods. The risk factor of high-altitude operation is high， and it is easy to be affected by high temperature， frost and other weather. This paper proposes an automatic removal method and system of bird related foreign matter in high-voltage power tower of UAV. During UAV flight， the bird related foreign matter distance sensor scans the foreign matter， obtains the distance between bird related foreign matter and UAV and the offset angle with the horizontal direction of wing in real time， and adjusts the direction and length of telescopic rod and manipulator according to the obtained distance and offset angle， At the same time， the flight balance of UAV is maintained according to the flight balance algorithm， and the foreign matters involving birds are cleaned by manipulator， so as to realize the automatic removal of foreign matters involving birds in high-voltage power tower. The test results show that the design scheme in this paper can remove the foreign matters involving birds in high-voltage power tower and high-voltage line， and has the characteristics of safety， reliability， strong environmental adaptability and convenient operation.

Keywords： Unmanned Aenal Vehicle（UAV）;high-voltage power tower;bird wading foreign body removal;flight balance algorithm

為了滿足城鎮發展的需求，電力從發電站輸送高壓電到各個用電戶。在輸送過程中，通常會遇到鳥類在高壓線上棲息死亡的情況。鳥類尸體、鳥巢等涉鳥異物會對高壓線造成損耗，影響供電，需要對其進行清理[1]。目前，輸電線路及高壓電力塔上的異物清除主要依靠人工方式進行，高空作業危險系數高，在高壓線或高壓塔上工作操作不當會導致發生意外[2]。因此，它對電力工作人員有較高的技術要求和身體素質要求[3-4]。隨著無人機技術的成熟，旋翼無人機以其優異的性能被應用到電力線路巡檢、高壓電力塔異常檢測中[5]。本文提出一種無人機高壓電力塔涉鳥異物自動清除方法及系統，以克服現有技術的不足。在無人機飛行過程中，利用涉鳥異物距離傳感器進行異物掃描，實時獲取涉鳥異物與無人機之間的距離，以及涉鳥異物與機翼水平方向的偏移角度。根據獲取的距離及偏移角度調節伸縮桿和機械手方向及距離，同時根據飛行平衡算法保持無人機飛行平衡，通過機械手對涉鳥異物進行清理。試驗證明，本設計方案可實現對高壓電力塔及高壓線路涉鳥異物的清除，具有安全可靠、環境適應力強且操作方便的特點。

1 系統裝置設計

本文提出一種基于無人機的高壓電力塔涉鳥異物自動清除系統，系統裝置設計如圖1所示。控制主板安裝在旋轉支架底座中，用于獲取所有傳感器采集的數據并進行分析，并對所有電機進行控制。攝像頭、涉鳥異物距離傳感器設置在旋轉支架底座底部前端，三軸陀螺儀傳感器設置在旋轉支架底座里，配重桿的頂端設置在旋轉支架底座底部后端，伸縮桿的頂端設置在旋轉支架底座靠近前端，機械手和機械手接觸異物傳感器設置在伸縮桿的底端。通過搭載無人機，根據距離感應器對涉鳥異物的距離感應，無人機可飛行靠近，通過機械手對涉鳥異物進行清除，以替代以往需人工登塔清除的傳統方式，降低了高空作業的風險。

2 涉鳥異物清除算法設計

無人機飛行過程中通過機械手對涉鳥異物進行清理，需要根據飛行平衡算法保持無人機飛行平衡，流程如圖2所示。

本文所設計的涉鳥異物清除算法流程如下。無人機起飛后，伸縮桿和配重桿通過伸縮桿水平角度調整電機和配重桿水平角度調整電機調整至與無人機機翼垂直位置，兩個配重桿通過配重桿夾角角度調整電機調整夾角至0°，使無人機平穩飛行，不受伸縮桿和配重桿力矩的影響。

無人機飛行過程中，涉鳥異物距離傳感器進行異物掃描。當無人機接近涉鳥異物時，判斷實時獲取到的涉鳥異物與無人機之間的距離是否小于伸縮桿最大伸展長度。當距離小于伸縮桿最大伸展長度且三軸陀螺儀傳感器探測無人機停止移動時，控制模塊控制旋轉支架底座，使伸縮桿和機械手方向對著涉鳥異物，通過控制伸縮桿來控制電機，使伸縮桿伸長至獲取的涉鳥異物與無人機之間的距離，并通過控制機械手控制電機，使機械手張開。

控制模塊通過三軸陀螺儀傳感器獲取無人機傾斜角度，根據前后飛行平衡算法調整伸縮桿與配重桿之間的角度，根據左右飛行平衡算法調整電機調整兩個配置桿之間的角度，使無人機保持飛行平衡。

上文所提到的前后飛行平衡算法，具體實現方式為：設機械手的質量為a，每個配重桿配重頭的質量為b，涉鳥異物與涉鳥異物距離傳感器之間的距離為l，配重桿長度為l，涉鳥異物與機翼水平方向的偏移角度為θ，兩個配重桿之間的夾角為φ。為了保持無人機前后平衡，需要時伸縮桿端和配重桿端的力矩保持一致，如式（1）所示。根據式（1）可求出配重桿水平角度調整電機上升配重桿的角度θ，如式（2）所示。當伸縮桿長度調整為l1、角度調整為θ時，可根據式（2）計算角度θ，并通過配重桿水平角度調整電機進行角度調整。

上文所提到的左右飛行平衡算法，具體實現方式為：當無人機向左傾斜時，設無人機傾斜角度為φ，控制模塊控制配重桿夾角角度調整電機，上升左端配重桿角度為φ;當無人機向右傾斜時，設無人機傾斜角度為φ，控制模塊控制配重桿夾角角度調整電機，上升右端配重桿角度為φ。

當機械手接觸異物傳感器探測機械手接觸涉鳥異物時，機械手夾緊涉鳥異物，將伸縮桿回縮，把涉鳥異物從高壓電力塔拉扯出來。在回縮過程中，控制配重桿水平角度調整電機調整至相應的角度，以保持無人機平衡飛行，把涉鳥異物從高壓電力塔拉扯出來。

對涉鳥異物進行清理后，控制模塊調整伸縮桿和配重桿至與無人機機翼垂直位置，兩個配重桿通過配重桿夾角角度調整電機調整夾角至0°，使無人機平穩飛行。

無人機下降至地面時，基于伸縮桿水平角度調整電機和配重桿水平角度調整電機對伸縮桿及配重桿進行調整，調整后的伸縮桿及配重桿升高至與無人機機翼水平位置，以確保在飛機下降時機械手抓取裝置不與地面接觸。當無人機下降至地面時，涉鳥異物清除流程結束。

3 試驗測試

本文設計裝置的控制主板采用STM32F407主控芯片，并在主板中集成ESP32藍牙和Wi-Fi雙模芯片，用于與手機App實現數據通信。用于測試的無人機為大疆M600 PRO無人機，最大負載為6 kg，搭載專業級A3 Pro飛行控制系統。

本文設計的機械手抓取裝置總質量為3 kg，伸縮桿最大伸展長度為2.2 m，裝置安裝在無人機的底部。在待機狀態下，伸縮桿及配重桿升高至與無人機機翼水平位置，以確保在待機狀態下機械手抓取裝置不與地面接觸，如圖3所示。

試驗測試項目及結果如表1所示。

通過上述測試試驗證明，本文設計方案通過手機APP向機械手下發控制命令，可實現對高壓電力塔及高壓線路涉鳥異物的清除，同時無人機在異物抓取過程中保持平穩飛行。本方案具有安全可靠、環境適應力強且操作方便的特點。

4 結語

本文提出了一種安裝在無人機的高壓電力塔涉鳥異物機械手抓取裝置。通過搭載無人機，根據距離感應器對涉鳥異物進行距離感應，無人機飛行拉近距離，通過機械手對涉鳥異物進行清除，并根據飛行平衡算法保持無人機飛行平衡。試驗證明，本文所提出的裝置攜帶方便，能夠替代以往人工登塔清除的傳統方式，降低了高空作業的風險。

參考文獻：

[1]劉學，楚云江，何輝.一種變電設備鳥窩整體清除成套工具實用性探討[J].科技經濟導刊，2020（11）：36.

[2]陳興寶.淺談帶電取鳥窩多功能工器具的研制和使用方法[J].現代工業經濟和信息化，2016（19）：35-36.

[3]荊琦.旋翼飛行機械臂抓取控制研究[D].綿陽：西南科技大學，2020：34-35.

[4]陳剛，楊金杰，楊鵬.關于噴火無人機在高壓線路消缺的應用探討[J].電子世界，2019（3）：166-167.

[5]蔡宗琦，李宏杰，陳芝茂.等.旋翼無人機巡檢220 kV直線塔的路徑規劃算法研究[J].科學技術創新，2020（20）：68-69.

1683501705397