羅 旻, 周 萌

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 機(jī)械與電子信息學(xué)院，武漢 430074;2.上海極鷹智能科技有限公司，上海 200240)

0 引 言

架線施工是輸配電線路中最關(guān)鍵的工序之一，傳統(tǒng)的架線施工或是采用人拉肩扛的地面拖拽方法，或是采用簡易的的絞磨機(jī)等傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)備來完成。架線施工中還存在不少的高空作業(yè)，如緊線、滑車閉鎖、絕緣子連接等，這些高空作業(yè)均具有一定的危險(xiǎn)性。而且當(dāng)施工段需要跨越高速公路、河道、建筑物或者人口密集區(qū)域時(shí)，如果還是靠傳統(tǒng)的人工架線方式，將面臨道路、河道封航的問題，不僅給施工帶來麻煩，也給周邊環(huán)境帶來一定的負(fù)面影響。為避免道路封航、繞過障礙物，就必須得采用跨越架線?？缭郊芫€時(shí)，如何在不封航的情況下，順利將導(dǎo)線從跨越架的一側(cè)隔空傳送到另一側(cè)，成為跨越架線施工的一個(gè)難題。

無人機(jī)(Unmanned Aerial Vehicle, UAV)技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)逐漸成熟[1][8-9][13-15]。由于無人機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、易操縱以及小巧靈活的特點(diǎn)，人們自然將其引入到架線施工中加以應(yīng)用[2-7][10-12]。盡管目前無人機(jī)技術(shù)在各個(gè)行業(yè)的應(yīng)用非?；馃幔诳罩姓狗艑?dǎo)引線使用過程中就發(fā)現(xiàn)，無人機(jī)用于引線展放還存在不少問題，主要表現(xiàn)在無人機(jī)操作難、穩(wěn)定性不高。①引線展放過程中操作人員需要非常熟練才能實(shí)現(xiàn)無人機(jī)平穩(wěn)起飛和降落。②無人機(jī)在空中定位比較難、操作還很復(fù)雜，抗風(fēng)能力也不高。實(shí)際空中飛行和懸停穩(wěn)定性不高。③引線很難精準(zhǔn)的進(jìn)入放線滑車。實(shí)際操作中仍需要人工抓取引線，放線效率不高。

針對傳統(tǒng)施工方式存在的一些弊端和現(xiàn)有無人機(jī)架線的不足，為了進(jìn)一步提高電網(wǎng)施工的高效性，縮短施工時(shí)間，保證施工安全，提高經(jīng)濟(jì)效益，踐行建設(shè)環(huán)境友好型、資源節(jié)約型電網(wǎng)的發(fā)展理念，則開展了全自動展放引線無人機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用研究[16]。

1 國內(nèi)外研究水平綜述

UAV是一種由無線遙控設(shè)備或其他控制器操縱的無人駕駛飛行器。它不需要飛行員在機(jī)艙內(nèi)進(jìn)行駕駛，只需通過控制系統(tǒng)的配置，飛行過程便可由飛行控制程序自動進(jìn)行。無人機(jī)機(jī)身上不用安裝任何與飛行員有關(guān)的設(shè)備，這樣就能有效地節(jié)省和利用空間裝載應(yīng)用設(shè)備以完成各種作業(yè)任務(wù)。無人機(jī)系統(tǒng)一般由機(jī)身、動力系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)、機(jī)載設(shè)備、傳感器、地面工作站六大部分組成。

20世紀(jì)末至今，無人機(jī)技術(shù)在歐美、日本以及以色列等國家經(jīng)過3次發(fā)展浪潮，已由早期的簡單模式逐步朝著模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、多樣化和系列化的趨勢發(fā)展，目前無人機(jī)技術(shù)已經(jīng)在軍事、商業(yè)、民用等各個(gè)領(lǐng)域均得到廣泛應(yīng)用。

例如美國國家海洋和大氣管理局用無人機(jī)追蹤熱帶風(fēng)暴有關(guān)數(shù)據(jù)，借此完善颶風(fēng)預(yù)警模型；2007年森林大火肆虐時(shí)，美國宇航局使用“伊哈納”(Ikhana)的無人機(jī)來評估大火的嚴(yán)重程度，以及災(zāi)害的損失估算工作；2011年墨西哥灣鉆井平臺爆炸后艾倫實(shí)驗(yàn)室公司的無人機(jī)協(xié)助溢油監(jiān)測和溢油處理等。

以色列也專門組建了一個(gè)民用無人機(jī)及其工作模式的試驗(yàn)委員會，2008年給予“蒼鷺”無人機(jī)非軍事任務(wù)執(zhí)行證書，并與有關(guān)部門合作展開多種民用任務(wù)的試驗(yàn)飛行。

我國的無人機(jī)技術(shù)近些年發(fā)展也十分迅速，專為民用研制的“黔中1號”無人機(jī)于2010年順利首飛，2011年國產(chǎn)“蜜蜂28”無人機(jī)實(shí)現(xiàn)全自主起飛、著陸、懸停和航路規(guī)劃，并被應(yīng)用于農(nóng)業(yè)噴灑、防災(zāi)應(yīng)急、航拍測繪、中繼通信等領(lǐng)域。在電力領(lǐng)域，無人機(jī)技術(shù)已被廣泛用于電力GIS數(shù)據(jù)采集和輸電線路巡檢工作。

(1) 電力GIS數(shù)據(jù)采集。傳統(tǒng)的電力GIS數(shù)據(jù)采集需要大量的測量人員帶著專業(yè)的測繪設(shè)備到現(xiàn)場去進(jìn)行實(shí)地測繪，野外工作環(huán)境艱苦，工作效率不高。所有的數(shù)據(jù)都需要外業(yè)人員到現(xiàn)場才能采集。隨著影像信息技術(shù)的快速發(fā)展，借助無人機(jī)進(jìn)行高分辨率的航拍影像已經(jīng)能夠清晰分辨出地面的各種電力設(shè)施，再結(jié)合專業(yè)的地物分類軟件系統(tǒng)，就可以自動從高清影像中提取所需要的信息。這就是I2I技術(shù)“從多維影像到空間地理信息(Images To Information)”。

(2) 輸電線路巡檢。隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，社會對電力資源提出了巨大需求。為滿足這種需求，國家電網(wǎng)正進(jìn)行超高壓大容量電力線路大幅擴(kuò)建。宏觀上，電力線路大幅擴(kuò)建，線路將穿越各種復(fù)雜地形，傳統(tǒng)人工巡線方式工作量大，效率低，如何解決電力線路檢測的精度和效率，是困擾電力行業(yè)的重大難題。而通過旋翼和固定翼無人機(jī)聯(lián)合巡檢系統(tǒng)，即可實(shí)現(xiàn)對輸電線路走廊的大范圍快速普查，又可高效獲取高清晰度線路設(shè)備照片，清晰分辨出常見輸電線路的缺陷，大大增強(qiáng)輸電線路巡檢效率，為現(xiàn)代化輸電線路維護(hù)工作提供了一種先進(jìn)、有實(shí)用價(jià)值的技術(shù)手段。據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，人工地面巡視的經(jīng)濟(jì)成本，山地森林為4.43萬元/百公里，平原為2.64萬元/百公里，載人飛機(jī)巡線經(jīng)濟(jì)成本約為6萬元 /百公里，而無人機(jī)巡檢經(jīng)濟(jì)成本約為2萬元/百公里。顯而易見，山區(qū)和森林線路采用無人機(jī)巡視經(jīng)濟(jì)性相對較好，也避免了人身安全問題影響。無人機(jī)巡檢系統(tǒng)具有應(yīng)急啟動快，巡檢效率高，成本低，機(jī)動靈活，便于遠(yuǎn)程控制等特點(diǎn)。

(3) 無人機(jī)架線。在輸電線路施工過程中，線路走廊長、地形情況復(fù)雜，線路所經(jīng)地區(qū)山谷河流茂密森林，給線路架設(shè)帶來極大不便，工程實(shí)施困難重重。為有效緩解生態(tài)環(huán)境保護(hù)和架線施工的矛盾，可運(yùn)用無人機(jī)展放導(dǎo)引繩來架設(shè)線路。無人機(jī)首先沿線路上空飛行并施放一根輕質(zhì)高強(qiáng)引繩通過各基塔，然后利用這根輕質(zhì)引繩不斷牽引后續(xù)引繩，直至牽通一根三級引繩，并架設(shè)導(dǎo)線。通過這種方式，解決了人力展放導(dǎo)引繩的高強(qiáng)度和動力傘展放導(dǎo)引繩著陸困難等問題，也減少了線路通道的樹木砍伐，最大限度地保護(hù)了自然生態(tài)。

2 無人機(jī)全自動展放引線的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

無人機(jī)全自動展放引線系統(tǒng)主要由無人機(jī)展放引線(導(dǎo)引繩)并由張力機(jī)控制導(dǎo)線展放。引線展放開始前，地面施工人員將較細(xì)的初級引線的一端與無人機(jī)相連，另一端則通過網(wǎng)套式連接器與較粗的次級引線連接，并最終與導(dǎo)線相連。引線展放開始時(shí)，地面操作人員控制無人機(jī)帶著引線起飛，在地面小型放線器的配合下，無人機(jī)將初級引線展放到放線滑車上，并帶著引線到達(dá)牽引機(jī)。

引線展放完畢后，張力機(jī)配合牽引設(shè)備進(jìn)行初級導(dǎo)引繩的收線；在此過程中初級導(dǎo)引繩逐漸被次級牽引繩所代替，張力機(jī)可以控制張力大小在一定范圍內(nèi)以維持弧垂在合理范圍內(nèi)。

無人機(jī)全自動展放引線系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)無人機(jī)攜帶初級引導(dǎo)繩，按指定路線升空并到達(dá)指定點(diǎn)懸停并精準(zhǔn)的將引線放置于放線滑車上，并通過智能滑車自動識別導(dǎo)引線和自動閉鎖，從而極大降低人工跨越架線的難度，節(jié)省了高空作業(yè)的時(shí)間，降低了作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

(1) 無人機(jī)系統(tǒng)的飛行控制原理。在地面操控人員的遙控器的操控或地面站的程序控制下，無人機(jī)系統(tǒng)接收來自地面的飛行指令，機(jī)身上的飛控系統(tǒng)通過內(nèi)部核心程序和算法將飛行指令轉(zhuǎn)換為各電動機(jī)的轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)信息，并通過電子調(diào)速器控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)飛機(jī)航向或姿態(tài)調(diào)整和懸停。

同時(shí)機(jī)身上裝載的各種傳感器還會實(shí)時(shí)監(jiān)控飛機(jī)飛行狀態(tài)和位置、姿態(tài)信息，由飛控系統(tǒng)對飛機(jī)的飛行進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整；云臺搭載攝像機(jī)還可以拍攝飛行畫面，并通過圖傳設(shè)備在地面顯示。無人機(jī)系統(tǒng)的簡單飛行原理見圖1。

(2) 無人機(jī)型式選擇。目前常用的無人機(jī)有多旋翼無人機(jī)、固定翼無人機(jī)和直升飛機(jī)，而多旋翼無人機(jī)相比之下具有以下一些明顯的優(yōu)點(diǎn)：①操控簡單。多旋翼無人機(jī)不需要跑道便可以垂直起降，起飛后可在空中懸停。操控原理簡單，通過遙控器搖桿操控可實(shí)現(xiàn)無人機(jī)前后、左右、上下和偏航方向的運(yùn)動。在自動駕駛儀方面，多旋翼自駕議控制方法簡單，控制器參數(shù)調(diào)節(jié)也很簡單。而固定翼和直升飛機(jī)的飛行較復(fù)雜。固定翼無人機(jī)飛行場地要求開闊，而直升機(jī)飛行過程中會產(chǎn)生通道間耦合，自駕儀控制器設(shè)計(jì)困難，控制器調(diào)節(jié)也很困難。②可靠性高。多旋翼無人機(jī)沒有活動部件，其可靠性基本上取決于無刷電動機(jī)的可靠性，因此可靠性較高。而且多旋翼無人機(jī)能夠懸停，飛行范圍受控，相對更安全。③部件更換容易，轉(zhuǎn)場運(yùn)輸更方便。多旋翼無人機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，電機(jī)、電調(diào)、螺旋槳等均已有通用化、系列化產(chǎn)品，更換方便。其機(jī)架通常做成可折疊式，機(jī)架收起后體積小容易攜帶。

圖1 無人機(jī)飛行原理圖

基于以上這些明顯的優(yōu)點(diǎn)，多旋翼無人機(jī)更適宜在架線施工中推廣使用，采用多旋翼無人機(jī)展放引線。

(3) 全自動展放引線無人機(jī)配置。通過對無人機(jī)引線過程的環(huán)境荷載、抗風(fēng)能力、智能化的要求分析，最終選用的全自動展放引線的無人機(jī)如圖2所示。

圖2 全自動展放引線無人機(jī)

基本指標(biāo)：六旋翼，軸距1 133 mm，最大起飛重量15 kg，可在海拔2 500 m以下工作(通過更換高海拔專用螺旋槳最高可在海拔4 000 m工作)

特性1：高效的動力系統(tǒng)?？沽夛L(fēng);最大有效載荷6 kg;空載懸停35 min，滿載懸停16 min。

特性2：便攜。收納于750×650×700 mm航空鋁箱內(nèi)，全重35 kg，包括無人機(jī)、遙控器、平板電腦、一組電池、充電保姆以及必要的線材附件?？梢灶~外存放兩組備用電池，每一組重量為3.6 kg。

特性3：安全性。阻水設(shè)計(jì)，可在小雨中飛行;三冗余導(dǎo)航姿控單元;在線故障診斷;動力失效保護(hù)(在失去一軸動力時(shí)仍能保持不墜機(jī));信號丟失、電量不足時(shí)自動返航;天地?cái)?shù)據(jù)通訊鏈路最遠(yuǎn)可達(dá)7 km(無遮擋)。

(4) 引線自動脫鉤機(jī)構(gòu)。無人機(jī)機(jī)載設(shè)備中需特別設(shè)計(jì)一個(gè)引線掛鉤，用于牽引引線。當(dāng)引線展放完畢后，通過無人機(jī)全自動展放引線APP發(fā)送脫鉤指令，掛鉤自動脫開，引線在自重作用下與無人機(jī)分離。

(5) 智能滑輪。之前的無人機(jī)展放引線，引線進(jìn)入滑輪都是靠人工操作。通過對現(xiàn)有滑輪的智能化改造，在滑輪上設(shè)置有GPS定位、引線感應(yīng)開關(guān)和自動閉鎖裝置。全自動展放引線無人機(jī)根據(jù)智能滑輪上的GPS位置設(shè)置航點(diǎn)，當(dāng)無人機(jī)帶著引線到達(dá)滑輪附件時(shí)，感應(yīng)開關(guān)感應(yīng)到引線進(jìn)入滑輪后，自動閉鎖裝置啟動關(guān)閉滑輪。

(6) 無人機(jī)全自動展放引線系統(tǒng)控制軟件(見圖3)。在每一根線桿滑車上安裝GPS模塊，在地面上建立一個(gè)統(tǒng)一的GPS接收端，接收端可以同時(shí)接收多個(gè)線桿滑輪處的經(jīng)緯度。采用藍(lán)牙無線傳輸模塊，可以將接收端接收到的多個(gè)滑車經(jīng)緯度傳輸?shù)紸PP上。

基于自主開發(fā)的APP，當(dāng)?shù)孛嬲灸軌颢@取到線桿滑車的經(jīng)緯度(航點(diǎn))，就可以控制無人機(jī)一鍵起飛，自動完成整個(gè)航點(diǎn)的飛行。

無人機(jī)由引線舵機(jī)帶著引線，一鍵起飛后，沿著規(guī)劃的路徑飛行，在指定的航點(diǎn)(智能滑輪附近)懸停，智能滑輪識別引線進(jìn)入滑輪后，智能滑輪自動閉鎖，無人機(jī)繼續(xù)飛向下一個(gè)航點(diǎn)。完成所有航點(diǎn)任務(wù)后，無人機(jī)到達(dá)牽引機(jī)附近，引線舵機(jī)自動脫鉤釋放引線，并執(zhí)行一鍵返回任務(wù)。

圖3 全自動展放引線無人機(jī)操作控制軟件

全自動展放引線無人機(jī)操作控制軟件(APP)特點(diǎn)：①簡單易用，一鍵操作；②飛行器狀態(tài)反饋，簡單明了；③可擴(kuò)展性，方便擴(kuò)展其它子系統(tǒng)。如牽張協(xié)同作業(yè)子系統(tǒng)，方便擴(kuò)展其它功能。如圖像識別、張力架線作業(yè)過程監(jiān)視、電力巡檢等。

全自動展放引線無人機(jī)操作控制軟件(APP)主要功能包括：

主要功能1：航點(diǎn)飛行。①坐標(biāo)輸入。在已知目的點(diǎn)經(jīng)緯度的情況下，手動輸入坐標(biāo)并傳送給飛行器執(zhí)行。②指點(diǎn)飛行。直接在地圖上選取目標(biāo)點(diǎn)并執(zhí)行。③自動獲取。與智能滑輪進(jìn)行通訊并獲取坐標(biāo)，隨后自動規(guī)劃并執(zhí)行航線。

主要功能2：高清圖傳。①增穩(wěn)云臺。云臺有增穩(wěn)功能，使得拍攝的畫面可以不受飛行器姿態(tài)的影響，拍攝穩(wěn)定清晰的圖像。②高清變焦攝像頭。3.5倍光學(xué)變焦，最大支持4K60P的圖像輸出?？梢匀啼浵癫Υ嬖趕d卡內(nèi)。③實(shí)時(shí)調(diào)整云臺參數(shù)。拍攝角度可以隨時(shí)調(diào)整。④良好的工作距離和抗干擾特性。開闊地區(qū)最遠(yuǎn)7 km。

主要功能3：飛行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控。①實(shí)時(shí)顯示飛行器導(dǎo)航數(shù)據(jù)。飛行器坐標(biāo)(在地圖上顯示)、水平和垂直速度、高度、水平距離。②電池電量。③各種異常。包括通信鏈路異常、羅盤干擾、GPS偏差大，動力失效等各種故障。

3 無人機(jī)全自動展放引線的工程應(yīng)用

(1) 試驗(yàn)場地測試。無人機(jī)自動展放引線系統(tǒng)調(diào)試好后，在校園內(nèi)空曠的場地上進(jìn)行了多次試飛，在架線專屬APP上點(diǎn)擊執(zhí)行命令，無人機(jī)自動飛向滑車，引線經(jīng)過滑輪的時(shí)候，智能滑車自動感應(yīng)，并執(zhí)行閉鎖命令。圖4是校園測試場地試飛。

圖4 校園測試

(2) 模擬施工場地測試。經(jīng)過多次的反復(fù)試飛測試，整個(gè)自動展放引線無人機(jī)系統(tǒng)趨于成熟。在實(shí)際工程應(yīng)用之前，選擇了一個(gè)施工場地，進(jìn)行了模擬架線。當(dāng)工作人員打開架線專屬APP，無人機(jī)自動獲取到線桿航點(diǎn)，點(diǎn)擊執(zhí)行命令，無人機(jī)帶著引線，自動飛向滑車，引線進(jìn)入滑車后，智能滑車自動閉鎖，操作人員點(diǎn)擊釋放引線命令，引線自動從脫鉤器中脫落，并自動返航，完成整個(gè)模擬架線任務(wù)。圖5是現(xiàn)場模擬架線。

(3) 工程實(shí)例。某線路#45桿至#11-3桿線路移位，拆除線路3檔，新放線路3檔。

為了減少對周邊道路的影響，采用全自動展放引線無人機(jī)展放A相初級導(dǎo)引繩，然后將網(wǎng)套連接單頭將初級導(dǎo)引繩與導(dǎo)線連接，同時(shí)再用旋轉(zhuǎn)環(huán)連帶一根C相初級導(dǎo)引繩，利用牽張?jiān)O(shè)備牽引‘導(dǎo)線’和C相初級導(dǎo)引繩，依次展放A、C、B三相絕緣導(dǎo)線，完成線路外移搬遷的架線施工。放線過程中，初級導(dǎo)引繩、絕緣導(dǎo)線的展放高度始終保持在離地8 m以上，即垂弧點(diǎn)高程不低于8 m，符合配電線路運(yùn)行規(guī)定。

工程采用張力放線，全過程引繩及導(dǎo)線不落地展放，能夠保證跨越施工的安全性。作業(yè)期間能連續(xù)完成導(dǎo)線的展放，通過兩側(cè)的張力機(jī)與牽引機(jī)進(jìn)行錨固。具體的施工流程如下：

全自動展放引線無人機(jī)將放線所用導(dǎo)引繩與無人飛行器連接在一起，通過無人飛行器牽引，將導(dǎo)引繩引至放線段電桿的一種配電線路施工方案。首先，將智能滑輪安裝在線桿上，無人機(jī)全自動展放引線系統(tǒng)控制軟件(APP)根據(jù)滑輪的GPS定位設(shè)置航點(diǎn)，無人機(jī)牽引導(dǎo)引線按規(guī)劃好的任務(wù)飛行，引線自動進(jìn)入滑輪，滑輪自動閉鎖，無人機(jī)完成展放引線任務(wù)后引線自動脫鉤。全自動展放引線無人機(jī)現(xiàn)場施工相片如圖6所示。

圖6 全自動展放引線無人機(jī)現(xiàn)場施工相片

采用全自動展放引線無人機(jī)牽引導(dǎo)線是非常成熟的一種新工藝，不僅保證了初級引繩的不落地，也保護(hù)了施工區(qū)域的綠化和道路的正常通行，大大縮短了工期、節(jié)約了成本。該工藝在高壓線跨越航道、鐵路、高速公路等節(jié)點(diǎn)工程得到廣泛應(yīng)用。

4 結(jié) 語

通過合理的無人機(jī)系統(tǒng)配置、先進(jìn)的控制算法和飛行策略，并針對放線任務(wù)施以個(gè)性化定制，配置了一臺可以實(shí)現(xiàn)一鍵起飛一鍵返回、穩(wěn)定性較好、操作方便的全自動展放引線的無人機(jī)；開發(fā)了一套由無人機(jī)全自動展放引線系統(tǒng)控制軟件APP；結(jié)合實(shí)際工程，將全自動展放引線的無人機(jī)及其控制軟件APP應(yīng)用于實(shí)際工程，取得了良好效果。實(shí)現(xiàn)無人機(jī)全自動展放引線，盡可能少的依賴人的操作，從而實(shí)現(xiàn)無人機(jī)自主飛行，全自動完成展放引線任務(wù)。大大提高了架線施工的施工效率，降低了施工作業(yè)工時(shí)，保證了穩(wěn)定、高效、安全的作業(yè)要求。