關家華，凌忠標，陳君宇，葉蓓，譚家祺

（廣東電網有限責任公司佛山供電局，廣東佛山，530006）

0 引言

隨著生態(tài)環(huán)境的不斷改善，配電線路桿塔鳥巢現(xiàn)象隨之增加，因鳥巢引起的線路跳閘事故也隨之發(fā)生，嚴重影響配網線路的供電可靠性。早期架空線路異物主要采用絕緣繩索、吊籃、軟梯、絕緣斗臂車等接近導線，人工清除異物。人工清除異物方式，耗時長、作業(yè)難度大強度高、作業(yè)風險高[1]；同時受環(huán)境限制對崎嶇的山路及跨越河流、湖泊等地段，難以安全高效地清除架空線路異物。目前常見的清除方式有無人機噴火清除、激光大炮，噴火無人機主要通過無人機搭載噴火裝置，控制無人機接近異物后，噴火裝置噴火燒除異物，對于線路下方有易燃物時不適用，且無人機本身存在操作不當墜落風險[2]。激光大炮則是通過從地面發(fā)出激光輻射向高空異物，大功率小光斑的激光能快速將異物引燃；又或通過云臺的運動，將異物快速碳化，形成“切割”效果，使異物脫落，從而實現(xiàn)遠距離、非接觸式、可帶電作業(yè)的異物清除方法[2-6]。激光大炮所需配件多且較重，不便于搬運，對于崎嶇山路等并不適用。

本文研究一種可搭載在無人機上的配網線路鳥巢清除裝置，實現(xiàn)可在地面端遠程操控無人機，即可及時、安全、快速地點燃桿塔上的鳥巢，操作便捷，可安全、高效、快捷地清除線路鳥巢，減輕運維人員的鳥巢清除作業(yè)強度和作業(yè)風險，提高配網線路的供電可靠性。

1 激光的選擇研究

■1.1 功能需求

使用無人機攜帶激光裝置清除飄掛物，具有使用方便、安全可靠、便捷等特點，可對線路桿塔上的鳥巢進行清除且不會損傷配網線路及桿塔等金屬部件。

激光裝置應具備以下性能：

(1)多旋翼無人機負載后續(xù)航時間一般小于20min中，且無人機懸停過程中受環(huán)境風或地磁干擾，無人機易出現(xiàn)震動、飄移情況，因此激光裝置應盡可能快速高效的完成清除作業(yè)。

(2)多旋翼無人機載重能力有限，因此激光清障裝置重量要輕。

(3)激光清障裝置應能清除線路桿塔上的鳥巢，且不會對配網線路及桿塔等金屬部件造成損傷。

(4)激光清障裝置搭載在無人機上，可實現(xiàn)2~5m內的線路異物清除作業(yè)。

■1.2 激光光源的選擇

配網架空線路上的異物主要為非金屬材料的塑料和化纖制品，這些材料的熱導率、熔點、燃點或軟化溫度等遠低于金屬材料的[7]。因此，可采用激光束精確發(fā)射到異物表面，通過激光對材料的光熱作用，將異物切割斷落或燒毀，從而消除線路異物引起的安全隱患。由于紅外激光對金屬表面的吸收率低且在空氣中傳輸損耗小，目前市面上常見的激光大炮采用紅外遠程發(fā)射進行異物清除，但是受配網線路線行下樹木及建筑物等影響，使用受限且配件多，難搬運。

鳥巢屬于聚酯纖維類制品，其熱導率、燃點等遠低于金屬材料（見表1），因此選擇合適光源即可清除。本研究擬采用無人機搭載光源近距離進行鳥巢的清除作業(yè)，無需考慮空氣中傳輸損耗，且無需過大功率光源，因此選用LED紫光作為光源?？紤]到復合絕緣子易受激光損傷且玻璃絕緣子及復合絕緣子也可能會受損，在異物清除過程中，應避免激光直射絕緣子。

表1 線路金屬材料與聚酯纖維的熱性能比對表

2 基于無人機技術的激光清障裝置研制

■2.1 設計思路

目前市面上常見的激光清障裝置，主要是從地面發(fā)射光源對線路異物進行清除，但是線路環(huán)境復雜，線行下方樹木、房屋等會嚴重影響激光使用效果。本研究通過無人機搭載高效率激光發(fā)生器，可在高空實現(xiàn)線路鳥巢異物清除作業(yè)，避免線行下的環(huán)境干擾問題。操作人員可在地面端遠程操控無人機飛行至鳥巢異物2~5米范圍內，通過無人機自帶的攝像頭傳遞回的實時視頻數(shù)據進行鳥巢異物圖像識別，實現(xiàn)對作業(yè)區(qū)域的清除目標進行自動識別并反饋至地面遙控端，操作人員確認作業(yè)目標后，自動控制云臺與激光發(fā)生裝置對需要作業(yè)的目標進行清除工作。整個作業(yè)過程，操作人員在地面端即可通過遙控器進行可視化清障作業(yè)，過程可控、安全高效。

■2.2 激光功率選擇

由于配網線路桿塔鳥巢較難獲取，一般都是發(fā)現(xiàn)后即采取相關措施進行清除作業(yè)。而紙片比鳥巢更加難以燃燒，本研究選用紙片代替鳥巢進行激光功率選擇試驗。研究依次選用5W/cm2、8W/cm2、10W/cm2、15W/cm2的LED激光進行紙片燃燒試驗，試驗結果如表2所示。

表2 激光功率及清除效果對照表

試驗結果如表2及圖1(b)所示，當激光功率為5W/cm2，5min內紙片變黑但是無法點燃；如圖1(c)所示，當激光功率8W/cm2時，2min內紙片可以點燃，且對紙片附近鋼管無損傷；如圖1(d)所示，當激光功率10W/cm2時，45s內紙片可以點燃，且對紙片附近鋼管無損傷；如圖1(e)所示，當激光功率15W/cm2時，8s內紙片可以點燃，且對紙片附近鋼管無損傷；無人機在高空中作業(yè)時其穩(wěn)定性易受外界環(huán)境影響，因此清除時間越短對于無人機作業(yè)越適用，但是激光功率過大其體積及重量也隨之增加。綜合考慮清除效果及無人機穩(wěn)定性及載荷因素，15W/cm2的LED激光即可滿足清除需求，無需繼續(xù)增大激光功率。

圖1 紙片燃燒試驗圖

■2.3 裝置研制

2.3.1 多旋翼無人機

本研究選擇目前電力線路特種作業(yè)常用的無人機-大疆M600 Pro多旋翼無人機搭載激光裝置進行架空線路鳥巢清除作業(yè)。

M600 Pro多旋翼無人機采用模塊化設計，整機裝配及使用便捷簡單，高效的動力系統(tǒng)集成防塵、主動散熱功能。M600 Pro搭載三余度A3 Pro飛控系統(tǒng)、高清數(shù)字圖傳、只能飛行電池組及電池管理系統(tǒng)；增加減震設計，飛行數(shù)據更加精準，提高飛行可靠性；內置飛行參數(shù)自適應的功能實現(xiàn)不同負載下的參數(shù)免調，便捷易用。配備D-RTK GNSS，大幅提升飛行可靠性，有效消除磁干擾的影響并提供厘米級的定位精度。M600 Pro滿載可提供15~18分鐘續(xù)航時間及最大5公里的遠距離、低延時高清實時影像與控制信號傳輸能力。支出大疆云臺與第三方軟硬件擴展，最大載重6.0kg，可對其進行功能擴展，實現(xiàn)電力行業(yè)特種作業(yè)需求，目前作為電力特種作業(yè)無人機載體被廣泛應用于電力行業(yè)。

2.3.2 激光清障裝置研制

激光清障裝置通過特制的無人機搭載機架與大疆M600 Pro多旋翼無人機固定聯(lián)接；無人機懸停過程中，不可避免由于環(huán)境風或地磁干擾造成無人機出現(xiàn)震動、飄移情況，采用高負載的無刷三軸云臺搭載激光發(fā)射筒，在三軸云臺上通過陀螺儀、加速度計、角速度計獲取云臺姿態(tài)使其實現(xiàn)云臺自穩(wěn)，從而達到激光發(fā)射筒的相對穩(wěn)定進而避免因無人機本身震動導致的激光無法聚焦；在激光發(fā)射筒側面安裝有一個低功率的激光發(fā)生裝置，輔佐大功率激光發(fā)生器進行激光作業(yè)；加裝毫米波雷達對作業(yè)區(qū)域進行實時距離測量，并對測量得到的距離進行自動調焦操作，實現(xiàn)更高效率的激光作業(yè)。裝置設計圖如圖2所示。

圖2 激光清障裝置研制

圖中，①無人機搭載機架；②毫米波雷達；③陀螺儀；④三軸云臺；⑤激光發(fā)生器；⑥激光輔助瞄準器；⑦三軸云臺控制電路；⑧無線數(shù)傳；⑨電池；⑩激光控制外殼。

云臺負責搭載激光發(fā)生器，并保證其能實現(xiàn)在三維空間下的自主調整。云臺在配合上目標鎖定算法后可實現(xiàn)在激光發(fā)生器瞄準期間最大限度的減少因為無人機或外界環(huán)境因素導致的激光瞄準目標偏移問題。云臺在三軸下的運動采用三軸無刷電機進行驅動，每一個無刷電機的驅動都通過獨立的驅動芯片進行，驅動芯片型號為DRV8313，驅動電流最大可達到2.5A。云臺整體控制采用一個獨立的控制單片機進行，單片機負責控制云臺電機驅動芯片、采集安裝于云臺上方的陀螺儀數(shù)據并實時解算云臺姿態(tài)、負責對外部信號的響應并做出對應的動作等，云臺控制芯片采用的是STM32F103RCT6 主頻72M，搭載Cortex-M3內核。

毫米波雷達型號為AWR1443 EVB，其具備低功耗、自監(jiān)控、超精準等特點，僅需通過指令即可實現(xiàn)毫米報雷達近距離、中距離和遠距離探測的配置。在清障作業(yè)過程中，毫米波雷達可對激光模塊前方障礙物進行探測，返回至單片機一個掃描平面的距離數(shù)據，單片機根據云臺姿態(tài)與距離信息得出目標物與設備之間的距離，并對得到的距離信息自動調整激光發(fā)生器焦距，從而實現(xiàn)激光效率的最大化利用，降低激光清障作業(yè)的時間及作業(yè)難度。

陀螺儀選用WT901B十軸高精度陀螺儀模塊，模塊內置MPU9255負責輸出3維加速度、3維速度、3維磁場、3維角度，內置還有BMP280氣壓計，負責輸出1維高度信息。通過十軸陀螺儀獲取實時云臺姿態(tài)，調整激光發(fā)射角度。

數(shù)據傳輸模塊的射頻芯片采用SX1278，發(fā)射頻率可以在410~525MHz，支持多種應用場景。芯片采用LoRa擴頻技術，使其抗干擾與靈敏度都大大提高，數(shù)傳發(fā)射最大功率在20dBm，凈空環(huán)境下可達到的最遠通訊距離3000m。數(shù)傳針對不同的應用環(huán)境做了不同的低功耗發(fā)射設計，模塊處于發(fā)射狀態(tài)下整體電流控制在106mA。

無人機搭載機架及激光控制外殼，根據搭載元器件外形及重量等進行特定設計，以滿足激光清障無人機作業(yè)需求。

3 性能試驗

■3.1 模擬作業(yè)場景搭建

在室外模擬10kV配網線路上纏繞干草編制的鳥巢，模擬配網線路桿塔鳥巢。

■3.2 作業(yè)前準備工作

3.2.1 無人機準備

檢查無人機與激光裝置掛載是否正確連接；無人機性能檢測。

3.2.2 激光裝置準備

檢查激光裝置電池電量檢查是否電量充足；查驗云臺三軸運動是否正常；對激光裝置無線通訊進行測試，驗證測試數(shù)據是否能夠正常反饋；自動調焦測試，在毫米波雷達前方放置障礙物檢查激光發(fā)生器自動調焦裝置是否能夠正常調焦。

■3.3 作業(yè)過程

無人機搭載激光裝置飛行至模擬鳥巢清除作業(yè)區(qū)域，操作人員可以在地面遙控端通過無人機搭載的攝像頭觀察到輔助瞄準激光裝置發(fā)射的激光點，從而進一步的確定作業(yè)位置，通過無線遙控裝置控制激光清障裝置進行云臺轉動與激光發(fā)射或關閉，從而實現(xiàn)模擬鳥巢的清除作業(yè)。

■3.4 試驗結果分析

選用大疆M600 Pro多旋翼無人機搭載15W/cm2的LED激光可在地面端遠程控制無人機飛至模擬鳥巢附近，通過無人機自帶的攝像頭輔助激光裝置瞄準鳥巢，當作業(yè)人員通過遙控器控制激光發(fā)射后，鳥巢在6s內燃燒，30s內脫落，即完成模擬鳥巢的清除作業(yè)。清除作業(yè)完成后，線路金屬設備及桿塔無損傷情況出現(xiàn)。

4 結論

通過無人機搭載15W/cm2的LED激光可在地面端遠程清除模擬線路桿塔上的鳥巢，且對桿塔、導線、絕緣子等設備無損傷。線路模擬試驗證明，無人機搭載激光清障裝置可提供一種安全、高效、便捷地清除線路鳥巢的作業(yè)方式，有效減少配網線路鳥巢清除工作難度和風險，降低線路鳥巢引起的電力事故發(fā)生率，提升配網線路供電安全性和可靠性。