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高海拔无人机线路巡检应用研讨

发布时间:2018-12-25 01:06:01 文章来源:未来智讯    
    高海拔无人机线路巡检应用研讨作者: 苗俊 李鹏祥 李峰 王璋 吕政扬 许毅   【摘 要】 随着国家西进战略不时纵深推进,海拔较高对于线路巡检人员而言常常存在着低温、缺氧及辐射高等可能危害健康不利因素,因此使用无人机进行巡检极为必要,但是,无人机高海拔运行也面临着不小困境,如无人直升机使用是燃油发动机,但在高海拔地区空气稀薄会导致燃油燃烧不充分,会有动力损耗,另外,空气稀薄还会影响升力,直升机在高海拔地区要通过更高转速才能获得和低海拔一样升力。因此,油机不符合在云南等较高海拔地区使用,应发展使用电动机来进行高海拔电网无人机巡检作业。
  【关键词】 高海拔架空线路  无人机  无人机巡检
  【Abstract】 As the west strategy has been carried forward, higher for line inspection personnel usually exist in low temperature and hypoxia and the high radiation may endanger health disadvantage, so using unmanned aerial vehicle (uav) for checking is necessary, however, unmanned aerial vehicle (uav) high altitude operation are also facing a big trouble, such as unmanned helicopter is using fuel engine, but at high altitudes thin air will lead to combustion of fuel oil is not sufficient, there will be a power loss, in addition, the thin air can also affect the lift, the helicopter at high altitudes to lift to achieve higher speed and low altitude. As a result, the oil machine is not suitable for use in yunnan higher altitudes, should use motor for high altitude grid drone checking homework.
  【Key words】 the high elevation overhead line  Unmanned aerial vehicle (uav)   Unmanned aerial vehicle (uav) inspection
  随着电网的日益扩大,巡线事务量日益加大,高海拔地区的巡检任务则更加艰难,曲靖输电线路区域绝大局部架空输电线路都远离城镇和交通干线,分布在崇山峻岭之间,运行条件十分恶劣等特点,传统的线路运行维护管理模式和常规作业方式,多选取肉眼或望远镜人工地面目测的方法进行,巡线方式是人员徒步巡线,巡检人员抵达这些地区对照困难,事务效率较低,劳动强度大。因此,急需一种高效的高压线路巡检方式,保障线路的平安稳定运行。而输电线路无人机巡线系统沿杆塔飞行,对线路通道、杆塔本体及电气局部进行航拍及部分拍照,从而发现通道隐患及线路缺陷,达到人员巡视的目的,减轻了人员巡视的劳动强度,提高了事务效率,为高压输电线路巡检带来了极大的便利,无人直升机高海拔区域成功应用则是迈向全面发展的关键一步。
  1 系统设计研讨
  架空输电线路巡检分正常巡检、故障巡检、特殊巡检三种,检查包含杆塔、导线、绝缘子、金具、防雷设施、线路走廊等。因此在无人机巡检系统设计可分为三大子系统:无人机系统、巡检系统、通讯系统。
  1.1 关于无人机系统
  无人机系统主要包含:旋翼系统、动力系统。
  1.1.1 无人机旋翼系统
  旋翼系统中如(图1)所示,升力大小主要是由桨叶提供的,桨叶的设计有气动力方面的要求,同时还要求有动力学和疲劳方面的技能。旋翼桨叶是建立在所选用的材料、制作的工艺技能和旋翼的理论基础之上。根据旋翼桨叶的发展,可分为复合材料桨叶、金属桨叶、混合式桨叶三种形式。
  1.1.2 无人机动力系统
  无人机的动力系统如(图2)所示,主要是由电动或油动来提供能量,直升机的前进动力和升力都来自直升机的主旋翼,当你进行细部观察时就会发现前进的直升机转到前面和后面的桨叶的桨距是不一样的,便是叶片倾斜的角度是不一样的,他们通过自动倾斜器抑制。自动倾斜器的倾斜会导致桨叶的桨距发生周期变化,使得旋翼空气动力不对称,桨叶的旋转平面将向所需方向倾斜,旋翼的拉力矢量方向因此发生改变,这样就达到操纵直升机横向和纵向飞行的目的。直升机的俯仰,滚转,当然还有前进后退都是由桨叶的周期变距操作实现的。
  1.2 关于巡检系统
  巡检系统如(图3)所示,利用无人直升机作为载体,装载可见光照相机、可见光摄像机、红外热像仪及通讯设备等对架空输电线路进行巡检,不但能代替巡线工人和有人直升机巡线系统,还能够补救人工巡线的不足,全方位检查输变电线路的情况,并准时发现线路故障和隐患,将现场情况传回地面抑制中心。
  1.3 关于通信系统
  无人机通信系统包含:抑制系统、地面系统、软件系统。
  1.3.1 无人机抑制系统
  无人机抑制系统如(图4)所示,抑制系统包含机载和地面局部,坚持飞机的稳定飞行由机载局部负责并传输图像信号到地面局部,地面局部根据无人机的状态以及得到的图像信号作出下一步的任务信号,并发送给机载局部,为了确保平安飞行,防止飞行机构失控,增加了由飞控手掌握的抑制器。机载局部与地面局部之间有两条数据连接,负责传送图像和传送指令和飞行状态。地面局部能够分为图像处理平台和地面站局部,地面站与机载飞行抑制器连接,发送抑制下令,获得飞机状态信息,图像处理平台获取摄像头的图像信号并处理图像。   1.3.2 无人机地面系统
  实时显示直升机采集的图像信息,并对其进行远程遥控;图像信息实时录制,随时回放观看;能够将外部信号接入地面站进行显示或将地面站信号在外接屏幕上显示如(图5)所示;
  1.3.3 无人机软件系统
  无人机软件系统实现了无人直升机地面站系统的导航、空间数据处理和三维可视化的功能,基于Java语言编写整个地面站软件系统,嵌入3D GIS,利用Java软件开发来实现3D GIS导航的过程。如(图6)所示。
  2 关键技能问题研讨
  无人直升机根据动力可分为:油动无人直升机、电动无人直升机,在低海拔地区两者都能够较好地完成任务,但在高海拔区域下二者区别如下:
  2.1 关于油动无人直升机研讨如(图7)所示
  发动机在高原上事务的适应性研讨:
  2.1.1 气压低、缺氧对发动机本能的影响
  随着海拔高度的增加,空气逐步稀薄,气压降低,据实测资料证明,气压与海拔高度有下列关系:式中某海拔高度的大气压力(毫米汞柱),海平面处的大气压力,=760毫米汞柱,海拔高度(米)大气中的平均含氧量也是随着海拔高度的增加而削减的。
  在发动机转速不变的情况下,非增压发动机的功率是与空气的比重、指示效率和机械效率成正比。因此,发动机在平原与高原上的功率可用下式表达:
  对发动机功率影响最大的空气比重,即大气压力及进入气缸中的空气压力。由于高原地区空气稀薄,年平均含氧量低,发动机在海拔高度每升高1000米时,其功率就降低百分之10左右,最大扭矩降落的幅度则还要大些,且向高转速方向移动。总之,发动机的动力本能降落,本能也随之变坏。
  2.1.2 气温对发动机本能的影响
  随着海拔高度的增加,气温越来越低。气温低会使启动困难。此外,过低的温度会使金属及非金属材料发生冷脆,并容易断裂,降低发动机的使用寿命。
  2.2 关于无人直升机电动机研讨如(图8)所示
  关于电动机在高原适应性的研讨:
  鉴于云南地处高海拔地区,具有典型的高原气候特征,选取聚合物锂离子电池作为飞机的动力电池作为试研,聚合物锂离子电池具有以下特点:塑形灵活性;更高的质能比(3倍于MH-Ni电池);完美的平安可靠性;更长循环寿命,容量丧失少;体积利用率高;广泛的应用领域。
  无人机所用动力电机为无刷永磁直流电机,无刷电机取消了由电刷和换向器组成的机械接触机构,没有机械摩擦和换向火花,具有效率高、寿命长、运行可靠、无电磁干拢等优势。无刷电机在额定转速时,扭矩及电流计算公式如下:
  式中:为事务电流,为扭矩,为事务电压,为调速器的导通压降,n为转速,为电机参数,为内阻,为电机的空载电流。由以上公式可得,电机的输入功率、输出功率及效率如(图10):
  
  根据以上方法算得效率与实验对比如(图9)所示,在电机最大事务电流附近相对误差为3%-7%,小电流时为22%。
  如(图10)所示电机的机械特性,转速和扭矩随调速器抑制输出功率减小而减小。图中还包含了机桨在固定转速时的扭矩-转速曲线,当电机曲线和机桨的扭矩大于电机最大扭矩时,电机就不可以驱动螺旋桨启动,这时应该提高输出的功率,升高电机的事务电压。
  3 关于实地飞行的研讨
  为证实之前所述,我们选择海拔2500m高山地区,采用一段220KV架空输电线路,无人机系统设置距离线路约50m,速度4m/s沿线巡检,并在每级杆塔悬停观测,由于受到高海拔的影响,空气稀薄(海拔2500米高度时,空气含氧量约为低海拔地区的6成左右),此时,发动机同样的吸气动作,实际吸入的氧气削减,可供燃烧的氧气少了,汽油发动机的动力输出就会大幅降低,导致无人直升机的油动发动中的汽油燃烧不完全,加大油门,飞机不会往高处飞,达不到要求的2500米的海拔高度。后将无人机的油动发动机改成电动发动机,用电池代替汽油作为飞机的动力,起降试验测试完成,巡检图像清晰已经可以满足对线路巡检的要求如(图11)所示。
  经过以上多次试验,证实电动无人机更符合于高海拔环境下的巡检作业。
  4 结语
  随着无人直升机技能的愈趋成熟,其操作系统会变得更加大略,使用本能的优越性将会得到充分的体现,在电力线路巡检方面将得到更加广泛的应用。
  无人直升机可以以自动或遥控的方式,通过预制定的飞行路线,在卫星定位系统的抑制和指引下对高压输电线路进行巡视,将拍摄和检测的数据实时传输或储存在硬盘里。从而代替人工对输电线路特别是地理环境恶劣及重要线路进行巡检,准时发现杆塔、通道走廊以及运行设备的故障隐患、设备缺陷等异常现象,减轻事务人员的劳动强度,降低了巡线的成本,大大提高巡检的平安保证和自动化水平,达到减负增效的目的。
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  作者简介:苗俊(1971―),男,本科,研讨方向为输电线路运行、检查、管理等;李鹏祥(1970―),男,中专,研讨方向为输电线路运行、检查等;
   李峰(1987―),男,本科,研讨方向为输电线路运行、检查等;王璋(1985―),男,本科,研讨方向为输电线路运行、检查等;吕政扬
   (1967―),男,本科,研讨方向为电力系统输电设备应用研讨等;许毅(1987―),男,本科,研讨方向为智能机械自动化设计及应用等。
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