一种便携式无人机起降平台的研制与应用

1课题背景

随着科技的发展,无人机越来越多地应用于各行各业中,特别是在输电线路运检方面。传统作业方式是靠巡线工目测发现缺陷,往往输电杆塔顶部的缺陷无法及时被发现,人巡获取的数据精度不够,而无人机可以飞越高山大岭,其拍摄的高清晰度照片能够帮助工作人员快速了解线路运行情况,有效降低人力成本,提高工作效率。

然而,输电线路铁塔常常立于野外山区,复杂的环境给无人机起降带来了麻烦。对于不平整的砂石地或杂草丛生的山地,在黄土地上或使用手持的方式起降无人机,都可能导致飞机损伤、破坏,更存在一些人身伤害风险。据统计,2019年至今,广东省内无人机炸机事故中,有超过70%的事故发生在起飞和降落阶段。当无人机预降落时,由于风力与复杂的野外环境等因素影响,无人机易发生翻转或碰撞。基于此,本文研制了一款便携式无人机起降平台,结构简单,使用方便,适用于市面上99%的无人机起降。而无人机设备在复杂的地理环境下均可以正常起降,能够保证无人机使用的安全,防范误伤无人机驾驶员的事故,保证人身安全。

2电网无人机应用情况分析

传统的人工巡视作业效率低,智能巡检应运而生,高精度、高效率的输电运维成为大势所趋,因此无人机在电力行业高压输电线路运维工作中的应用已经十分普及。

2.1电网无人机应用分类

电网系统中,输电运维应用无人机通常分三类:巡视类、测量类、特种作业类。

(1)巡视类无人机作为电网运维最常见的应用方式,通常运维人员使用精灵4、御2无人机进行输电线路精细化巡视和通道巡视。在无人机精细化巡视过程中,操作人员驾驶无人机通过近距离拍摄输电铁塔各本体部件的照片,来进行缺陷识别。相较于传统的地面人工望远镜查看,无人机作业可不受位置限制,在各个角度进行部件拍摄和缺陷识别,发现重大紧急缺陷及时进行处理,有效保证输电线路运行的可靠性。

(2)测量类无人机一般包括测温类及测距类。

测温类一般应用大疆Mavic2热成像双光无人机,该无人机集成了热成像传感器,可感知动态范围在-10~400℃,可见光相机可拍摄高清晰视频,一次航线飞行即可完成可见光和红外光拍摄,实现了一次飞行完成两项作业任务,作业效率大幅提升。

测距类无人机通常使用大疆经纬M300RTK,不但可以搭载禅思H20镜头进行红外测温,还可以搭载第三方镜头,如激光雷达镜头,对输电线路保护区进行飞行扫描,对输电线路及地面物体进行三维点云识别,实现树木与导线距离、输电线路对地距离、输电线路与公路/铁路等重要交叉跨越距离的准确有效测量,及时发现其他物体与带电导线距离不足问题,保证电网的安全稳定运行。

(3)特种作业类无人机一般应用于特种作业,例如:1)喷水无人机,可带电进行输电线路绝缘子清洗工作,防止在阴雨天发生绝缘子闪络风险:2)喷火无人机,可带电进行输电线路飘挂物清除工作,将导线上或者横担嘴上的飘挂物及鸟巢、蜂巢点燃,谨防带电体短路情况发生:3)植保无人机(大疆T40无人机),可进行农药喷洒,也可对输电线路保护区超高树木进行技术处理作业等。

2.2无人机应用现状分析

上文介绍了输电运维人员经常使用的无人机型号及分类。小型无人机,如御2起飞重量约907g,飞机展开尺寸为g22mm×242mm(长×宽),每块电池续航20min:中型无人机,如红外测温及激光雷达测距飞机经纬Mg00RTK起飞重量约9kg,飞机展开尺寸为4g0mm×420mm,每块电池续航g2min:大型无人机,如大疆植保无人机T40起飞重量约50kg,飞机展开尺寸为1125mm×750mm,两支撑架距离为600mm×550mm(长x宽)。鉴于此分析发现,常见飞机一般起飞重量均小于50kg,常见飞机尺寸均小于600mm×600mm,每块电池续航时间约g0min。

经过调查发现,目前市面上也存在无人机起降平台,通常是一个圆形的防水优质尼龙或硬板,这些起降平台功能单一、材质普通,只能满足轻质无人机简单的起降需求,如遇复杂野外环境,如茂密的草地、水沟、斜坡等环境,均无法使用,为此本文致力于研发一款适用于全部尺寸的无人机起降平台,该平台材质轻便,便于携带,且可依据太阳能电池板外置充电接口,为无人机提供良好的起降环境,同时为无人机提供充足的电能供应。

3起降平台技术方案

基于上文分析,研制了一款新型可便携无人机起降平台,满足适用于各种机型起降、适用于各种地形的应用场景、为无人机提供充足的电力供应等三种需求。起降平台技术方案如图1、图2所示,共由17个零部件组成,其主要功能及技术设计思路如下:

1为塑胶把手,塑胶材质,轻质防滑,设计匹配可伸缩铝合金拉杆。

2为可伸缩铝合金拉杆,与塑胶把手1成一体设计,航空铝材质,用于拖动起降平台主体4移动,不使用时可伸缩至平台主体内。

g为折叠合页,航空铝材质,用于连接起降平台主体4,使其可以展开与合上。

4为起降平台主体,航空铝材质,无人机在起降平台主体进行起飞和降落,镂空设计,降低起降平台整体质量。

5为防震缓冲钮,配合起降平台主体4展开后,起到支撑、防震、保护作用。

6为移动滑轮,用于配合可伸缩铝合金拉杆2来带动起降平台主体4移动。

7为底部折叠合页,航空铝材质,用于连接起降平台主体4底部,使其可以展开与合上。

8为USB充电口,可提供5V/1A的充电接口。

9为平台提手,航空铝材质,用于提起起降平台。

10为USB充电口,可提供12V/2A的充电接口。

11为支撑脚架脚垫,用于辅助支撑脚架12更平稳地支撑便携式无人机起降平台。

12为支撑脚架,将起降平台主体4展开后,打开支撑脚架可将便携式无人机起降平台放置在野外环境中。

1g为可调节卡扣,本平台支撑脚架12可进行250mm长短调节,脚架每个腿最长可达到450mm,确保在倾斜位置也可以通过调整腿长短来保持起降平台的平衡。

14为防震缓冲钮,作用原理与防震缓冲钮5相同。

15为太阳能电池板,与起降平台一体化设计,可提供12V和5V两种电压输出。

16为水准仪,通过判断水准仪情况,来确保起降平台高度水平。

17为反光板,既可发光又可反光,即便在夜间飞行,也可实现飞机快速找到起降平台位置。

本方案设计质量为7.8kg,起降平台展开面积800mm×800mm,平台高度450mm,折叠后尺寸为400mm×400mm,厚度为150mm,适用于大疆全系列机型,可承受500N的下压力。

4应用成效

作业人员通过可伸缩铝合金拉杆2和移动滑轮6将便携式无人机起降平台拉到作业点,根据作业环境选择合适的作业位置,通过使用折叠合页g将起降平台主体4展开,将支撑脚架12从内部翻转出来,通过调节可调节卡扣13,将支撑脚架12每个腿调整至合适长度,然后将无人机放置在起降平台主体4平面上便可以开展无人机的起飞工作。无人机巡视工作结束后,降落在起降平台主体4上,将无人机装机收好,便可以按照上面的展开顺序将便携式无人机起降平台合上收起,完成本次无人机巡视工作。

该起降平台外观简洁美观,产品化设计思路,拉杆箱式移动方式,4个可伸缩式支架,能够满足各类无人机不同野外环境的起降需求:平台表面一体化设计8块太阳能电池板,可提供12V和5V两种电压输出,为无人机电池及无人机遥控器持续提供电能,解决野外作业电池电量不足的问题。平台表面外部布置8块发光条幅,保证无人机即便在夜间工作也可准确发现无人机起降位置,满足无人机起降过程中的可视化需求。起降平台实物图如图3所示。

图3起降平台实物图

该成果已于2021一2022年在江门供电局输电管理一所试验应用,据统计,应用此成果近两年,江门输电一所由无人机起降导致炸机数量减少12台,根据每台无人机维修费用5000元计,有效减少无人机维修费6万元,提高无人机起降安全性的同时,也延长了无人机的使用寿命。

针对本文成果便携式无人机起降平台,应用总结如下:

(1)该平台自2021年使用至今,在保证操作简便、便携的同时,降低了无人机起降风险,将无人机炸机率降低50%,延长了无人机的使用寿命。

(2)该平台从根本上解决了无人机起降难的问题,有效降低了无人机及作业人员安全风险。

(3)该平台从根本上解决了传统起降平台功能单一、材质简单的问题,针对无人机电池耐久性差的缺陷,能够有效提供电源供应,对电源进行及时充电。

综上所述,本次试运行达到了预期目标,产品性能得到了验证和完善,可以开展进一步的推广。

5结语

无人机起降平台设计尺寸为800mm×800mm,折叠后尺寸为400mm×400mm,质量为7.8kg,一体化设计,可折叠,装拆快速,最大承重超过50kg,可满足输电运维99%的无人机起降需求:配置2个万向轮,便于作业人员携带转移。该设备可不受野外环境影响,为无人机起降提供飞行保障和电力供应,提高无人机作业效率,降低无人机及作业人员安全风险,值得在无人机应用领域全面推广。