无人机用高压线塔清除鸟巢设备的研发

萧振辉 张雷 霍永良 刘余敏 董礼勇

[摘 要]目前针对高压线塔上清障任务，国内外提出了两种解决方案。但两种方案均不能适用于清除高压线塔鸟巢任务。因此，基于两种方案，提出了新型清除高压线塔顶端的鸟巢的无人机系统。此系统包括无人机平台、剪切、绞碎，抛投装置。通过本套清鸟巢系统的三套装置相互配合，可在短时间内完成清除高压线塔上鸟巢任务，且不会造成二次污染及自然灾害，不会损伤高压线塔上的元件，具有一定的应用前景。

[关键词]高压线塔，鸟巢，无人机系统

中图分类号：S944 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）08-0084-03

1 引言

鸟害是威胁架空高压线路稳定运行的重要因素，其影响程度仅次于雷电活动与外力破坏[1]。鸟类搭建在高压线塔上的鸟巢是高压线路主要危害形式之一，其在阴雨天或大风等特殊天气中导致接地事故，而且鸟巢中金属丝可能会接通高压线塔正负两级导致跳闸事故[2]，因此，清除高压线塔上的鸟巢是降低高压输电线路危害的一种必要措施。

目前，国内外清除鸟巢的方案有两种，其一，通过传统人工清除的方法。其二，采用无人机喷火清除的方法。但是，人工清除方法耗时时间长，危险性大，约束条件多，不适用于大规模清除鸟巢[3]；而无人机喷火清除可能会烧伤复合绝缘子，具有引起火灾的危险[4]，因此这两种方案均不能作为清除高压线塔上鸟巢的最佳方案。

本文提出的清除高压线塔顶端鸟巢的无人机系统是一种有效的清除鸟巢危害的方案，具有一定先进性。其结构主要分为无人机平台，清除装置两个部分。清除装置具体细分为剪切装置、绞碎装置，抛投装置。其中，剪切装置用于修剪鸟巢垂下来的树枝、柴草，防止其在清除鸟巢过程中掉落以引起高压电线短路事故；绞碎装置是通过用无人机平台将绞碎刀送到鸟巢内部，高速旋转，绞断搭建的树枝、柴草等材料，使鸟巢从高压线塔上脱落；抛投装置抛射箭头，用于钩住鸟巢，通过控制无人机向斜上方拉取，完成清除高压线塔上的鸟巢。

2 无人机平台设计

2.1 整体布局参数

飞行平台的整体布局参数如表1所示，如图1所示为飞行平台模拟图。

2.2 结构件力学分析与优化

2.2.1 建立模型

将平台整机系统图进行力学简化，略去起落架部件、飞控支座板、电池支撑板、电机和电机座等，保留了主要承力构件：中央支撑板、机臂、机臂夹具，如图2所示。在软件中，需要对参数单位重新定义，根据系统数据，进行如表2的单位设置。

如图3所示，为划分网格图

2.2.2 模型加载

在模型加载之前，分析了无人机在空中可能的受力状态。当无人机静止或者是匀速运动时，在空中主要承受重力和六个电机的拉力，二力相互平衡；当无人机受到拖拽时，需要承受牵引绳拉动鸟巢的力、自身重力和六个电机的拉力，三者受力平衡。根据上述两种情况，分析时把六个电机作为固定点，通过改变拖拽力与重力夹角，重点分析其承受各种拖拽力情况下的结构受载情况。

（1）不拖拽时

不拖拽时飞机只承受重力和六个电机所产生的升力，并保持平衡（阻力及阻力造成的影响计入过载情形中）。参照无人机平台设计参数，起飞重量为15kg，在分析时，将过载设置为起飞重量的2倍，则在重心处设置向下拉力30kg。

（2）拖拽时

如上分析，固定六个电机，并在重心位置加载载荷，除了重力以外，还需要考虑拖拽力。拖拽力加载的方向共分为六种，即与重力方向夹角分别为0°、10°、20°、30°、40°、50°。设定拖拽力均为10kg。具体加载情况如图4所示。

2.2.3 结果分析

本文列举了拖拽力与重力夹角为0°、30°时应力应变图，如图5、6、7，8所示。

从结构受力分析结果来看，该设计基本符合无人机平台的强度、刚度要求。

3 清除装置设计模型

3.1 旋转平台设计模型

如图9所示，清除装置的旋转平台。

飞行器搭载平台1四角处的连接立柱2与飞行平台连接，通过飞行器带动清除装置飞至鸟巢的高度位置，第一舵机4驱動第一转盘3转动，第一转盘3带动与之连接的转杆5和横杆6旋转，转杆5和横杆6带动连接支架7以转杆5为轴做旋转运动，由此三种装置可以实现左右方向的转动。连接支架7上的第二舵机8驱动第二转盘9转动，第二转盘9带动剪切杆固定碳杆11以第二转盘9的中轴线旋转，由此三种装置实现上下方向的俯仰转动。

3.2 剪切、绞碎与抛投装置设计模型

如图10、11，12所示，为剪切、绞碎，抛投装置。由于无人机平台不稳定，因此剪切装置，采用旋转刀片的方式。通过快速旋转的刀片，切割垂下来的柴草、树枝。绞碎装置则采用大量的立式小刀方案，通过数量众多的小刀片的快速旋转，可实现深入鸟巢内部，对鸟巢实现清除功能。抛投装置则通过抛出的箭头，钩住垂下来的鸟巢，再通过斜上方拉取，实现清除鸟巢的目的。综上所述，通过三套装置的相互配合，可实现清除鸟巢的目的。

4 结论

清除高压线塔上的鸟巢是降低高压输电线路危害的一种必要措施。但是，目前清除鸟巢的方案耗时耗力，且存在损伤高压线塔元件和引起自然灾害的风险，而新型清除高压线塔顶端的鸟巢的无人机系统可以在解决上述问题的情况下完成清理鸟巢任务。其使用方便简洁，大大降低人工成本和清除鸟巢时间，具有一定的先进性，具有很好的应用前景。、

参考文献

[1] 梅超美，蒲路，王雪松，等.架空输电线路鸟害防治技术分析[J].陕西电力，2008，36（8）：45-47.

[2] 李德刚，王小铭.输电线路防鸟害技术的研究与实践[J].科协论坛，2007，26（1）：33-36.

[3 ]刘波.输电线路鸟害综合防治措施[J].电力安全技术，2008，10（11）：17-18.

[4] 朱德中，刘俊祎，梁宏杰，等.遥控喷火飞行器带电处理异物装置的研发[J].中国科技纵横，2016（10）：49-50.

（课题来源于中国南方电网有限责任公司重点科技项目：多旋翼无人机系统在城市和山区输电线路深化应用技术研究；项目编号：GZHKJ00000102）