无人机电池增容及防坠落系统的研究

贵州电网有限责任公司兴义供电局 柴剑珩 龙福刚 杨瑞景 李兴斗

无人机具有高灵活性、快速反应、低廉成本及快速便捷等特点，已广泛应用于电网的规划、建设、运行和维护中。电网行业大范围采用了大疆御2系列无人机作为线路巡检工作的标准工具，因原装单块电池的容量有限，无法满足高强度工作的时长需求，往往需要携带多块电池且无法在野外作业环境下进行充电，并且其他外部环境等因素影响可能会造成无人机意外坠毁。因此无人机电池续航能力的提升及无人机坠机的预防，成为亟待解决的问题。本项目设计了一款适合大疆御2系列无人机的增容电池，性能优良、运行流畅且安全可靠，能有效增加电池的续航时间，提高无人机的巡检效率；并在电池外壳上增加安全防坠落装置系统，可减少坠机带来的财产损失。

1 项目背景及研究意义

我国地形条件复杂，高山、峡谷、丘陵众多，部分区域或水网密布（江南水乡）或沟壑丛生（黄土高原），在诸多复杂地形的基础上规划电网施工蓝图，建设电网基础设施，保障电网安全运行，测试电网线路状态，电力行业筚路蓝缕、久久为功。随着电网工业的发展，科学技术的进步，电网基础设施建设水平全面提升、日益完善，电力行业产业升级逐步纵深、有序推进，对新型的工作工具和工作方法提出了现实需求。

在此背景下，快速发展的无人机、智能机器人等新型工具已广泛应用于电网的规划、建设、运行和维护中。在很多复杂地形条件下开展的电网线路巡检工作中，相较于因条件受制而采取的传统人力工作方式，无人机的高灵活性、快速反应、低廉成本及快速便捷等特点，大概率避免了人员工作劳损及检测数据误差等问题，提高了工作效率和故障识别效率。目前行业内巡检用无人机续航时间普遍较短，使得巡检工作效率过低。以贵州电网公司兴义供电局输电管理所为例，每个班组配置3台大疆御2系列无人机，在外出进行线路巡检工作中，平均工作强度要求每台无人机至少配备10～15块原装电池，电池总重量也随携带电池数量的增加而增长，为巡检工作带来了不便。因此，无人机巡检工作对单块电池的续航能力提出了更高的要求。同时因工作损耗，无人机电池消耗量在逐年增加，而原装电池价格成本较高，一旦无人机在飞行过程中遇到紧急情况导致坠毁，也会造成一定的财产损失。

兴义供电局从2020年开始采购并应用大疆御2系列无人机，但该无人机电池仅有3,850hA，正常飞行时间仅能保证20～25min。

基于以上现状，本项目设计增加电池容量，延长飞行时间，同时，在电池外壳上集成防坠落装置（如图1所示），当无人机在飞行过程中遇到紧急情况导致坠机时，该电池外壳内置入的GPS及加速度计等电子装置（如图2所示）捕获无人机的异常状态后，防坠落装置能够自动开伞对无人机机体进行保护，从而有效减少因无人机坠机导致的财产损失。

图1 电池外壳上集成防坠落装置

图2 电池外壳内置入的GPS及加速度计等电子装置

2 功能特点及工作原理

2.1 双电池续航且性能安全

设计研制一款适合御2系列的增容电池，该电池容量达到7,000hA，续航约40～50min。在原装电池外壳改装后进行3D打印定制化开发，增加一组扩容电池（如图3所示），在额定负载情况下通过双电池来实现长时间续航的能力。

图3 增加一组扩容电池

图4 在御2电池外壳上进行改装

2.2 快速反应，安全防坠

设计研制一款适合御2系列电池的安全防坠落系统。该系统主要通过芯片程序来进行控制，采用第2代智能算法，配合高速处理器，每秒8,000次姿态数据分析，瞬间激活，可以在0.01s内对危急情况做出快速反应。该系统搭载双传感器（海拔传感器和姿态传感器）数据融合来实现精准判断，高效避免撞击、坠落及缠桨导致的炸机等风险。通过在御2电池外壳上进行改装（如图4所示），搭载安全防护系统，有效保障无人机财产安全。

3 试验

在增容电池试验中，在大疆御2无人机上安装改装后的增容电池进行线路巡检工作模拟，多次飞行试验中电池运行稳定。设定安全飞行最低电量，获取到达此电量飞行时长，与原装电池到达同等最低电量时飞行时长数据进行比较，飞行时长最低延长44min，最高延长51min。得出增容电池安全有效，具有理想的应用可行性。

在防坠落装置试验中，将无人机旋翼暂停，模拟紧急情况，使无人机进入预备坠机状态，检测防坠落装置的运行效果。多次试验结果显示，内置电子装置均正常捕获该异常状态，防坠落装置快速自动开伞，有效的防止了无人机坠落。

4 应用前景

电网行业大范围采用了大疆御2系列无人机作为线路巡检工作的标准工具，因原装单块电池的容量有限，无法满足高强度工作的时长需求，往往需要携带多块电池且无法在野外作业环境下进行充电，并且其他外部环境等因素影响可能会造成无人机意外坠毁。本文通过改装电池，以双电池模式来增加续航时间，保障了无人机巡检工作的技能多样性，使巡检工作获得更广泛的技能应用范围，并通过安全防坠落系统有效解决遇到紧急情况容易发生坠毁的问题，在实践中验证了此方法的可行性。可弥补目前工作中无人机电池容量与无人机飞行安全的短板，满足电力部门线路巡检工作对无人机工作时长的需求，有效支持我国电力设施的发展与维护。