高压电力塔涉鸟异物自动清除方法及系统设计

聂家富　明伟　廖雨飞　钟坚　翟嘉彤　黎晓聪

摘 要：目前，输电线路及高压电力塔上的异物清除主要依靠人工方式进行，高空作业危险系数高，且易受到高温、霜冻等天气影响导致无法作业。本文提出了一种基于无人机的高压电力塔涉鸟异物自动清除方法及系统。在无人机飞行过程中，涉鸟异物距离传感器进行异物扫描，实时获取涉鸟异物与无人机的距离以及与机翼水平方向的偏移角度。根据获取的距离及偏移角度调节伸缩杆和机械手方向及长度，同时根据飞行平衡算法保持无人机飞行平衡，通过机械手对涉鸟异物进行清理，实现对高压电力塔涉鸟异物的自动清除。试验证明，本设计方案可实现对高压电力塔及高压线路涉鸟异物的清除，具有安全可靠、环境适应力强且操作方便的特点。

关键词：无人机（UAV）;高压电力塔;涉鸟异物清除;飞行平衡算法

中图分类号：TM75 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）26-0124-03

Method and System Design for Automatic Removal of Foreign Matter

from Wading Birds on High-Voltage Power Tower

NIE Jiafu MING Wei LIAO Yufei ZHONG Jian ZHAI Jiatong LI Xiaocong

（Transmission Management Office of Wuzhou Power Supply Bureau of Guangxi Power Grid Co.， Ltd.， Wuzhou Guangxi 543000）

Abstract： At present， the removal of foreign matters on transmission lines and high-voltage power towers mainly depends on manual methods. The risk factor of high-altitude operation is high， and it is easy to be affected by high temperature， frost and other weather. This paper proposes an automatic removal method and system of bird related foreign matter in high-voltage power tower of UAV. During UAV flight， the bird related foreign matter distance sensor scans the foreign matter， obtains the distance between bird related foreign matter and UAV and the offset angle with the horizontal direction of wing in real time， and adjusts the direction and length of telescopic rod and manipulator according to the obtained distance and offset angle， At the same time， the flight balance of UAV is maintained according to the flight balance algorithm， and the foreign matters involving birds are cleaned by manipulator， so as to realize the automatic removal of foreign matters involving birds in high-voltage power tower. The test results show that the design scheme in this paper can remove the foreign matters involving birds in high-voltage power tower and high-voltage line， and has the characteristics of safety， reliability， strong environmental adaptability and convenient operation.

Keywords： Unmanned Aenal Vehicle（UAV）;high-voltage power tower;bird wading foreign body removal;flight balance algorithm

為了满足城镇发展的需求，电力从发电站输送高压电到各个用电户。在输送过程中，通常会遇到鸟类在高压线上栖息死亡的情况。鸟类尸体、鸟巢等涉鸟异物会对高压线造成损耗，影响供电，需要对其进行清理[1]。目前，输电线路及高压电力塔上的异物清除主要依靠人工方式进行，高空作业危险系数高，在高压线或高压塔上工作操作不当会导致发生意外[2]。因此，它对电力工作人员有较高的技术要求和身体素质要求[3-4]。随着无人机技术的成熟，旋翼无人机以其优异的性能被应用到电力线路巡检、高压电力塔异常检测中[5]。本文提出一种无人机高压电力塔涉鸟异物自动清除方法及系统，以克服现有技术的不足。在无人机飞行过程中，利用涉鸟异物距离传感器进行异物扫描，实时获取涉鸟异物与无人机之间的距离，以及涉鸟异物与机翼水平方向的偏移角度。根据获取的距离及偏移角度调节伸缩杆和机械手方向及距离，同时根据飞行平衡算法保持无人机飞行平衡，通过机械手对涉鸟异物进行清理。试验证明，本设计方案可实现对高压电力塔及高压线路涉鸟异物的清除，具有安全可靠、环境适应力强且操作方便的特点。

1 系统装置设计

本文提出一种基于无人机的高压电力塔涉鸟异物自动清除系统，系统装置设计如图1所示。控制主板安装在旋转支架底座中，用于获取所有传感器采集的数据并进行分析，并对所有电机进行控制。摄像头、涉鸟异物距离传感器设置在旋转支架底座底部前端，三轴陀螺仪传感器设置在旋转支架底座里，配重杆的顶端设置在旋转支架底座底部后端，伸缩杆的顶端设置在旋转支架底座靠近前端，机械手和机械手接触异物传感器设置在伸缩杆的底端。通过搭载无人机，根据距离感应器对涉鸟异物的距离感应，无人机可飞行靠近，通过机械手对涉鸟异物进行清除，以替代以往需人工登塔清除的传统方式，降低了高空作业的风险。

2 涉鸟异物清除算法设计

无人机飞行过程中通过机械手对涉鸟异物进行清理，需要根据飞行平衡算法保持无人机飞行平衡，流程如图2所示。

本文所设计的涉鸟异物清除算法流程如下。无人机起飞后，伸缩杆和配重杆通过伸缩杆水平角度调整电机和配重杆水平角度调整电机调整至与无人机机翼垂直位置，两个配重杆通过配重杆夹角角度调整电机调整夹角至0°，使无人机平稳飞行，不受伸缩杆和配重杆力矩的影响。

无人机飞行过程中，涉鸟异物距离传感器進行异物扫描。当无人机接近涉鸟异物时，判断实时获取到的涉鸟异物与无人机之间的距离是否小于伸缩杆最大伸展长度。当距离小于伸缩杆最大伸展长度且三轴陀螺仪传感器探测无人机停止移动时，控制模块控制旋转支架底座，使伸缩杆和机械手方向对着涉鸟异物，通过控制伸缩杆来控制电机，使伸缩杆伸长至获取的涉鸟异物与无人机之间的距离，并通过控制机械手控制电机，使机械手张开。

控制模块通过三轴陀螺仪传感器获取无人机倾斜角度，根据前后飞行平衡算法调整伸缩杆与配重杆之间的角度，根据左右飞行平衡算法调整电机调整两个配置杆之间的角度，使无人机保持飞行平衡。

上文所提到的前后飞行平衡算法，具体实现方式为：设机械手的质量为a，每个配重杆配重头的质量为b，涉鸟异物与涉鸟异物距离传感器之间的距离为l，配重杆长度为l，涉鸟异物与机翼水平方向的偏移角度为θ，两个配重杆之间的夹角为φ。为了保持无人机前后平衡，需要时伸缩杆端和配重杆端的力矩保持一致，如式（1）所示。根据式（1）可求出配重杆水平角度调整电机上升配重杆的角度θ，如式（2）所示。当伸缩杆长度调整为l1、角度调整为θ时，可根据式（2）计算角度θ，并通过配重杆水平角度调整电机进行角度调整。

上文所提到的左右飞行平衡算法，具体实现方式为：当无人机向左倾斜时，设无人机倾斜角度为φ，控制模块控制配重杆夹角角度调整电机，上升左端配重杆角度为φ;当无人机向右倾斜时，设无人机倾斜角度为φ，控制模块控制配重杆夹角角度调整电机，上升右端配重杆角度为φ。

当机械手接触异物传感器探测机械手接触涉鸟异物时，机械手夹紧涉鸟异物，将伸缩杆回缩，把涉鸟异物从高压电力塔拉扯出来。在回缩过程中，控制配重杆水平角度调整电机调整至相应的角度，以保持无人机平衡飞行，把涉鸟异物从高压电力塔拉扯出来。

对涉鸟异物进行清理后，控制模块调整伸缩杆和配重杆至与无人机机翼垂直位置，两个配重杆通过配重杆夹角角度调整电机调整夹角至0°，使无人机平稳飞行。

无人机下降至地面时，基于伸缩杆水平角度调整电机和配重杆水平角度调整电机对伸缩杆及配重杆进行调整，调整后的伸缩杆及配重杆升高至与无人机机翼水平位置，以确保在飞机下降时机械手抓取装置不与地面接触。当无人机下降至地面时，涉鸟异物清除流程结束。

3 试验测试

本文设计装置的控制主板采用STM32F407主控芯片，并在主板中集成ESP32蓝牙和Wi-Fi双模芯片，用于与手机App实现数据通信。用于测试的无人机为大疆M600 PRO无人机，最大负载为6 kg，搭载专业级A3 Pro飞行控制系统。

本文设计的机械手抓取装置总质量为3 kg，伸缩杆最大伸展长度为2.2 m，装置安装在无人机的底部。在待机状态下，伸缩杆及配重杆升高至与无人机机翼水平位置，以确保在待机状态下机械手抓取装置不与地面接触，如图3所示。

试验测试项目及结果如表1所示。

通过上述测试试验证明，本文设计方案通过手机APP向机械手下发控制命令，可实现对高压电力塔及高压线路涉鸟异物的清除，同时无人机在异物抓取过程中保持平稳飞行。本方案具有安全可靠、环境适应力强且操作方便的特点。

4 结语

本文提出了一种安装在无人机的高压电力塔涉鸟异物机械手抓取装置。通过搭载无人机，根据距离感应器对涉鸟异物进行距离感应，无人机飞行拉近距离，通过机械手对涉鸟异物进行清除，并根据飞行平衡算法保持无人机飞行平衡。试验证明，本文所提出的装置携带方便，能够替代以往人工登塔清除的传统方式，降低了高空作业的风险。

参考文献：

[1]刘学，楚云江，何辉.一种变电设备鸟窝整体清除成套工具实用性探讨[J].科技经济导刊，2020（11）：36.

[2]陈兴宝.浅谈带电取鸟窝多功能工器具的研制和使用方法[J].现代工业经济和信息化，2016（19）：35-36.

[3]荆琦.旋翼飞行机械臂抓取控制研究[D].绵阳：西南科技大学，2020：34-35.

[4]陈刚，杨金杰，杨鹏.关于喷火无人机在高压线路消缺的应用探讨[J].电子世界，2019（3）：166-167.

[5]蔡宗琦，李宏杰，陈芝茂.等.旋翼无人机巡检220 kV直线塔的路径规划算法研究[J].科学技术创新，2020（20）：68-69.

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