大型无人直升机在输电线塔架设中的应用

王 瑜 王 放 游亦强 陈 斌 池曦锵

1国网浙江省电力有限公司温州供电公司 温州 325002 2北京航空航天大学无人系统研究院 北京 100191 3温州电力建设有限公司 温州 325011

0 引言

我国幅员辽阔、地貌复杂，许多输电线路需要经过山区。使用传统手段在高山峻岭架设输电线塔，需修建道路、架设索道，以运输重型钢结构组件，周期长、费用高[1]。

使用常规有人直升机进行投放作业，由于山区气象和地形条件复杂，驾驶员人身安全存在风险，并且保障要求高，费用昂贵。使用大型无人直升机，将索道组件吊运投放至山顶，快速架设运输索道，不需在高山修建道路，大幅缩短工程周期，降低费用[2]。

小型电动多旋翼及小型无人直升机在电网巡检、电缆牵引等领域已有大量的应用，但其载荷小，续航时间短，通常只能携带20 kg以下载荷，飞行30 min左右。但索道钢结构组件单体质量在200 kg以上，现有无人机无法满足要求。基于此，本文论证并开发了用于索道钢结构组件吊运投放的大型无人直升机F500，该机可携带200 kg以上载荷，续航时间可达5 h以上。经过大量研发和测试，F500无人直升机已经具备执行山区物资投放的能力，并于2019年12月，在浙江省某输电线塔建设工程中，成功执行了索道钢结构组件的吊运投放任务，大幅缩短了工程周期。500 kg大型无人直升机可在电网建设及维护的诸多领域发挥作用，为传统的电力建设施工提供成本和风险可控的航空手段。

1 无人直升机吊运投放系统概述

如图1所示，F500起飞质量500 kg，可携带200 kg有效载荷续航2 h以上。与目前国内市场上常见的电动多旋翼无人机相比，该无人机有效载荷大，续航时间长。

图1 F500工业无人直升机系统

F500无人直升机空机质量为240 kg，任务载荷+燃油质量为260 kg，最大起飞质量为500 kg。巡航速度为80 km/h，最大速度为140 km/h，实用升限为5 000 m，标准航时为5 h，抗风能力为7级。旋翼直径为6.3 m，机体高度为1.8 m，机身长度为3 m，桨叶片数为2×2，燃油标号为95号汽油，发动机功率为115 HP。

F500工业无人直升机系统可实现超视距全自主飞行，飞行任务及投放坐标录入系统后，无人机可按照规划航线自动飞抵目的地上空，执行投放任务。完成投放后，按照规划航线自动返航降落。

面向吊运投放任务需求，开发了电磁投放装置。该装置通过电磁铁和固定装置将需运输的货物吸附在飞机机腹下面，到达投放点后，程序控制电磁铁释放，完成货物投送。使用大载荷工业无人直升机进行索道门架运输，可省去上山修路的成本和时间，提高效率。

2 工业无人直升机运输投放系统设计

该系统采用共轴双旋翼无人直升机平台，搭载自主飞控导航系统、无线通讯链路系统、电磁吊装与自动投放系统、光电吊舱监控与无线图像传输系统。可单次运载200 kg有效载荷，超视距自主导航飞行，到点自动投放返航，由于采用共轴双旋翼布局，不需尾桨，该系统体积紧凑，可在比常规单旋翼布局直升机更小的起降场地作业，如图2所示。

图2 起降场地条件

2.1 共轴双旋翼无人直升机飞行平台

F500飞行平台采用共轴双旋翼布局，共轴双旋翼无人直升机有2副同轴反转的主旋翼。2副旋翼产生的反扭矩相互抵消，故不需尾桨，纵向尺寸小。2副主旋翼产生有利的气动干扰，没有尾桨损耗。因此，悬停气动效率高于传统单旋翼直升机布局，在相同总质量下，共轴式旋翼直径仅为单旋翼直径的78%。在拉力系数Ct/σ＝0.13%～0.20%内，共轴直升机的效率比单旋翼高17%～30%，如图3所示。

图3 共轴旋翼与单旋翼效率对比

机身与起落架均采用钛合金焊接绗架结构，质量轻、强度高，且具备优良的抗腐蚀性能。旋翼系统采用复合材料桨叶，中心铰链半刚性桨毂。复合材料桨叶质量轻、抗疲劳特性好，不需要维护。中心铰链半刚性桨毂结构可靠性高，同时可避免地面共振，增加了飞行平台的可靠性。操纵系统采用上下2副独立控制的自动倾斜器，上旋翼的操纵杆从旋翼轴空腔内穿过，使得外部结构减少，有效降前飞低气动阻力，同时可以抑制沙尘的侵入。

动力系统采用1台ROTAX914发动机，燃料为95号汽油，最大功率115 HP。该发动机采用水平对置四缸布局，与直列四缸布局相比，振动水平比降低。该发动机同时配备一级涡轮增压系统，在4 500 m高原地区，功率仅比海平面减少10%，相对非增压发动机，高空功率提高30%。

图4 ROTAX914航空发动机

2.2 任务设备及控制系统

任务设备包括吊装投放系统和光电观察系统。吊装投放系统由电磁吸附模块、安装固定模块、控制模块组成。该系统使用定制开发的电磁铁，通过安装固定模块将需要运输的索道门架组件吊装在机腹下方。无人直升机携带载荷到达目的地后，控制模块收到触发信号，释放电磁铁，将索道门架组件投放到指定地点，无人直升机返航。

光电观察系统由自适应减震云台和高清摄像机组成，吊装于机头下方。无人直升机飞行过程中，云台根据飞机的姿态变化自动调整俯仰、滚转角度，保持高清摄像机画面稳定，并通过图像传输模块将飞机视角的画面回传到地面站，为操作人员提供图像信息。

2.3 通讯链路系统

如图5所示，通讯链路由机载发射模块与地面接收模块构成。机载终端包括全向天线机载收发组合模块，完成图像处理、飞控数据处理、信号接收和发送功能。地面终端包括地面全向天线、定向天线、地面链路设备箱、伺服机构、电源盒等。完成图像、飞控数据的接收和发送功能。

图5 通信链路原理图

2.4 飞控导航系统

飞控导航系统用于稳定直升机飞行姿态，支持航线规划，使直升机按照规划航线全自主飞行，完成预设的飞行任务。

F500飞控导航系统采用在线双余度姿态检测单元，高稳定性GPS接收机以及高速CPU，提供CAN，RS232接口，配合双目视觉模块实现双目避障及视觉仿地飞行功能。

飞控系统具备自动返航功能，当数传链路断开时，可触发自动返航，直升机爬升至安全高度，返回起飞点上空悬停，达到设定时间后，自动降落着陆。

3 成果应用

面向山区吊运投放任务，本文制定了无人直升机航空运输方案。在山区复杂环境下，用重载无人直升机将货物运输并投放到山顶目的地，可减少人员风险及成本，提高作业效率。

执行任务前，双方人员先对飞行环境进行考察，获得起飞点与投放点坐标，选择山路转弯处一块草地作为无人直升机起降场地，对场地进行了平整与硬化施工。

图6 无人直升机执行投放任务场景

无人直升机转场至起飞点后，机组人员进行环境适应性试飞，规划飞行航线并制定应急预案。安全小组对起降场地进行清场后，机组将需投放的索道门架挂在至机腹电磁投放系统上。无人直升机按照规划航线起飞，到达山顶投放点上空后将载荷投放。完成投放任务后按预定航线返航降落。直升机着陆后，机务人员检查飞机并补充燃油，准备下一次飞行。整个投放任务共进行了6个架次飞行，将1.2 t组件从山下公路投送至山顶输电塔安装处用时2 d。与传统方式相比，节省修路成本和数月的工期，大大提高了效率。

4 结语

目前，市场上的无人机载荷通常不超过50 kg，无法满足山区线塔架设的投放任务。本文研制的F500大型工业无人直升机，一次飞行可运输投放200 kg以上载荷，在温州山区开展了面向线塔架设的航空运输投放任务，是国内第一次使用大型工业无人直升机进行200 kg以上载荷的投放任务。这种作业方式避免了有人直升机驾驶员的人身安全风险，与传统线塔架设方式相比，省去了修建上山道路的成本和工期，可大大提高山区输电线塔架设的效率。