基于无人机技术的配网线路杆塔鸟巢清除装置研究

关家华，凌忠标，陈君宇，叶蓓，谭家祺

（广东电网有限责任公司佛山供电局，广东佛山，530006）

0 引言

随着生态环境的不断改善，配电线路杆塔鸟巢现象随之增加，因鸟巢引起的线路跳闸事故也随之发生，严重影响配网线路的供电可靠性。早期架空线路异物主要采用绝缘绳索、吊篮、软梯、绝缘斗臂车等接近导线，人工清除异物。人工清除异物方式，耗时长、作业难度大强度高、作业风险高[1]；同时受环境限制对崎岖的山路及跨越河流、湖泊等地段，难以安全高效地清除架空线路异物。目前常见的清除方式有无人机喷火清除、激光大炮，喷火无人机主要通过无人机搭载喷火装置，控制无人机接近异物后，喷火装置喷火烧除异物，对于线路下方有易燃物时不适用，且无人机本身存在操作不当坠落风险[2]。激光大炮则是通过从地面发出激光辐射向高空异物，大功率小光斑的激光能快速将异物引燃；又或通过云台的运动，将异物快速碳化，形成“切割”效果，使异物脱落，从而实现远距离、非接触式、可带电作业的异物清除方法[2-6]。激光大炮所需配件多且较重，不便于搬运，对于崎岖山路等并不适用。

本文研究一种可搭载在无人机上的配网线路鸟巢清除装置，实现可在地面端远程操控无人机，即可及时、安全、快速地点燃杆塔上的鸟巢，操作便捷，可安全、高效、快捷地清除线路鸟巢，减轻运维人员的鸟巢清除作业强度和作业风险，提高配网线路的供电可靠性。

1 激光的选择研究

■1.1 功能需求

使用无人机携带激光装置清除飘挂物，具有使用方便、安全可靠、便捷等特点，可对线路杆塔上的鸟巢进行清除且不会损伤配网线路及杆塔等金属部件。

激光装置应具备以下性能：

(1)多旋翼无人机负载后续航时间一般小于20min中，且无人机悬停过程中受环境风或地磁干扰，无人机易出现震动、飘移情况，因此激光装置应尽可能快速高效的完成清除作业。

(2)多旋翼无人机载重能力有限，因此激光清障装置重量要轻。

(3)激光清障装置应能清除线路杆塔上的鸟巢，且不会对配网线路及杆塔等金属部件造成损伤。

(4)激光清障装置搭载在无人机上，可实现2~5m内的线路异物清除作业。

■1.2 激光光源的选择

配网架空线路上的异物主要为非金属材料的塑料和化纤制品，这些材料的热导率、熔点、燃点或软化温度等远低于金属材料的[7]。因此，可采用激光束精确发射到异物表面，通过激光对材料的光热作用，将异物切割断落或烧毁，从而消除线路异物引起的安全隐患。由于红外激光对金属表面的吸收率低且在空气中传输损耗小，目前市面上常见的激光大炮采用红外远程发射进行异物清除，但是受配网线路线行下树木及建筑物等影响，使用受限且配件多，难搬运。

鸟巢属于聚酯纤维类制品，其热导率、燃点等远低于金属材料（见表1），因此选择合适光源即可清除。本研究拟采用无人机搭载光源近距离进行鸟巢的清除作业，无需考虑空气中传输损耗，且无需过大功率光源，因此选用LED紫光作为光源。考虑到复合绝缘子易受激光损伤且玻璃绝缘子及复合绝缘子也可能会受损，在异物清除过程中，应避免激光直射绝缘子。

表1 线路金属材料与聚酯纤维的热性能比对表

2 基于无人机技术的激光清障装置研制

■2.1 设计思路

目前市面上常见的激光清障装置，主要是从地面发射光源对线路异物进行清除，但是线路环境复杂，线行下方树木、房屋等会严重影响激光使用效果。本研究通过无人机搭载高效率激光发生器，可在高空实现线路鸟巢异物清除作业，避免线行下的环境干扰问题。操作人员可在地面端远程操控无人机飞行至鸟巢异物2~5米范围内，通过无人机自带的摄像头传递回的实时视频数据进行鸟巢异物图像识别，实现对作业区域的清除目标进行自动识别并反馈至地面遥控端，操作人员确认作业目标后，自动控制云台与激光发生装置对需要作业的目标进行清除工作。整个作业过程，操作人员在地面端即可通过遥控器进行可视化清障作业，过程可控、安全高效。

■2.2 激光功率选择

由于配网线路杆塔鸟巢较难获取，一般都是发现后即采取相关措施进行清除作业。而纸片比鸟巢更加难以燃烧，本研究选用纸片代替鸟巢进行激光功率选择试验。研究依次选用5W/cm2、8W/cm2、10W/cm2、15W/cm2的LED激光进行纸片燃烧试验，试验结果如表2所示。

表2 激光功率及清除效果对照表

试验结果如表2及图1(b)所示，当激光功率为5W/cm2，5min内纸片变黑但是无法点燃；如图1(c)所示，当激光功率8W/cm2时，2min内纸片可以点燃，且对纸片附近钢管无损伤；如图1(d)所示，当激光功率10W/cm2时，45s内纸片可以点燃，且对纸片附近钢管无损伤；如图1(e)所示，当激光功率15W/cm2时，8s内纸片可以点燃，且对纸片附近钢管无损伤；无人机在高空中作业时其稳定性易受外界环境影响，因此清除时间越短对于无人机作业越适用，但是激光功率过大其体积及重量也随之增加。综合考虑清除效果及无人机稳定性及载荷因素，15W/cm2的LED激光即可满足清除需求，无需继续增大激光功率。

图1 纸片燃烧试验图

■2.3 装置研制

2.3.1 多旋翼无人机

本研究选择目前电力线路特种作业常用的无人机-大疆M600 Pro多旋翼无人机搭载激光装置进行架空线路鸟巢清除作业。

M600 Pro多旋翼无人机采用模块化设计，整机装配及使用便捷简单，高效的动力系统集成防尘、主动散热功能。M600 Pro搭载三余度A3 Pro飞控系统、高清数字图传、只能飞行电池组及电池管理系统；增加减震设计，飞行数据更加精准，提高飞行可靠性；内置飞行参数自适应的功能实现不同负载下的参数免调，便捷易用。配备D-RTK GNSS，大幅提升飞行可靠性，有效消除磁干扰的影响并提供厘米级的定位精度。M600 Pro满载可提供15~18分钟续航时间及最大5公里的远距离、低延时高清实时影像与控制信号传输能力。支出大疆云台与第三方软硬件扩展，最大载重6.0kg，可对其进行功能扩展，实现电力行业特种作业需求，目前作为电力特种作业无人机载体被广泛应用于电力行业。

2.3.2 激光清障装置研制

激光清障装置通过特制的无人机搭载机架与大疆M600 Pro多旋翼无人机固定联接；无人机悬停过程中，不可避免由于环境风或地磁干扰造成无人机出现震动、飘移情况，采用高负载的无刷三轴云台搭载激光发射筒，在三轴云台上通过陀螺仪、加速度计、角速度计获取云台姿态使其实现云台自稳，从而达到激光发射筒的相对稳定进而避免因无人机本身震动导致的激光无法聚焦；在激光发射筒侧面安装有一个低功率的激光发生装置，辅佐大功率激光发生器进行激光作业；加装毫米波雷达对作业区域进行实时距离测量，并对测量得到的距离进行自动调焦操作，实现更高效率的激光作业。装置设计图如图2所示。

图2 激光清障装置研制

图中，①无人机搭载机架；②毫米波雷达；③陀螺仪；④三轴云台；⑤激光发生器；⑥激光辅助瞄准器；⑦三轴云台控制电路；⑧无线数传；⑨电池；⑩激光控制外壳。

云台负责搭载激光发生器，并保证其能实现在三维空间下的自主调整。云台在配合上目标锁定算法后可实现在激光发生器瞄准期间最大限度的减少因为无人机或外界环境因素导致的激光瞄准目标偏移问题。云台在三轴下的运动采用三轴无刷电机进行驱动，每一个无刷电机的驱动都通过独立的驱动芯片进行，驱动芯片型号为DRV8313，驱动电流最大可达到2.5A。云台整体控制采用一个独立的控制单片机进行，单片机负责控制云台电机驱动芯片、采集安装于云台上方的陀螺仪数据并实时解算云台姿态、负责对外部信号的响应并做出对应的动作等，云台控制芯片采用的是STM32F103RCT6 主频72M，搭载Cortex-M3内核。

毫米波雷达型号为AWR1443 EVB，其具备低功耗、自监控、超精准等特点，仅需通过指令即可实现毫米报雷达近距离、中距离和远距离探测的配置。在清障作业过程中，毫米波雷达可对激光模块前方障碍物进行探测，返回至单片机一个扫描平面的距离数据，单片机根据云台姿态与距离信息得出目标物与设备之间的距离，并对得到的距离信息自动调整激光发生器焦距，从而实现激光效率的最大化利用，降低激光清障作业的时间及作业难度。

陀螺仪选用WT901B十轴高精度陀螺仪模块，模块内置MPU9255负责输出3维加速度、3维速度、3维磁场、3维角度，内置还有BMP280气压计，负责输出1维高度信息。通过十轴陀螺仪获取实时云台姿态，调整激光发射角度。

数据传输模块的射频芯片采用SX1278，发射频率可以在410~525MHz，支持多种应用场景。芯片采用LoRa扩频技术，使其抗干扰与灵敏度都大大提高，数传发射最大功率在20dBm，净空环境下可达到的最远通讯距离3000m。数传针对不同的应用环境做了不同的低功耗发射设计，模块处于发射状态下整体电流控制在106mA。

无人机搭载机架及激光控制外壳，根据搭载元器件外形及重量等进行特定设计，以满足激光清障无人机作业需求。

3 性能试验

■3.1 模拟作业场景搭建

在室外模拟10kV配网线路上缠绕干草编制的鸟巢，模拟配网线路杆塔鸟巢。

■3.2 作业前准备工作

3.2.1 无人机准备

检查无人机与激光装置挂载是否正确连接；无人机性能检测。

3.2.2 激光装置准备

检查激光装置电池电量检查是否电量充足；查验云台三轴运动是否正常；对激光装置无线通讯进行测试，验证测试数据是否能够正常反馈；自动调焦测试，在毫米波雷达前方放置障碍物检查激光发生器自动调焦装置是否能够正常调焦。

■3.3 作业过程

无人机搭载激光装置飞行至模拟鸟巢清除作业区域，操作人员可以在地面遥控端通过无人机搭载的摄像头观察到辅助瞄准激光装置发射的激光点，从而进一步的确定作业位置，通过无线遥控装置控制激光清障装置进行云台转动与激光发射或关闭，从而实现模拟鸟巢的清除作业。

■3.4 试验结果分析

选用大疆M600 Pro多旋翼无人机搭载15W/cm2的LED激光可在地面端远程控制无人机飞至模拟鸟巢附近，通过无人机自带的摄像头辅助激光装置瞄准鸟巢，当作业人员通过遥控器控制激光发射后，鸟巢在6s内燃烧，30s内脱落，即完成模拟鸟巢的清除作业。清除作业完成后，线路金属设备及杆塔无损伤情况出现。

4 结论

通过无人机搭载15W/cm2的LED激光可在地面端远程清除模拟线路杆塔上的鸟巢，且对杆塔、导线、绝缘子等设备无损伤。线路模拟试验证明，无人机搭载激光清障装置可提供一种安全、高效、便捷地清除线路鸟巢的作业方式，有效减少配网线路鸟巢清除工作难度和风险，降低线路鸟巢引起的电力事故发生率，提升配网线路供电安全性和可靠性。