無人機電力架線施工中阻尼控制技術研究

馬鳳臣 丁寶民 彭廣 安晨光

摘 要：無人機架線施工中存在無人機的飛行速度與牽引繩放線輪的放線速度間的不匹配問題，這種問題提高了施工中的風險。在工程實踐中，增加阻尼控制器來控制放線的速度，通過飛控通道對放線速度實施遠程的自適應PID調節(jié)控制，使兩個速度達到基本匹配，解決了施工中出現(xiàn)的問題，提高了放線效率。設計了一種自動斷線器，既支持通過飛控通道傳遞命令來實現(xiàn)自動斷線，也支持手動斷線。本系統(tǒng)可實施的放線長度可達2.5km，滿足實際工程的需要。無人機架線施工中，在起飛前可使用遠程地面站規(guī)劃航線，無人機按照航線自動放線，放線中由飛機實現(xiàn)實時的自動控制，大大地提升了工程效率。

關鍵詞：阻尼控制；輸電線；自動斷線；航線規(guī)劃

中圖分類號：TM75 文獻標志碼：A

0 概述

隨著科學技術的進步，電力施工中用機械代替人工，且由機械化向自動化智能化轉變是發(fā)展的趨勢。在電力架線施工中使用無人機展放牽引繩，方便快捷。隨著無人機施工水平不斷地提高，出現(xiàn)了各種新的技術方案，消除了安全風險，施工效率和經濟效益越來越高；特別是線路走廊長、地形復雜、地勢險要的地區(qū)，例如在農田，果園等經濟作物生長區(qū)，通航的河道，復雜的交通，跨越山區(qū)與峽谷使用無人機展放牽引繩線擔當“電力放線工”，替代人工進行展放牽引繩施工作業(yè)，效果更加顯著。

無人機展放牽引繩方案是由無人機帶動一根特制的牽引繩投送到放線區(qū)段的各級桿塔橫擔上，再利用牽張機緩慢牽引二級引繩，在整區(qū)段牽引繩全部放通后，再利用二級牽引繩牽引三級引繩帶動導線，完成導線的展放施工。

我們使用的無人機架線所搭載的引導繩長度在1.8km范圍內，放線長度有限，放線輪放線的速度隨著飛行速度的加快放線速度也會加快，由于慣性原因當飛機速度減慢時放線輪速度仍在加快，導致放線過長，如果在山林中架線，放線過長很可能會掛在樹上，危險系數過高，當飛機放線到一定長度時，想要斷線還需要人工斷線，飛行過程全程只能用遙控器控制，不能自動飛行，設計不人性化。為了提高架線效率，消除架線過程中的不確定因素造成的安全隱患，使架線更加的自動化，智能化，我們在架線機的架線掛載上增加阻尼控制功能和自動斷線功能，提升了飛機的掛載重量，放線長度更大，給飛機增加航線規(guī)劃功能，放線效率提升了很多。

1 施工工具

1.1 無人機

采用深圳市科比特航空科技有限公司的X6-P六旋翼無人機，表1是該機型技術參數。

其機型采用的是六旋翼X6-P，機身材質為碳纖維復合材料，該材質含有90%的碳成分，并且經過長期高溫熱處理，具有良好的耐摩擦、耐高溫特性。當上升海拔4000m時，能夠凸顯低熱膨脹性能，一般無人機在升至此高度時，受到外層大氣壓力的擠壓，極易出現(xiàn)變形。但是這種碳纖維材質組成的無人機，在高海拔高度上會產生及其微小的變形。另外在機身重量和最大起飛重量方面，也有卓越的優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在穩(wěn)定性，一般無人機的機身重量為3kg，最大續(xù)航時間20min，而這種無人機在重量和續(xù)航時間上，明顯高于其他無人機。最后便是在工作溫度上的界定范圍，一般無人機使用環(huán)境為戶外正常溫度，當達到較高溫度時，會對機身和續(xù)航能力產生較大的負面影響。但是這種無人機不會因為外界溫度的環(huán)境受到影響，所受溫度為-10℃～60℃，能夠在極大程度上承受外界溫度的波動變化。

1.2 阻尼器MTN-04

線輪安放在飛機端，隨著飛機的飛行速度加快，線輪的放線速度也加快。操作中，有時飛機速度需要放緩，但由于慣性原因，而放線輪的速度還在增加，造成放線速度與飛機的飛行速度嚴重不匹配，造成多余長度的線放出來，牽引線有可能掛載樹上，落在水中或其他影響正常放線的操作。為了解決這種非正常情況的發(fā)生，我們在放線輪出口端附近安裝了磁阻尼器MTN-04，通過飛控通道給出的命令，應用PID程序控制，讓MTN-04提供適當的運動阻力，使放線速度與飛機的飛行速度相匹配，防止過多的線放出來，影響飛機飛行的安全。

MTN-04磁阻尼器是以磁場為媒介傳遞恒定扭力的裝置。轉動部件均以質輕堅固的材料精密加工而成，轉動慣量極小。張力輸出膠輪以彈性軟膠制成，不傷線。金屬部件均經防銹處理，耐蝕性能優(yōu)良。阻尼器輸出和本體之間通過磁性副連接，在輸出軸上提供穩(wěn)定的制動扭矩。可以預設并精確控制張力，張力穩(wěn)定可靠，安裝結構簡單，張力大小調節(jié)方便。MTN-04結構設計緊湊，體積小巧，可在各種位置穩(wěn)定工作。阻尼器可在放線時產生可調性張力，使放線時帶適宜的張力，從而使放線輪的放線速度與無人機飛行速度相適應，保證了工程施工平穩(wěn)進行。

MTN-04的特點：

（1）具有穩(wěn)定的扭矩，不受到轉差的影響，靜止時和轉動時扭矩不變。因此，從最低轉速到最高轉速，扭矩始終恒定，不受時間、溫度、速度或其他條件的影響。

（2）通過有刻度的轉盤進行張力的設定，重復性好，可以在最大與最小之間連續(xù)調整，得到最優(yōu)化的張力來滿足需要。

（3）安裝簡單，無須監(jiān)護外加控制器。

（4）從靜態(tài)到動態(tài)張力無突變， 運轉時能提供恒定張力，停車時可保持張力。

（5）可作為離合器使用，本體和輸出軸皆可作為輸入和輸出端。當負載過大時，產生滑差打滑，保護整機。

（6）在調節(jié)盤上加一個微型步進電機可實現(xiàn)遠程調節(jié)與控制。

施工中將阻尼器連接飛控通道7，可遠程控制阻尼器阻尼力的大小。

圖1是放線輪與阻尼器的結構圖。

1.3 斷線器

普通架線機在架線時放到一定長度后需要人工斷線，操作麻煩復雜，如果引線掛在樹上，又不能及時斷線，那么很有可能造成飛機失事，造成財產損失，人員受傷，還要賠付青苗費用，為解決這系列安全問題我們研發(fā)了一款遠程斷線器。

斷線器由USB充電打火機的電熱絲發(fā)熱片作為點火發(fā)熱源，MOS管形成控制開關組成，開關的通斷控制連接至飛控，通過通道8遠程控制，也可手動控制。

斷線器特點：

（1）遠程點火，觸發(fā)點火后升溫很快，溫度夠高，在很短的時間內即可熔斷引導線。

（2）穩(wěn)定性高，可反復使用，可以在遠程地面站上面控制斷線，也可以使用遙控器斷線，支持自動斷線和緊急情況下手動斷線器斷線。

使用組成斷線系統(tǒng)，飛控通過通道8控制斷線器的開啟與關閉，當接收到飛控控制信號時，發(fā)熱片發(fā)熱，將線熔斷，達到斷線效果。

1.4 專業(yè)地面站

采用工業(yè)級三防地面端控制站，采用專業(yè)的地面控制軟件，作業(yè)航線規(guī)劃，航點自動斷線，超長距離控制。

2 阻尼器的智能控制

當無人機在空中的飛行速度變緩時，放線輪由于慣性的作用還在加快，為了不出現(xiàn)牽引線過長的情況，要對放線端進行阻尼控制，通過飛控通道7輸出信號來調節(jié)阻尼器的張力大小來控制放線的長度。利用PWM調制技術，對阻尼器實行PID控制。

隨著控制理論和技術的日趨完善和成熟，各種先進的控制方法不斷出現(xiàn)，但目前PID控制仍然是最常用的控制方案。PID控制具有直觀、實現(xiàn)簡單和魯棒性好等優(yōu)點。但在PID控制中，一個關鍵的問題就是PID參數整定，傳統(tǒng)的方法是在獲取控制對象數學模型的基礎上，根據某一整定原則來確定PID參數。然而現(xiàn)在系統(tǒng)面臨難于建立精確的數學模型的問題，而且模型參數隨著飛行工作狀況的改變而改變，參數整定難度極大。

近年來已提出了多種自校正PID調節(jié)方法，但由于自適應控制是在被控對象為線性對象的前提下進行研究的，我們面對的系統(tǒng)是非線性、時變系統(tǒng)，校正后仍存在不盡人意之處。為此將神經網絡引入到PID控制參數整定，無疑是一個新的著眼點。神經網絡具有自適應、自學習、并行處理及較強的容錯能力，將神經網絡應用于PID控制過程，使控制更加智能，在線調整PID參數，使被控系統(tǒng)具有較強的抗干擾能力和魯棒性。

本系統(tǒng)采用增量式數字PID控制，以飛行器的實時速度的變化量作為輸入，而控制阻尼器的轉動變化量作為輸出，對阻尼器進行張力的適應性調節(jié)。系統(tǒng)中采用的算法是單神經元自適應算法，在算法中，有3個神經網絡加權系數，分別對應PID控制器參數，通過對加權系數即對PID控制器控制參數K，、K，、K。的調整來實現(xiàn)自適應、自學習功能。加權系數的調整可以采用不同的學習規(guī)則，從而構成不同的控制算法。這里在單神經元控制器中引入輸出誤差二次型性能指標，通過修改網絡權值項，使性能指標趨于最小，從而實現(xiàn)自適應PID的最優(yōu)控制。

3 施工過程與步驟

將繞好線的線輪裝進飛機的掛載艙，固定牢固，選擇周圍無遮擋物的空地作為起飛場所，打開專業(yè)地面站并且連接上飛機端。

在專業(yè)地面站上規(guī)劃作業(yè)航線，設置好要在那個地方斷線，將對應控制通道寫給對應航點，并將航線任務發(fā)生給無人機，周圍無風或者微風情況下解鎖起飛。

飛機按照航線飛行，可以遠程通過遙控器控制阻尼的大小和啟動斷線器。

飛機放線完畢并且斷線后，選擇安全的高度返航。

起飛前人員應與飛機保證10m～15m的安全距離，起飛前要檢查飛機電機、槳葉是否運轉正常，飛機是否有異常聲音，電池電量是否足夠。

保證放線輪的引導線沒有打結，線能順利放出來，如在飛行過程中發(fā)現(xiàn)引導線放不出來，需要馬上斷線，保證飛機的安全。

工作時需要備好工具，準備一些零部件備用保證架線機持續(xù)工作。

結語

在架線機上增加阻尼控制器、斷線器、遠程地面站控制系統(tǒng)作業(yè)效率明顯提升，使用更加的人性化，優(yōu)點明顯，放線時可以規(guī)劃航線自動放線，可以遠程自動斷線，也可遠程手動斷線，抗風能力最高可達10m/s，遠程操作能力更強，更具備實用性。

參考文獻

[1]裴明慧，孫永海.遙控無人機展放初級導引繩在架線施工中的應用[J].安徽電力，2014（s1）：7-9.

[2]熊傳龍.遙控無人機懸空展放導引繩工藝[J].電子測試，2015（15）：155-158.

[3]楊智偉，王瓊晶，李盛杰.淺析無人機跨江放線問題[J].科技創(chuàng)新與應用，2016（18）：81-82.

[4]江春茂，陳雪原，潘金柱.磁阻尼器的研制及其在動導數實驗中的應用[J].江漢大學學報，2010，38（1）：40-42.

[5]王濤，阮新建.基于單神經元PID控制器在渠道自動控制中的應用[J].長江科學院院報，2004，21（4）：53-56.