車載多旋翼無人機充電裝置＊

李宇琪，楊榮乾，徐丙州

（武漢理工大學 機電工程學院，湖北 武漢 430070）

1 項目背景及研究意義

目前，我國輸電線路分布范圍廣，所處環境較為惡劣，人工巡檢線路這種巡線方式的人員工作強度大、工作條件差、工作效率低而且存在人身安全的風險。此外，近些年來小型飛行器技術迅速發展，目前的多旋翼無人機機動靈活、懸停穩定性好且便于操控，正在逐漸取代人工巡檢的方式。但是，目前現階段的多旋翼無人機由于受電池容量的限制，巡航時間一般在15～20 min。盡管目前已經有很多關于巡航線路優化的研究，但無人機的續航時間依舊不夠理想。

現有的充電方式有以下兩種：①移動設施供電的無線充電板。配備受電裝置的無人機降落到無線充電基座上進行充電，優點是定位較為簡單，降落容易；缺點是充電效率低、充電時間長、供電裝置受工作環境的限制。②太陽能供電的無線充電裝置。這種裝置與上一種相比，受環境、天氣的限制更加明顯。

多旋翼無人機由于其靈活性和穩定性，所獲取圖像的精度較高，因此可以對線路進行精細檢查。但其結構也決定了它的電池系統不能太大，因此續航時間受到了很大限制，每次只能巡檢一兩個塔，巡檢效率不盡人意。基于以上現狀，設計了一個可固定于車頂的充電裝置，以期增加無人機的飛行時間，提高其工作效率。

2 項目的創新之處

項目的創新之處主要有：①將裝置的安裝位置設置在汽車的頂部，電力獲取方便，靈活性強。在汽車趕往下一塔桿區域時，無人機可以停留在車頂進行充電，高效利用時間。②采用傳統的接觸式充電方式，充電時間短、效率高。發熱量小，安全性和穩定性較高，同時也減少了無線充電對輸電線路所造成的電磁影響。③采用“桿-錐”式對接裝置結構，解決無人機充電時的定位問題，使充電過程更加快捷方便。④鎖緊齒采用上下觸碰開關的方式，使無人機插入孔內時鎖緊；向上飛行離開時收縮，使無人機順利離開。⑤底盤處安裝有永磁鐵，進一步固定無人機，同時也對無人機的穩定降落起輔助作用。

3 項目的研究內容和研究目標

本項目以應用創新、結構創新和功能創新為切入點，根據現有的無人機充電設備無法達到高效快速準確充電的問題，利用“桿-錐”對接裝置來實現擴大對接范圍、降低對接難度的效果。本項目主要包括機械結構部分、電路控制部分，機械結構部分主要有連接于無人機底部的桿狀充電插頭、連于車頂上的充電樁、充電樁內的自動開關解鎖裝置；電路控制部分主要包括上下兩部分接觸位置的充電模塊。

裝置作為一個整體，要使整體能正常工作需要合理的結構將它們結合起來。項目的具體設計內容如下：①設計合理的云臺結構，保證無人機下落充電時攝像設備不會與充電樁相碰撞。②合理設計充電桿的直徑、長度以及材料，在保證良好導電性的同時，其強度能夠承受下落時的沖擊力。③設計合理的上線兩部分的錐面形狀，使上充電桿只要落入下錐面就能順利滑入充電卡槽內。通過實驗確定圓形卡槽的尺寸、長度，確保充電時卡緊，防止風力將充電桿破壞。④合理設置電力來源，與汽車線路準確連接，保證其安全性。⑤對自鎖齒進行設計，實現無人機下落時將充電桿鎖緊；離開時充電桿向上頂，出發自鎖齒收縮，使無人機順利離開。

4 項目研究的實施方案及擬采取研究方法和技術路線

該項目主要是解決無人機在長距離巡檢線路時的續航問題，而解決續航問題的方法是當無人機的電量使用至少達30%以上時再進行充電。

由此項目背景中現有的充電方式可以知道，目前的無人機充電方式主要存在以下幾個問題：①受工作環境的影響較大。②連接式充電的無人機與充電裝置之間連接不太準確。③無線充電的充電效率低、成本高，且由于高壓輸電線周圍磁場較強，會對無線充電器產生一定的影響。

因此，多旋翼巡線無人機的充電相對而言還是連接式充電占更大優勢，因此，如何實現其準確定位便成了亟待解決的問題。本裝置采用“桿-錐”式連接裝置，這種連接方式可以降低飛行器的定位精度，擴大降落范圍，保證無人機的充電桿只要落到充電樁的錐面上，便能依靠裝置的巧妙結構滑入充電卡槽中。此外，在底板下方布置永磁鐵，將無人機緊緊吸附在底盤上，防止無人機移動。裝置的主要結構主要有以下幾點。

4.1 上半桿部分

本作品的充電桿位于無人機云臺下端、攝像裝備的后部，這樣可以避免阻礙攝像頭的視線，同時也防止無人機下落充電時攝像設備與充電樁之間發生碰撞。充電裝置的上半部分整體為桿狀，桿的末端為圓臺形，圓錐面以及圓臺表面上有薄銅片。當充電桿進入卡槽后，由于重力的作用，兩部分的銅片相互接觸，進行充電。桿末端的圓錐面以及拐角處的圓角能夠幫助桿端與充電座的圓錐面接觸后，無人機借助下落的沖擊力順利滑入卡槽中。此外，裝置除圓錐端以外的部分應用絕緣材料進行包裹，以保證其安全性與耐用性，防止漏電。除此之外，桿的中部還設計有自動扶正防抖的機械裝置，該裝置整體為環形，固連于桿的中部，裝置周圍有小滑輪，保證桿能夠順利向下滑落。小滑輪通過一根可以轉動的小桿連接于充電桿上，小桿有彈簧與充電桿連接，使之能起到緩沖、穩定充電桿的作用。

4.2 下半底座部分

下半部分整體呈柱狀，固連于汽車頂部上，有電線從汽車電源引出，經變壓整流等一系列處理后到達充電末端，該部分的整體性質相當于插座。底盤部分使用螺栓與車頂相連接，底盤內部有永磁鐵，使無人機停放在裝置上時更加穩定，同時也有利于無人機降落時的定位。充電樁頂部為充電部分，頂端有一圓錐面，圓錐面的底部為充電卡槽，當充電桿落入其內部后，充電開始。

圓柱形卡槽與圓錐面的相交處有自鎖齒，其具體結構如下：在圓錐面的收口處有4個自鎖裝置，4個齒狀頂塊后有小彈簧，當帶錐面的桿端落下時會推動頂塊擠壓彈簧，頂塊向后移動，充電桿向下落入充電卡槽內。當充電桿完全進入開槽內部后，彈簧推動頂塊向前移動，實現自鎖。除此之外，充電樁中部以及底部為中空設計，輸電線從中穿過。而中部以及底部的外壁由絕緣材質組成，提高充電裝置的安全系數。本裝置擁有較強的靈活性，長時間不用時可以拆下，短時間不用時可以使用防水布遮住。

4.3 電力來源

本裝置的電力來源于汽車，由于裝置的位置位于車頂，因此要合理設計線路的布局，盡量在汽車原有線路上進行改接，使之合理、美觀、安全。目前汽車外接電源等技術已較為成熟，本裝置需做出電源接口。

5 項目的研究基礎和可行性分析

5.1 效益分析

根據直升機廠家數據，以目前我國國內機型數量最多的R22小型直升機為例，每小時的直接飛行成本約為329.87元。多旋翼無人機巡檢一個塔桿約耗時5～8 min，成本約為5.28元。因此，以每巡檢一個塔桿為例，多旋翼無人機約節省成本329.87元。

5.2 可行性分析

現有的多旋翼無人機結構決定了其飛行時間不會太長，因此在其飛行路線上進行充電是解決其續航能力的較為有效、安全的方法。通過車頂上的充電裝置對無人機進行充電，增加其巡檢距離，在汽車在各個塔桿之間轉移的時侯對無人機進行充電，節約下來的時間可用到線路維護上，線路安全也將得到提高。

現有的用于巡檢電力線路的多旋翼無人機在充滿電的情況下可以工作10～15 min，對于檔距為200多米的廊道，采用多旋翼無人機只需要5～8 min即可完成巡檢。而人工巡檢則需要花費40～60 min，且人工巡檢如果要檢測塔桿上的具體情況，需要爬上高高的塔桿，還要受高壓電的威脅。因此，用無人機一次巡檢多個塔桿可以大大提高工人的巡線效率，同時也保證了工人的人身安全，減少了體力勞動。