無(wú)人機(jī)機(jī)載激光清障一體化設(shè)計(jì)

余鵬，田杰

（深圳供電局有限公司電力科學(xué)研究院，深圳 518000）

引言

輸電線(xiàn)路異物飄掛是導(dǎo)致輸電線(xiàn)路跳閘的重要因素之一。近年，我國(guó)綜合國(guó)力不斷增強(qiáng)、在高科技領(lǐng)域不斷實(shí)現(xiàn)突破創(chuàng)新，輸電線(xiàn)路清障技術(shù)發(fā)展迅速，其中較為經(jīng)典的清障技術(shù)即為地面激光遠(yuǎn)程清障技術(shù)和無(wú)人機(jī)噴火技術(shù)。2016年，國(guó)網(wǎng)江蘇電科院首次對(duì)激光在60 m外，對(duì)35 kV線(xiàn)路飄掛物成功清除進(jìn)行了報(bào)道。該篇報(bào)道驗(yàn)證了將激光技術(shù)應(yīng)用到輸電線(xiàn)路清障領(lǐng)域的可行性[1]。2017年，國(guó)網(wǎng)江蘇電科院陳杰等對(duì)這種激光清障方法進(jìn)行了理論分析、有限元仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明，清除異物所需要最小功率密度為20 W/cm2，該功率密度的激光不會(huì)對(duì)輸電線(xiàn)路造成損傷。目前北京北創(chuàng)芯通科技有限公司、中電集團(tuán)27所、11所均有激光遠(yuǎn)程清除異物的相關(guān)報(bào)道[2]。但目前所研制的設(shè)備重量均在20 kg以上，且由于地面與清除物距離較遠(yuǎn)使得跟瞄過(guò)程十分復(fù)雜，有些激光光源還需外置制冷設(shè)備，難以實(shí)現(xiàn)在山、林等復(fù)雜環(huán)境中進(jìn)行清除作業(yè)。2017年，廣東電網(wǎng)公司江門(mén)供電局公開(kāi)報(bào)道了一種基于多旋翼無(wú)人機(jī)輸電線(xiàn)路清障裝置，原理為無(wú)人機(jī)上搭載噴火器，在空中對(duì)線(xiàn)路上的異物噴射火焰，直至異物燒毀。同年，北京國(guó)網(wǎng)富達(dá)科技發(fā)展有限公司所研制的無(wú)人機(jī)噴火清障裝置形成了產(chǎn)品批量銷(xiāo)售[3]。2018年，國(guó)網(wǎng)莆田供電公司、南網(wǎng)梧州供電局、玉林供電局相繼報(bào)道了無(wú)人機(jī)噴火技術(shù)在110 kV輸電線(xiàn)路清除異物的應(yīng)用，整個(gè)操作過(guò)程為15 min，僅需2～4名操作人員[4]。該項(xiàng)清除技術(shù)雖然方便快捷，但極易引發(fā)火災(zāi)，存在一定的安全隱患。

綜上，目前亟需一種方便、安全、快捷的技術(shù)解決輸電線(xiàn)路的異物掛線(xiàn)問(wèn)題。南方電網(wǎng)深圳供電局2017年在國(guó)內(nèi)外首次報(bào)道了基于無(wú)人機(jī)平臺(tái)的激光清障裝置研制成功，該裝置的激光輸出功率為80 W，工作距離為6～7 m，總重量為3.5 kg，搭載平臺(tái)為多軸云臺(tái)或光學(xué)吊艙，清障時(shí)間僅為十幾秒，可對(duì)農(nóng)膜、魚(yú)線(xiàn)、風(fēng)箏線(xiàn)、尼龍等多種材料進(jìn)行清除。目前，研究一種輸出功率更高、工作距離更遠(yuǎn)、整體重量更輕量的清障裝置，是下一步研究工作的重點(diǎn)。

1 基于無(wú)人機(jī)平臺(tái)的激光清障系統(tǒng)

本文基于無(wú)人機(jī)平臺(tái)的激光清障系統(tǒng)包括以下幾部分：多旋翼無(wú)人機(jī)、特種激光器、定制云臺(tái)及地面監(jiān)測(cè)與控制單元，其中特種激光器和云臺(tái)構(gòu)成了整個(gè)系統(tǒng)的載荷系統(tǒng)。

1.1 多旋翼無(wú)人機(jī)

無(wú)人駕駛飛機(jī)簡(jiǎn)稱(chēng)“UAV”，是一種利用無(wú)線(xiàn)電遙控設(shè)備和自備程序控制裝置操縱的不載人飛機(jī)[5]。近年來(lái)，無(wú)人機(jī)因?yàn)轶w積小、機(jī)動(dòng)靈活、成本低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在各行業(yè)各領(lǐng)域中。多旋翼分為四旋翼、六旋翼、八旋翼等，經(jīng)過(guò)前期調(diào)研分析，六旋翼無(wú)人機(jī)能夠滿(mǎn)足載荷重量的要求，故此采用六旋翼作為激光清障系統(tǒng)的無(wú)人機(jī)平臺(tái)。六旋翼無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

1.2 特種激光設(shè)備

針對(duì)技術(shù)要求，擬對(duì)高亮度光纖激光形成技術(shù)機(jī)理展開(kāi)研究，研究不同激光輸出形式下，材料破壞的物理過(guò)程，掌握連續(xù)/脈沖激光參數(shù)與材料破壞之間的關(guān)系，以及激光與電網(wǎng)異物之間的作用機(jī)理，為清除實(shí)驗(yàn)提供理論指導(dǎo)，最后通過(guò)整機(jī)的輕量化設(shè)計(jì)，包括輕量化結(jié)構(gòu)和散熱組件，實(shí)現(xiàn)機(jī)載清障激光器小型化、長(zhǎng)工作距離的目的。

根據(jù)前期對(duì)于激光器的調(diào)研，結(jié)合項(xiàng)目的特殊需求，共進(jìn)行3次地面激光試驗(yàn)：

1）5 W、8 W小型激光器，重量500 g左右，尺寸：20*10*10 cm，采用半導(dǎo)體激光器，有效距離為2～3 m，持續(xù)工作時(shí)間1 min將異物清除；

2）100 W中型激光器，重量在3.7 kg左右，采用分體式設(shè)計(jì)，光纖激光器與供電部分分離，減輕云臺(tái)承重的壓力，尺寸為：14*12*8 cm，有效作業(yè)距離在8 m左右，1 s后溫度達(dá)到450 ℃，持續(xù)工作時(shí)間5 s左右能將異物清除；

3）200 W大型激光器，重量13 kg左右，尺寸為60*50*40 cm，采用光纖激光器，有效距離在15～30 m，持續(xù)工作時(shí)間30 s將異物清除。

結(jié)合多旋翼無(wú)人機(jī)平臺(tái)及項(xiàng)目的需求，最終決定采用100 W功率的中型激光器作為多旋翼無(wú)人機(jī)的載荷系統(tǒng)。

圖1 六旋翼無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 激光光源設(shè)計(jì)

利用布拉格光纖光柵與增益光纖進(jìn)行低損耗的熔接，將n個(gè)LD耦合輸入振蕩級(jí)的增益光纖，或通過(guò)透鏡組將泵浦光直接耦合[6]。增益光纖與利用低損耗熔接的布拉格光纖光柵或雙色鏡共同組成光纖激光器的諧振腔，在光纖受到泵浦能量激發(fā)時(shí)，即可輸出相應(yīng)波長(zhǎng)的激光。從耦合輸出鏡透射輸出的高質(zhì)量激光光束，在穿過(guò)光隔離器后，進(jìn)入放大級(jí)的增益光纖。端面泵浦耦合技術(shù)典型示例如圖2所示。

放大級(jí)仍然采用n個(gè)LD對(duì)向泵浦結(jié)構(gòu)，以充分利用泵浦能量、降低光纖增益介質(zhì)內(nèi)的溫度梯度與熱致應(yīng)力，保證輸出激光的光束質(zhì)量。在光路設(shè)計(jì)時(shí)，放大級(jí)中與前級(jí)輸出激光通向相同的泵浦光可以適當(dāng)減弱，以保護(hù)放大級(jí)的種子光入射端面。

通過(guò)主振蕩功率放大（master oscillator power amplifier,MOPA）結(jié)構(gòu)可以有效的分配n個(gè)LD泵浦的能量[7]，有效降低各個(gè)光纖輸入端面的熱負(fù)荷，同時(shí)保證的光束質(zhì)量，最終得到高效率、大功率的激光輸出。端面泵浦耦合方案如圖3所示。

圖2 端面泵浦耦合技術(shù)典型示例

1.4 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

激光輸出光纖為多模光纖，芯徑約為100 μm，數(shù)值孔徑較高，大約0.22[8]。對(duì)于該光纖，輸出光斑較小，發(fā)散角很大，不能直接應(yīng)用于激光清障中，需要通過(guò)透鏡準(zhǔn)直然后聚焦才能作用到被清除物上，以起到障礙物清除的作用。而準(zhǔn)直后的光斑大小，直接影響后續(xù)光學(xué)系統(tǒng)的口徑從而影響光學(xué)系統(tǒng)的總重量。針對(duì)這一問(wèn)題，光纖激光輸出擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)將采用無(wú)焦擴(kuò)束系統(tǒng)。玻璃基片采用高硬度、高化學(xué)穩(wěn)定性、低密度的silica。根據(jù)光纖耦合輸出要求，選取芯徑為100 μm，NA值0.22的光纖，初步設(shè)計(jì)擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)，在激光準(zhǔn)直系統(tǒng)測(cè)試設(shè)備上進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

圖3 端面泵浦耦合方案

2 激光定制云臺(tái)

由于激光器搭載在多旋翼無(wú)人機(jī)上，受空中氣流的不穩(wěn)定以及無(wú)人機(jī)自身因素的影響，無(wú)人機(jī)不可能懸停在某一點(diǎn)上并保持絕對(duì)靜止，而激光系統(tǒng)距離目標(biāo)物約8 m左右，發(fā)射的激光束不可能一直聚焦在同一點(diǎn)上，導(dǎo)致清除異物的時(shí)間大幅延長(zhǎng)，影響清除效果。

為了解決上述問(wèn)題，專(zhuān)門(mén)定制了激光器云臺(tái)，通過(guò)高頻減震系統(tǒng)和高精度陀螺穩(wěn)定平臺(tái)隔離外部干擾，保持激光器指向在慣性空間內(nèi)保持不變，采用視頻跟蹤實(shí)現(xiàn)對(duì)線(xiàn)上異物目標(biāo)的鎖定和自動(dòng)跟蹤，用于掛載與多旋翼無(wú)人機(jī)觀測(cè)并清除輸電線(xiàn)路上異常飄浮物。

圖4 擴(kuò)束準(zhǔn)直設(shè)計(jì)結(jié)果

設(shè)計(jì)三軸云臺(tái)，采用方位-俯仰-橫滾型結(jié)構(gòu)，通過(guò)三軸解耦算法隔離各通道之間的相互影響，增加反饋環(huán)路通過(guò)控制系統(tǒng)多環(huán)路閉環(huán)控制，提升系統(tǒng)的穩(wěn)定控制精度。在設(shè)計(jì)方案基礎(chǔ)上，通過(guò)軟件仿真確定系統(tǒng)控制參數(shù)，力矩核算選取電機(jī)、編碼器、驅(qū)動(dòng)器一體化電機(jī)，完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化、硬件研制，樣機(jī)組裝調(diào)試完成后進(jìn)行三軸擺動(dòng)臺(tái)架測(cè)試驗(yàn)證三軸穩(wěn)定云臺(tái)性能。三軸激光云臺(tái)采用方位-俯仰-橫滾型結(jié)構(gòu)，激光器和攝像機(jī)等載荷安裝在橫滾框架上。安裝在橫滾框架上的陀螺敏感載機(jī)擾動(dòng)，通過(guò)陀螺穩(wěn)定回路和跟蹤控制回路，使云臺(tái)在飛機(jī)搖擺、振動(dòng)條件下保持瞄準(zhǔn)線(xiàn)的穩(wěn)定，使其橫滾框架內(nèi)的圖像傳感器輸出穩(wěn)定的圖像并實(shí)時(shí)跟蹤鎖定目標(biāo)，同時(shí)激光器發(fā)射的激光束對(duì)目標(biāo)進(jìn)行切割。

三軸激光云臺(tái)主要分為結(jié)構(gòu)部分和控制部分，由機(jī)械結(jié)構(gòu)組件（結(jié)構(gòu)部分）、硬件單板及軟件（控制部分）和載荷單元組成，載荷單元是系統(tǒng)控制和穩(wěn)定的對(duì)象，系統(tǒng)組成框圖如圖5所示。三軸增穩(wěn)云臺(tái)結(jié)構(gòu)組成框圖如圖6所示。

3 地面監(jiān)控系統(tǒng)

地面監(jiān)測(cè)與控制單元為無(wú)人機(jī)飛行與管理系統(tǒng)，對(duì)無(wú)人機(jī)的穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴⒕_度、實(shí)時(shí)性等都有重要影響，對(duì)其飛行性能起決定性的作用地面操控人員通過(guò)地面監(jiān)測(cè)與控制單元對(duì)無(wú)人機(jī)飛行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，并進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整和干預(yù)。在執(zhí)行任務(wù)時(shí)，發(fā)現(xiàn)架空線(xiàn)路上有異物（如：風(fēng)箏線(xiàn)、朔料薄膜等），通過(guò)地面監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送指令，搭載激光清障系統(tǒng)的無(wú)人機(jī)對(duì)線(xiàn)上異物進(jìn)行清除。地面人員通過(guò)地面監(jiān)測(cè)及控制單元對(duì)架空線(xiàn)路線(xiàn)上異物的清除過(guò)程、清除結(jié)果等一目了然。基于無(wú)人機(jī)平臺(tái)的激光清障控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

工程測(cè)試主要分為功能測(cè)試和性能測(cè)試，三軸自穩(wěn)云臺(tái)的基本功能主要包括手控旋轉(zhuǎn)、增穩(wěn)固定指向、自動(dòng)跟蹤，測(cè)試主要在靜電實(shí)驗(yàn)室完成。增穩(wěn)云臺(tái)的性能測(cè)試主要包括空間穩(wěn)定精度測(cè)試。

將該三軸云臺(tái)安裝于三軸搖擺臺(tái)上，分別按照2 °、2 Hz和5 °、1 Hz正弦激勵(lì)用搖擺臺(tái)模擬載體擾動(dòng)，對(duì)設(shè)備進(jìn)行實(shí)際性能測(cè)試，驗(yàn)證上述控制算法的實(shí)際應(yīng)用效果。圖8為上位機(jī)顯示的搖擺臺(tái)在2 °、2 Hz時(shí)擾動(dòng)曲線(xiàn)和三軸增穩(wěn)云臺(tái)穩(wěn)定效果測(cè)試曲線(xiàn)；圖9為上位機(jī)顯示的搖擺臺(tái)在5 °、1 Hz時(shí)擾動(dòng)曲線(xiàn)和三軸云臺(tái)效果測(cè)試曲線(xiàn)。

由搖擺臺(tái)實(shí)際測(cè)試曲線(xiàn)可以看出，當(dāng)系統(tǒng)給定2 °、2 Hz正弦激勵(lì)時(shí)，方位軸穩(wěn)定精度為0.02 °、橫滾軸穩(wěn)定精度為0.04 °、俯仰軸穩(wěn)定精度為0.01 °；當(dāng)系統(tǒng)給定5 °、1 Hz正弦激勵(lì)時(shí)，方位軸穩(wěn)定精度為0.02 °、橫滾軸穩(wěn)定精度為0.02 °、俯仰軸穩(wěn)定精度為0.01 °。該穩(wěn)定精度與仿真結(jié)果基本一致，說(shuō)明該陀螺穩(wěn)定控制算法設(shè)計(jì)有效，超過(guò)了任務(wù)書(shū)中測(cè)角精度≤0.05°和穩(wěn)定精度≤2 mrad(RMS)的技術(shù)要求。

圖5 三軸激光云臺(tái)組成框圖

圖6 三軸增穩(wěn)云臺(tái)結(jié)構(gòu)組成框圖

圖7 基于無(wú)人機(jī)平臺(tái)的激光清障控制系統(tǒng)

圖8 系統(tǒng)給定2 °、2 Hz穩(wěn)定精度測(cè)試曲線(xiàn)圖

圖9 搖擺臺(tái)5 °、1 Hz穩(wěn)定精度測(cè)試曲線(xiàn)圖

5 結(jié)論

為了確保輸電線(xiàn)路的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，提出一種基于多旋翼無(wú)人機(jī)的機(jī)載激光清障一體化平臺(tái)，利用多旋翼無(wú)人機(jī)搭載配有定制云臺(tái)的激光清障系統(tǒng)執(zhí)行架空線(xiàn)路清除異物的任務(wù)，通過(guò)大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，在鎖定目標(biāo)后5 s左右的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了在不斷電的情況下將異物清除，保障了線(xiàn)路及人身的安全隱患。