基于5G輸電線路無人機多源定位的智慧換電平臺

張 帆，周燁任，鄒 娟，彭勁樟

（國網(wǎng)湖北省電力有限公司 黃石供電公司，湖北 黃岡 438000）

0 引 言

近年來，我國電網(wǎng)快速發(fā)展，輸電線路越來越長，電壓等級也越來越高，輸電線路經(jīng)過很多復(fù)雜地形地貌區(qū)域。傳統(tǒng)輸電線路巡檢方式以人工巡檢為主，效率較低，很難進行全方位的巡檢[1]。無人機作為國家電網(wǎng)巡線中的一種新型應(yīng)用，避免了地形對巡檢的限制，且費效比低，在輸電線路巡檢上的運用成為必然[2]。

現(xiàn)有旋翼無人機續(xù)航能力差，不能大范圍覆蓋電網(wǎng)的輸電和配電線路。大多數(shù)多旋翼無人機都采用鋰電池供電，鋰電池具有反復(fù)使用、低放電率及長壽命的性能優(yōu)勢[3]。不過目前理論上重量為300 g的鋰電池只能讓500 g的無人機飛行17 min。為彌補現(xiàn)有無人機續(xù)航能力不足的問題，本研究提供一種旋翼無人機在空中自主便捷更換電池的平臺，實現(xiàn)了無人機電量不足時自主尋找空中充電站進行便捷換電。

1 5G輸電線路無人機多源定位智慧換電平臺

本研究根據(jù)典型無人機組成及巡檢功能要求，組織典型結(jié)構(gòu)的布置方式，如通信模塊、原有定位模塊、加裝視覺定位模塊以及改裝電池模塊等，合理設(shè)計各部分于無人機本體的布置位置和布置高度等，在進行設(shè)計時與無人機本體各硬件的形態(tài)與使用空間等要求相匹配。本研究創(chuàng)新點及成果如下。一是搭建了一套基于5G的換電管理系統(tǒng)。二是研究并改進了一款具備長續(xù)航能力的旋翼無人機，且能夠符合空中智能換電池的要求。三是開發(fā)一套完整成熟的無人機電池模塊，實現(xiàn)電池的自動開鎖和關(guān)鎖功能，且電池外殼達(dá)到IP57級別防水等級。四是研究一套可折疊太陽能充電板式停機坪。五是通過視覺定位系統(tǒng)，保證無人機精準(zhǔn)停在停機坪。六是開發(fā)一套機器手臂，可旋轉(zhuǎn)定位、收起展開及拆裝電池。

2 智慧換電平臺設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 無人機電池結(jié)構(gòu)改造

當(dāng)前旋翼無人機一般有多個電池模塊，為了方便機器手臂自動更換每組電池，需改造電池結(jié)構(gòu)部分。該部分為電子自動控制開關(guān)，內(nèi)部裝有微型直線電機伸縮作為卡扣來防止脫落，打開狀態(tài)下電池可直接掉下，關(guān)閉狀態(tài)下電池會被鎖死卡在機身上。電池外殼本身經(jīng)過改裝后可達(dá)到IP57級別防水等級。

2.2 無人機多源定位模塊

無人機在飛行到充電樁附近時，由于GPS的精度達(dá)不到厘米級別，且GPS無法滿足無人機的上下高度控制需要，因此研究提出一種GPS融合攝像頭雙目視覺及超聲波雷達(dá)定位的多源定位方案[4]。無人機機載低功耗小型雙目視覺定位主要功能部件為一對雙眼（模擬人眼）+超聲波雷達(dá)[5]。該無人機視覺的裝配示意如圖1所示，尺寸長20 cm，高6 cm。

圖1 系統(tǒng)裝配示意圖

在無人機執(zhí)行任務(wù)時，該視覺系統(tǒng)將固定在無人機上用于定位目標(biāo)。兩攝像頭將目標(biāo)物圖像傳遞到后臺平板電腦，后臺計算機上的立體視覺子系統(tǒng)通過這兩幅二維圖像，計算目標(biāo)物在攝像頭坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)，將其轉(zhuǎn)換為在無人機坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)傳給無人機本體上的嵌入式計算機，并由該嵌入式計算機完成檢測裝置的運動控制，控制檢測裝置運動到目標(biāo)物位置，從而實現(xiàn)自動目標(biāo)定位的功能[6]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)裝配示意圖

2.3 無人機精準(zhǔn)停靠算法模塊

無人機長距離飛行過程中，依賴GPS定位實現(xiàn)路線規(guī)劃。在飛行到充電樁附近時切換成視覺定位模塊進行定位，整個過程采用RTK差分GPS+視覺+短距離傳感器實現(xiàn)精準(zhǔn)定位，不受電磁干擾[7]。

多旋翼無人機本身具有6個自由度，且各自由度之間具有耦合，因此該飛行系統(tǒng)實際上是一個多輸入多輸出的非線性系統(tǒng)[8]。

無人機的控制結(jié)構(gòu)整體如圖3所示，控制主要分為內(nèi)環(huán)姿態(tài)控制和外環(huán)位置控制。整個控制流程為外層位置控制器根據(jù)目標(biāo)位置信息和反饋得到的無人機當(dāng)前位置誤差，計算位置控制量。姿態(tài)控制器根據(jù)目標(biāo)角度與當(dāng)前角度之間的誤差計算出角度控制量，驅(qū)使無人機完成相應(yīng)位姿運動[9]。

圖3 控制結(jié)構(gòu)圖

2.4 可折疊太陽能充電板式停機坪

本項目中，太陽能充電板與停機坪融合。為了減少高空風(fēng)吹的面積，研究實現(xiàn)了其可折疊功能，在非充電時間內(nèi)折疊起來，避免風(fēng)吹雨打?qū)е陆Y(jié)構(gòu)、方向變化。充電太陽能板提供12～36 V電壓，且尺寸最大可調(diào)整達(dá)到1.5 m。

2.5 無人機電池充電樁

機器手臂將舊電池卸下放置到固定位置卡槽里，太陽能充電板可給電池充電，充滿電后自動斷開電流。中控后臺掌握每塊電池電量信息，每個充電樁負(fù)責(zé)收集電池電量，統(tǒng)一通過5G通信發(fā)送到中控后臺。若電池電量降低到預(yù)定值，那么中控后臺可發(fā)出命令，再次補充充電。

2.6 自動更換電池的機器手臂

無人機精準(zhǔn)停靠在充電樁托盤上后，通過機器手臂和視覺定位來執(zhí)行更換電池操作。機器手臂自動調(diào)整角度將舊電池拆下來更換為新電池。更換結(jié)束后，無人機可以飛走。機器手臂操作過程所需要的電源來源于充電樁。

機器手臂前端加裝一個微型攝像頭用于定位，加裝一個吸盤用于抓取電池模塊，其內(nèi)部控制器如圖4所示。

圖4 機器手臂內(nèi)部控制器

2.7 換電系統(tǒng)防雷裝置

為了保證空中換電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，需要加裝防雷裝置，其由接閃器、引下線以及接地裝置3個部分組成。其中，接閃器為直徑d=10～12 mm，長L=l～2 m的鋼棒，或為截面S不小于35 mm2的鋼絞線（避雷導(dǎo)線），架設(shè)在一定高度起引雷作用。接地引下線將雷電流安全導(dǎo)入埋于地中的接地體，因而應(yīng)保證其在強大的雷電流通過時不熔化，一般用直徑6 mm的圓鋼，或截面不小于25 mm2的鍍鋅鋼絞線。當(dāng)用鋼筋混凝土桿、鋼結(jié)構(gòu)用支持物時，可用鋼筋作接地引下線。

2.8 遠(yuǎn)程視頻傳輸和設(shè)備管理

研究基于5G輸電線路視頻傳輸和無線控制系統(tǒng)，采用H.264視頻壓縮技術(shù)，在5G無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)下于中控室后臺看到清晰、流暢的線路視頻圖像[10]。本研究還配置全方位無盲點工業(yè)攝像機，能夠?qū)^緣子串、導(dǎo)線、地線、桿塔、線路走廊以及桿塔周圍環(huán)境等進行全方位無盲點的監(jiān)視，并無線控制無人機。中控后臺實現(xiàn)統(tǒng)一管理所有的設(shè)備，包含無人機、充電樁、機器手臂以及舊電池狀態(tài)。所有設(shè)備都通過充電樁入網(wǎng)，中控后臺可以實時查看并控制系統(tǒng)所有物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。

3 結(jié) 論

本研究在基于5G輸電線路無人機多源定位智慧換電平臺整體結(jié)構(gòu)設(shè)計上，以小型化為目標(biāo)提高產(chǎn)品部件的集成度，降低產(chǎn)品重量和體積，滿足充電樁靈活性要求。同時，應(yīng)用新型的驅(qū)動轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)，提高無人機運動能力和運行速度，滿足高效率巡檢要求。目前，基于5G輸電線路無人機多源定位智慧換電平臺的研究仍處于初步實踐階段，還需進一步提高換電平臺的控制穩(wěn)定性，做好在電力線路應(yīng)用中的標(biāo)準(zhǔn)化工作流程及安全控制措施，實現(xiàn)無人機長途巡線和設(shè)備定點檢查等應(yīng)用任務(wù)。