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，我國電網快速發展，輸電線路越來越長，電壓等級也越來越高，輸電線路經過很多復雜地形地貌區域。傳統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巡線中的一種新型應用，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]。

現有旋翼無人機續航能力差，不能大范圍覆蓋電網的輸電和配電線路。大多數多旋翼無人機都采用鋰電池供電，鋰電池具有反復使用、低放電率及長壽命的性能優勢[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。為彌補現有無人機續航能力不足的問題，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

本研究根據典型無人機組成及巡檢功能要求，組織典型結構的布置方式，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，在進行設計時與無人機本體各硬件的形態與使用空間等要求相匹配。本研究創新點及成果如下。一是搭建了一套基于5G的換電管理系統。二是研究并改進了一款具備長續航能力的旋翼無人機，且能夠符合空中智能換電池的要求。三是開發一套完整成熟的無人機電池模塊，實現電池的自動開鎖和關鎖功能，且電池外殼達到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，保證無人機精準停在停機坪。六是開發一套機器手臂，可旋轉定位、收起展開及拆裝電池。

2 智慧換電平臺設計與實現

2.1 無人機電池結構改造

當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，需改造電池結構部分。該部分為電子自動控制開關，內部裝有微型直線電機伸縮作為卡扣來防止脫落，打開狀態下電池可直接掉下，關閉狀態下電池會被鎖死卡在機身上。電池外殼本身經過改裝后可達到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[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 系統裝配示意圖

在無人機執行任務時，該視覺系統將固定在無人機上用于定位目標。兩攝像頭將目標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通過這兩幅二維圖像，計算目標物在攝像頭坐標系中的三維坐標，將其轉換為在無人機坐標系中的三維坐標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物位置，從而實現自動目標定位的功能[6]。系統結構如圖2所示。

圖2 系統裝配示意圖

2.3 無人機精準停靠算法模塊

無人機長距離飛行過程中，依賴GPS定位實現路線規劃。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+短距離傳感器實現精準定位，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，因此該飛行系統實際上是一個多輸入多輸出的非線性系統[8]。

無人機的控制結構整體如圖3所示，控制主要分為內環姿態控制和外環位置控制。整個控制流程為外層位置控制器根據目標位置信息和反饋得到的無人機當前位置誤差，計算位置控制量。姿態控制器根據目標角度與當前角度之間的誤差計算出角度控制量，驅使無人機完成相應位姿運動[9]。

圖3 控制結構圖

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。為了減少高空風吹的面積，研究實現了其可折疊功能，在非充電時間內折疊起來，避免風吹雨打導致結構、方向變化。充電太陽能板提供12～36 V電壓，且尺寸最大可調整達到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，每個充電樁負責收集電池電量，統一通過5G通信發送到中控后臺。若電池電量降低到預定值，那么中控后臺可發出命令，再次補充充電。

2.6 自動更換電池的機器手臂

無人機精準停靠在充電樁托盤上后，通過機器手臂和視覺定位來執行更換電池操作。機器手臂自動調整角度將舊電池拆下來更換為新電池。更換結束后，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，其內部控制器如圖4所示。

圖4 機器手臂內部控制器

2.7 換電系統防雷裝置

為了保證空中換電系統安全穩定運行，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（避雷導線），架設在一定高度起引雷作用。接地引下線將雷電流安全導入埋于地中的接地體，因而應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。當用鋼筋混凝土桿、鋼結構用支持物時，可用鋼筋作接地引下線。

2.8 遠程視頻傳輸和設備管理

研究基于5G輸電線路視頻傳輸和無線控制系統，采用H.264視頻壓縮技術，在5G無線網絡技術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攝像機，能夠對絕緣子串、導線、地線、桿塔、線路走廊以及桿塔周圍環境等進行全方位無盲點的監視，并無線控制無人機。中控后臺實現統一管理所有的設備，包含無人機、充電樁、機器手臂以及舊電池狀態。所有設備都通過充電樁入網，中控后臺可以實時查看并控制系統所有物聯網設備。

3 結 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構設計上，以小型化為目標提高產品部件的集成度，降低產品重量和體積，滿足充電樁靈活性要求。同時，應用新型的驅動轉向結構，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定性，做好在電力線路應用中的標準化工作流程及安全控制措施，實現無人機長途巡線和設備定點檢查等應用任務。