基于多旋翼無人機(jī)的系留照明系統(tǒng)研究

引言

輸電線路很多位于巍峨高山之上,而沿海地區(qū)的線路多受臺風(fēng)襲擊,每年都會造成電網(wǎng)大面積受損,嚴(yán)重如2017年的臺風(fēng)"天鴿""帕卡",被正面襲擊的珠三角地區(qū)多有倒塔斷線的情況發(fā)生。為盡快復(fù)電,夜晚在深山中施工在所難免,而照明設(shè)備是施工過程中必不可少的設(shè)備,但是現(xiàn)有的常規(guī)應(yīng)急照明燈使用起來卻存在諸多不便。

常規(guī)傳統(tǒng)的應(yīng)急照明燈體型龐大、沉重,不利于在險峻的山路上運(yùn)輸:而且常規(guī)傳統(tǒng)的應(yīng)急照明燈是一道直光從下往上直射到某個固定的角度,由于只能在某個角度照射,對施工人員的眼睛造成了極大的刺激干擾,而背光的施工人員則光照不足,稍有不慎容易引發(fā)安全事故。除此以外,市場上現(xiàn)有的照明無人機(jī)續(xù)航時間短,且光照強(qiáng)度衰弱快,對于夜間搶修施工的實(shí)際效果并不大。電力行業(yè)目前迫切需要一種新型照明系統(tǒng)來彌補(bǔ)這一技術(shù)的缺陷。

#基于多旋翼無人機(jī)的系留照明系統(tǒng)總體設(shè)計

基于多旋翼無人機(jī)的系留照明系統(tǒng)包括空中照明系統(tǒng)和地面供電系統(tǒng)。空中照明系統(tǒng)由模塊快插掛架、照射跟蹤自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)、大功率LED探照燈組成。高清攝像頭安裝在模塊快插掛件上,LED探照燈組安裝在照射跟蹤自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)上,裝置搭載在多旋翼無人機(jī)上[1]:地面供電系統(tǒng)為地面端電源(輸入AC220V,輸出DC400V）,地面端電源通過一條細(xì)長的高性能系留復(fù)合光纖電纜(100m）傳輸?shù)教炜斩穗娫?輸入DC400V,輸出DC48V）,持續(xù)為多旋翼無人機(jī)及系留照明系統(tǒng)供電。

基于多旋翼無人機(jī)的系留照明系統(tǒng)模型整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1基于多旋翼無人機(jī)的系留照明系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

1基于多旋翼無人機(jī)的系留照明系統(tǒng)的空中照明系統(tǒng)

基于多旋翼無人機(jī)的系留照明系統(tǒng)空中照明系統(tǒng)由模塊快插掛架、照射跟蹤自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)和大功率LED探照燈組成。

模塊快插掛架采用計算機(jī)三維建模和熔融堆疊立體打印技術(shù)制作,用于掛載高清攝像頭。熔融堆疊立體打印技術(shù)是一種增材制造技術(shù),是軟件數(shù)學(xué)分層的定位模型構(gòu)建,通過加熱層擠出熱塑性纖維,適用于幾乎任何形狀和尺寸的復(fù)雜幾何建筑耐用部件。通過此技術(shù)打印出來的構(gòu)件具有卓越的熱穩(wěn)定性和耐化學(xué)性,并有良好的強(qiáng)度重量比,保證了空中照明系統(tǒng)的模塊快插掛架的剛度。

照射跟蹤自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)依靠智能跟隨、距離識別技術(shù),可跟隨目標(biāo)自動調(diào)節(jié)光照亮度和角度,在應(yīng)急搶修復(fù)電、搶險救災(zāi)等應(yīng)急情況下,通過高清拍攝頭配合,可及時將現(xiàn)場影像傳回地面指揮中心,解決特殊環(huán)境下的光照(角度、亮度等）問題。

大功率LED探照燈包括透明片、前罩、掛夾、LED燈以及后殼,LED燈安裝在后殼上,前罩蓋在后殼上,前罩上設(shè)置供LED燈照射的通孔,透明片安裝在通孔上,掛夾與前罩連接,在使用時,可以利用掛夾搭載在多旋翼無人機(jī)上,方便LED燈照射,具體如圖2所示。其中,透明片上設(shè)置有凹凸不平的紋路,前罩以及后殼上均設(shè)置有散熱槽,可以為LED燈散熱,而凹凸不平的紋路可以使光照更加均勻分散,更好地進(jìn)行照明。

圖2大功率3LE探照燈

大功率LED探照燈與系留復(fù)合光纖電纜之間還設(shè)置有機(jī)載降壓器,如圖3所示,機(jī)載降壓器分別與照明燈具以及系留電纜連接,機(jī)載降壓器上還設(shè)置有供電接口,機(jī)載降壓器不僅可以為大功率LED探照燈提供發(fā)光的電能,還可以通過供電接口為多旋翼無人機(jī)進(jìn)行供電,提高多旋翼無人機(jī)的續(xù)航時間。同時,機(jī)載降壓器上設(shè)置有散熱孔,增加其散熱效果。

2基于多旋翼無人機(jī)的系留照明系統(tǒng)的地面供電系統(tǒng)

基于多旋翼無人機(jī)的系留照明系統(tǒng)的地面供電系統(tǒng)由發(fā)電設(shè)備、變壓電源以及系留復(fù)合光纖電纜組成。變壓電源與發(fā)電設(shè)備連接,系留復(fù)合光纖電纜與變壓電源連接,大功率LED探照燈與系留復(fù)合光纖電纜連接。發(fā)電設(shè)備為家用220V電源或柴油發(fā)電機(jī),能夠很好地提供電能,也可以根據(jù)照明地點(diǎn)的需求適當(dāng)選擇。

變壓電源將發(fā)電設(shè)備的交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)?00V直流電,通過系留復(fù)合光纖電纜將電能輸送至大功率LED探照燈上,便能實(shí)現(xiàn)照射效果,體積不大,運(yùn)輸方便直接,變壓電源為大功率LED探照燈和多旋翼無人機(jī)提供了源源不斷的電力,保障了照明的續(xù)航時間,能夠更好地滿足長時間施工的需求。

地面變壓電源采用PWM技術(shù),交流輸入首先經(jīng)過輸入濾波電路（輸入濾波器）,再通過整流電路變換為直流,經(jīng)過輸入緩沖電路（抑制電壓、電流浪涌電路）進(jìn)入功率逆變電路,在此環(huán)節(jié)中加有輸入過壓、欠壓保護(hù)等電路,當(dāng)交流輸入超出或低于額定輸入范圍時或輸入缺相時,則會關(guān)斷功率逆變電路進(jìn)行保護(hù)。

主控制電路通過采集輸入電壓、電流信號來調(diào)節(jié)逆變電路開關(guān)管工作狀態(tài),輸出穩(wěn)定的直流電壓:接收保護(hù)電路、電壓調(diào)節(jié)信號和恒流設(shè)定信號,實(shí)現(xiàn)對電源的保護(hù)及設(shè)定,輸出采集的輸出電壓、電流值和電源工作狀態(tài)信號提供給面板表頭和狀態(tài)指示燈進(jìn)行顯示。

系留復(fù)合光纖電纜的導(dǎo)線材質(zhì)為鋁合金材料,重量輕,而且供電穩(wěn)定性高。除了傳輸動力電源之外,還設(shè)計有光纖,以傳輸平臺載電子設(shè)備的光電信號。平臺載電子設(shè)備為減少升空設(shè)備的重量,將天線、發(fā)射機(jī)之外的設(shè)備放在地面,而通過系留復(fù)合光纖電纜保障平臺與地面設(shè)備之間電子信號的連接,這樣可節(jié)省出平臺升力,增加升空高度,提高升空增益。

4基于多旋翼無人機(jī)的系留照明系統(tǒng)使用步驟

4.1操作步驟

（1）地面電源與天空端斷開連接,地面電源輸入端連接220V交流電源,確保連接牢固后撥動空氣開關(guān),地面電源上電:

（2）按下地面電源上的開關(guān)按鈕,測試電源空載輸出,通過擰動電壓旋鈕,調(diào)節(jié)電壓至400V,擰動電流旋鈕,將其擰至最大值（空載情況下擰動電流旋鈕,示數(shù)不會變化）:

（3）按下地面電源上的開關(guān),使其關(guān)閉輸出,此時接上地面端與天空端的供電對插接口,確保插接牢固:

（4）無人機(jī)接上備用電池,觀察無人機(jī)自檢是否順利完成:

（5）整理線材,檢查有無打結(jié)和纏繞,避免在飛行過程中拉扯異物造成危險:

（6）按下地面電源上的開關(guān),使其開啟輸出,可以見到"穩(wěn)壓"指示燈亮起,則系統(tǒng)正常啟動:

（7）查看無人機(jī)狀態(tài),符合起飛條件后起飛。

4.2安全注意事項(xiàng)

（1）使用前需檢查所有線材是否破損,所有電氣連接處是否連接牢固:

（2）地面端電源接電前確保空氣開關(guān)已關(guān)閉,并且確認(rèn)輸入電源電壓為交流220V:

（3）地面端電源空載啟動后,若"故障"指示燈亮起,請勿繼續(xù)使用:

（4）無人機(jī)端需連接備用電池,以免地面端電源故障或斷線時導(dǎo)致無人機(jī)斷電墜落,飛行時需關(guān)注地面電源示數(shù),應(yīng)盡量避免長時間滿負(fù)荷運(yùn)行（"穩(wěn)流"指示燈亮起）。

5結(jié)語

本文設(shè)計研究的基于多旋翼無人機(jī)的系留照明系統(tǒng),顛覆了傳統(tǒng)的應(yīng)急照明方式,不但使得應(yīng)急照明更加快捷,照明相關(guān)設(shè)備的運(yùn)輸更加方便直接,而且還能從高空中不同角度照射,克服地面盲照的缺陷:地面的變壓電源能及時將發(fā)電設(shè)備的電壓轉(zhuǎn)變至400V高壓,采用高壓供電方式可減小輸送電流,從而減少電源損耗,同時可減小傳輸導(dǎo)線的截面積,減輕系留電纜的重量。此外,系留電纜采用質(zhì)量小的鋁合金材料,大大減少了無人機(jī)載荷,起到連接地面和空中照明燈具的作用,能夠延長照明燈具的續(xù)航時間,解決常規(guī)應(yīng)急照明燈體型龐大沉重、照射角度固定等技術(shù)問題,極大地降低了夜間搶修作業(yè)的安全風(fēng)險,工作效率顯著提高,保障了工程進(jìn)度,從而達(dá)到快速復(fù)電的目的。