无人机电力架线施工中阻尼控制技术研究

时间：2024-05-17

马凤臣丁宝民彭广安晨光

摘要：无人机架线施工中存在无人机的飞行速度与牵引绳放线轮的放线速度间的不匹配问题，这种问题提高了施工中的风险。在工程实践中，增加阻尼控制器来控制放线的速度，通过飞控通道对放线速度实施远程的自适应PID调节控制，使两个速度达到基本匹配，解决了施工中出现的问题，提高了放线效率。设计了一种自动断线器，既支持通过飞控通道传递命令来实现自动断线，也支持手动断线。本系统可实施的放线长度可达2.5km，满足实际工程的需要。无人机架线施工中，在起飞前可使用远程地面站规划航线，无人机按照航线自动放线，放线中由飞机实现实时的自动控制，大大地提升了工程效率。

关键词：阻尼控制；输电线；自动断线；航线规划

中图分类号：TM75 文献标志码：A

0 概述

随着科学技术的进步，电力施工中用机械代替人工，且由机械化向自动化智能化转变是发展的趋势。在电力架线施工中使用无人机展放牵引绳，方便快捷。随着无人机施工水平不断地提高，出现了各种新的技术方案，消除了安全风险，施工效率和经济效益越来越高；特别是线路走廊长、地形复杂、地势险要的地区，例如在农田，果园等经济作物生长区，通航的河道，复杂的交通，跨越山区与峡谷使用无人机展放牵引繩线担当“电力放线工”，替代人工进行展放牵引绳施工作业，效果更加显著。

无人机展放牵引绳方案是由无人机带动一根特制的牵引绳投送到放线区段的各级杆塔横担上，再利用牵张机缓慢牵引二级引绳，在整区段牵引绳全部放通后，再利用二级牵引绳牵引三级引绳带动导线，完成导线的展放施工。

我们使用的无人机架线所搭载的引导绳长度在1.8km范围内，放线长度有限，放线轮放线的速度随着飞行速度的加快放线速度也会加快，由于惯性原因当飞机速度减慢时放线轮速度仍在加快，导致放线过长，如果在山林中架线，放线过长很可能会挂在树上，危险系数过高，当飞机放线到一定长度时，想要断线还需要人工断线，飞行过程全程只能用遥控器控制，不能自动飞行，设计不人性化。为了提高架线效率，消除架线过程中的不确定因素造成的安全隐患，使架线更加的自动化，智能化，我们在架线机的架线挂载上增加阻尼控制功能和自动断线功能，提升了飞机的挂载重量，放线长度更大，给飞机增加航线规划功能，放线效率提升了很多。

1 施工工具

1.1 无人机

采用深圳市科比特航空科技有限公司的X6-P六旋翼无人机，表1是该机型技术参数。

其机型采用的是六旋翼X6-P，机身材质为碳纤维复合材料，该材质含有90%的碳成分，并且经过长期高温热处理，具有良好的耐摩擦、耐高温特性。当上升海拔4000m时，能够凸显低热膨胀性能，一般无人机在升至此高度时，受到外层大气压力的挤压，极易出现变形。但是这种碳纤维材质组成的无人机，在高海拔高度上会产生及其微小的变形。另外在机身重量和最大起飞重量方面，也有卓越的优势，主要体现在稳定性，一般无人机的机身重量为3kg，最大续航时间20min，而这种无人机在重量和续航时间上，明显高于其他无人机。最后便是在工作温度上的界定范围，一般无人机使用环境为户外正常温度，当达到较高温度时，会对机身和续航能力产生较大的负面影响。但是这种无人机不会因为外界温度的环境受到影响，所受温度为-10℃～60℃，能够在极大程度上承受外界温度的波动变化。

1.2 阻尼器MTN-04

线轮安放在飞机端，随着飞机的飞行速度加快，线轮的放线速度也加快。操作中，有时飞机速度需要放缓，但由于惯性原因，而放线轮的速度还在增加，造成放线速度与飞机的飞行速度严重不匹配，造成多余长度的线放出来，牵引线有可能挂载树上，落在水中或其他影响正常放线的操作。为了解决这种非正常情况的发生，我们在放线轮出口端附近安装了磁阻尼器MTN-04，通过飞控通道给出的命令，应用PID程序控制，让MTN-04提供适当的运动阻力，使放线速度与飞机的飞行速度相匹配，防止过多的线放出来，影响飞机飞行的安全。

MTN-04磁阻尼器是以磁场为媒介传递恒定扭力的装置。转动部件均以质轻坚固的材料精密加工而成，转动惯量极小。张力输出胶轮以弹性软胶制成，不伤线。金属部件均经防锈处理，耐蚀性能优良。阻尼器输出和本体之间通过磁性副连接，在输出轴上提供稳定的制动扭矩。可以预设并精确控制张力，张力稳定可靠，安装结构简单，张力大小调节方便。MTN-04结构设计紧凑，体积小巧，可在各种位置稳定工作。阻尼器可在放线时产生可调性张力，使放线时带适宜的张力，从而使放线轮的放线速度与无人机飞行速度相适应，保证了工程施工平稳进行。

MTN-04的特点：

（1）具有稳定的扭矩，不受到转差的影响，静止时和转动时扭矩不变。因此，从最低转速到最高转速，扭矩始终恒定，不受时间、温度、速度或其他条件的影响。

（2）通过有刻度的转盘进行张力的设定，重复性好，可以在最大与最小之间连续调整，得到最优化的张力来满足需要。

（3）安装简单，无须监护外加控制器。

（4）从静态到动态张力无突变，运转时能提供恒定张力，停车时可保持张力。

（5）可作为离合器使用，本体和输出轴皆可作为输入和输出端。当负载过大时，产生滑差打滑，保护整机。

（6）在调节盘上加一个微型步进电机可实现远程调节与控制。

施工中将阻尼器连接飞控通道7，可远程控制阻尼器阻尼力的大小。

图1是放线轮与阻尼器的结构图。

1.3 断线器

普通架线机在架线时放到一定长度后需要人工断线，操作麻烦复杂，如果引线挂在树上，又不能及时断线，那么很有可能造成飞机失事，造成财产损失，人员受伤，还要赔付青苗费用，为解决这系列安全问题我们研发了一款远程断线器。

断线器由USB充电打火机的电热丝发热片作为点火发热源，MOS管形成控制开关组成，开关的通断控制连接至飞控，通过通道8远程控制，也可手动控制。

断线器特点：

（1）远程点火，触发点火后升温很快，温度够高，在很短的时间内即可熔断引导线。

（2）稳定性高，可反复使用，可以在远程地面站上面控制断线，也可以使用遥控器断线，支持自动断线和紧急情况下手动断线器断线。

使用组成断线系统，飞控通过通道8控制断线器的开启与关闭，当接收到飞控控制信号时，发热片发热，将线熔断，达到断线效果。

1.4 专业地面站

采用工业级三防地面端控制站，采用专业的地面控制软件，作业航线规划，航点自动断线，超长距离控制。

2 阻尼器的智能控制

当无人机在空中的飞行速度变缓时，放线轮由于惯性的作用还在加快，为了不出现牵引线过长的情况，要对放线端进行阻尼控制，通过飞控通道7输出信号来调节阻尼器的张力大小来控制放线的长度。利用PWM调制技术，对阻尼器实行PID控制。

随着控制理论和技术的日趋完善和成熟，各种先进的控制方法不断出现，但目前PID控制仍然是最常用的控制方案。PID控制具有直观、实现简单和鲁棒性好等优点。但在PID控制中，一个关键的问题就是PID参数整定，传统的方法是在获取控制对象数学模型的基础上，根据某一整定原则来确定PID参数。然而现在系统面临难于建立精确的数学模型的问题，而且模型参数随着飞行工作状况的改变而改变，参数整定难度极大。

近年来已提出了多种自校正PID调节方法，但由于自适应控制是在被控对象为线性对象的前提下进行研究的，我们面对的系统是非线性、时变系统，校正后仍存在不尽人意之处。为此将神经网络引入到PID控制参数整定，无疑是一个新的着眼点。神经网络具有自适应、自学习、并行处理及较强的容错能力，将神经网络应用于PID控制过程，使控制更加智能，在线调整PID参数，使被控系统具有较强的抗干扰能力和鲁棒性。

本系统采用增量式数字PID控制，以飞行器的实时速度的变化量作为输入，而控制阻尼器的转动变化量作为输出，对阻尼器进行张力的适应性调节。系统中采用的算法是单神经元自适应算法，在算法中，有3个神经网络加权系数，分别对应PID控制器参数，通过对加权系数即对PID控制器控制参数K，、K，、K。的調整来实现自适应、自学习功能。加权系数的调整可以采用不同的学习规则，从而构成不同的控制算法。这里在单神经元控制器中引入输出误差二次型性能指标，通过修改网络权值项，使性能指标趋于最小，从而实现自适应PID的最优控制。

3 施工过程与步骤

将绕好线的线轮装进飞机的挂载舱，固定牢固，选择周围无遮挡物的空地作为起飞场所，打开专业地面站并且连接上飞机端。

在专业地面站上规划作业航线，设置好要在那个地方断线，将对应控制通道写给对应航点，并将航线任务发生给无人机，周围无风或者微风情况下解锁起飞。

飞机按照航线飞行，可以远程通过遥控器控制阻尼的大小和启动断线器。

飞机放线完毕并且断线后，选择安全的高度返航。

起飞前人员应与飞机保证10m～15m的安全距离，起飞前要检查飞机电机、桨叶是否运转正常，飞机是否有异常声音，电池电量是否足够。

保证放线轮的引导线没有打结，线能顺利放出来，如在飞行过程中发现引导线放不出来，需要马上断线，保证飞机的安全。

工作时需要备好工具，准备一些零部件备用保证架线机持续工作。

结语

在架线机上增加阻尼控制器、断线器、远程地面站控制系统作业效率明显提升，使用更加的人性化，优点明显，放线时可以规划航线自动放线，可以远程自动断线，也可远程手动断线，抗风能力最高可达10m/s，远程操作能力更强，更具备实用性。

参考文献

[1]裴明慧，孙永海.遥控无人机展放初级导引绳在架线施工中的应用[J].安徽电力，2014（s1）：7-9.