一種適用于輸電線路跨線牽引無人機的飛行方案設計

王燾榮　諶海云

【摘 要】輸電線路帶電作業專用的微型無人機在飛行中駕駛員難以對無人機進行及時有效的避障操控，對此本文設計了針對性極強的自主飛行方案，此方案算法簡潔精煉，充分考慮了工程應用中的價值需求，具有很高的現實應用價值。

【關鍵詞】無人機；自主飛行；工程應用

0 引言

在高壓架空輸電線路的檢修作業中，傳統方法是檢修工人從桿塔底部攀爬到塔頂，再逐步移動到線路檢修所在位置。這種方法繁瑣低效，于是誕生了專用于電力檢修的無人機跨線飛行策略。

此策略需要用無人機牽引一根無人機可負載的細導繩繞過輸電線路，通過這根細導繩逐漸將更粗的導繩牽引繞過輸電線路，重復此動作直到最后一根導繩繞過輸電線路。最后這根導繩將把電力檢修人員和檢修設備拉到輸電線路上，使其可進行電力檢修作業。此策略中，目前對于無人機的飛行采用的是遙控手動控制，但無人機在抵近輸電線路的飛行以及在輸電線路之間的飛行中，存在肉眼難以遠距離有效觀測、高空氣流環境復雜、無人機牽引導繩時慣性質量過大且導繩過長等因素，無人機駕駛員難以及時操控無人機使其避開輸電線路。

據此，本文設計了一種專用于跨線導繩牽引無人機的自主飛行方案。

1 跨輸電線路的飛行方案

圖1為無人機靠近輸電線路時情況。

以三線輸電線路為例，三條輸電線路分別為J1，J2，J3。J1和J2確定一個下平面H，無人機到J1的連線與H面的夾角為？茲1，無人機到J2的連線與H面的夾角為？茲2，無人機到J3的連線與水平面的夾角為？茲3。J1到J2的距離l為已知，？茲1、？茲2和？茲3可由機載系統測得。根據已知信息作圖如下：

圖2 無人機靠近輸電線路時場景分析

圖2中，d1為無人機所在點A到J1的距離，d2為無人機到J2的距離。圖中大三角形為直角三角形，h為無人機到H面的垂直距離，l′為無人機到J1的水平距離，過J1點作AJ2的垂線h′。由此有：

自主飛行方案：①水平飛行使無人機在J1右下側A點處；②無人機從A點豎直上升到H平面上方使其到H平面的豎直距離為h的B點處；③無人機從B點水平飛行至C點，懸停并釋放導繩；④從C點水平飛行至右側D點處，然后接上遙控信號，返航。飛行軌跡如圖所示。

圖3 三線輸電線無人機繞J1跨線飛行方案

A點在J1右側下方，B點在J1右側上方，AB連線到J1的水平距離L′設定為無人機緊急壁障反應距離的1～1.2倍之間。B、C所在水平面設定為從H平面到J3之間，無人機頂部到H平面垂直距離設定為機身高度的1.2～1.4倍之間。C點到J1的水平距離為l的1/3～2/3倍之間。D點到J1的水平距離需根據現場風速、天氣等因素設定，D點必須在B點右側，需保證無人機返航過程中不接觸到導繩。

2 飛行方案擴展

上述方案在應用到其他類型輸電線路的跨線飛行與釋放導繩的作業中時，只需要改變A、B、C、D的位置即可。

2.1 三線輸電線路跨J3飛行

在自主飛行方案中，改變B點的水平高度為J3所在平面上方，無人機頂部到J3所在平面垂直距離設定為機身高度的1.2～1.4倍之間。C點所在水平位置設置為J3左側l23的1/3～2/3倍處。飛行軌跡如圖所示。對于繞J2飛行，只需把J2處理成J1即可。

2.2 多線路輸電線路跨線飛行方案

對多線路的輸電線路，均可按照三線輸電線路中J1和J3線的飛行方案飛行，以下是部分飛行方案路徑圖。

其他線路環境如五線繞J4以及六線或更復雜的線路情況下，均可按照三線、四線、五線等線路的飛行方案進行軌跡規劃，此處不再贅述。

3 總結

本方案為針對無人機跨線飛行的嵌入式輔控飛行方案，與無人機飛控系統結合使用。本方案算法簡潔精煉，運算量小，具有十分高的可移植性，適合于工程實際應用，在無人機的跨線飛行中可取得良好成績。

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