自動控制無人駕駛飛艇保持安全作業(yè)距離的幾個重要技術(shù)環(huán)節(jié)

孫正來 江東勝 王彩虹 徐誠

【摘要】 無人駕駛飛艇在電力應(yīng)急中具有重要作用。為了解決單純依靠遠(yuǎn)程遙控或自控存在較大安全風(fēng)險的問題，國家電網(wǎng)公司發(fā)明了帶自動線控的無人飛艇應(yīng)急作業(yè)方法，本文則從技術(shù)實現(xiàn)上闡述自動控制無人飛艇保持安全作業(yè)距離的幾個重要技術(shù)環(huán)節(jié)、處理措施和改進(jìn)建議。

【關(guān)鍵詞】 無人飛艇 自動控制 懸鏈線

一、引言

電力設(shè)施分布范圍廣，架空線路長，又處于露天運行，易受到周圍環(huán)境與自然變化的影響。特別在氣候劇烈變化、自然災(zāi)害、超負(fù)荷運行和意外事故等情況時，容易發(fā)生電力事故，給國民經(jīng)濟(jì)與人民生活帶來很大的影響。為此，通過電力應(yīng)急快速到達(dá)、迅速定位并排除故障或隱患就顯得尤為重要。當(dāng)有重大災(zāi)情發(fā)生，地面應(yīng)急手段難以快速達(dá)到目標(biāo)時，利用無人機(jī)（包括無人飛機(jī)和無人飛艇）進(jìn)行低空應(yīng)急將大幅提高工作效率。但是，在遙控或自控飛行模式下，安全性無法保障，非常容易與帶電體發(fā)生碰撞，發(fā)生危險，反而造成更大的故障。與線路巡檢[3]的要求不同的是，電力應(yīng)急所表現(xiàn)的非計劃性、區(qū)域局部性和響應(yīng)的持續(xù)性，對飛行器的要求更側(cè)重于長時間浮空和懸行、更好的穩(wěn)定性和應(yīng)急救援方面，這些是無人飛機(jī)技術(shù)在原理上難以突破的瓶頸。

為此，國家電網(wǎng)公司1發(fā)明了針對無人飛艇的自動線控安全作業(yè)方法及其裝備[1]，并研究了在風(fēng)力作用下的擴(kuò)展懸鏈線模型[2]。本文則從技術(shù)實現(xiàn)上闡述自動控制無人飛艇保持安全作業(yè)距離的幾個重要技術(shù)環(huán)節(jié)、處理措施和改進(jìn)建議。

二、雨雪作用下的線控模型

牽引繩在自然下垂?fàn)顟B(tài)下表現(xiàn)了懸鏈線模型曲線，在風(fēng)力作用下的文獻(xiàn)[2]推導(dǎo)了擴(kuò)展懸鏈線模型。由于雨雪影響是不可必避免的，牽引繩的曲線模型應(yīng)包含雨雪的影響規(guī)律，以便得出符合不同天氣下的實際的模型。

雨雪作用分兩個方面：1、直接作用，在應(yīng)急現(xiàn)場局部范圍內(nèi)，可以假定雨雪對和牽引繩的作用是均勻的，因此與風(fēng)力作用類似，因此，可將雨雪作用并入風(fēng)力作用，代入懸鏈線模型和伯努利風(fēng)壓方程一并推導(dǎo)。2、間接作用，繩子被雨雪侵蝕，密度值提高，因此通過修改懸鏈線模型和伯努利風(fēng)壓方程中的密度常數(shù)解決。

三、自動線控決策機(jī)制

按照線控飛艇以保持安全距離的工作特點，在均勻放線、均勻收線和保持三種情況下，最符合上述模型描述的規(guī)律。一旦系統(tǒng)感知飛艇失控，則以最快的加速度開始收線直到完成。此時，飛艇做為端點之一會產(chǎn)生強(qiáng)大的加速變化的反作用力和劇烈的位移。收線作用力越大，模型中風(fēng)力和線密度的影響越小，線的狀態(tài)越趨直線。由于在失控收線狀態(tài)下，快速變化的計算結(jié)果，無論值為多少，均不會用于改變收線方式的依據(jù)。因此，模型只用于放線和保持兩種狀態(tài)的決策或驗證，不必用于失控保護(hù)收線過程的計算。同時，由于線控系統(tǒng)對飛艇是否失控的決策的準(zhǔn)確性是非常重要的，在實際算法中，不僅參照模型計算結(jié)果的變化，同時參照飛艇的三維坐標(biāo)值及其變化，以便對判斷是否失控做雙重的、更可靠、也更有利的決策。

四、自動線控機(jī)位置確定

如圖1所示，紅線為飛艇的飛行曲線，藍(lán)線為飛艇最終接近一定高度監(jiān)測點（h），并保持安全距離（K）的臨界線。當(dāng)飛艇位置未及臨界線之前，線控機(jī)是依據(jù)拉力檢測決定放線的，最小拉力值約為5KG（可調(diào)），最大拉力值為300KG（可調(diào)），因此，轉(zhuǎn)出足夠長的牽引線，使飛艇一開始獲得自由飛行的慣性。因此，自動線控設(shè)備的選點不宜離監(jiān)測點太近。

由于自動線控是強(qiáng)制安全可靠的技術(shù)措施，線材選擇的是3mm直徑的凱夫拉繩，并采用抗拉力好的編織結(jié)構(gòu)，具有連續(xù)承受300KG的拉力，與飛艇自控或遙控飛行相比，可在大風(fēng)天氣下作業(yè)，此時，自動線控設(shè)備的選點必須在上風(fēng)頭。

如圖2所示，為了保持飛艇與作業(yè)面保持安全距離，自動線控機(jī)應(yīng)與監(jiān)測點保持垂直，由于應(yīng)急現(xiàn)場不可能完全滿足自動線控設(shè)備的工作條件，此時，安全距離（K）是與最短垂直安全距離（K）的關(guān)系為：

K = X – R = X – （ L – K ） = X + K – L

其中：K根據(jù)電力急應(yīng)對象，由電力規(guī)程確定，X和L在作業(yè)前通過激光測距獲得。

將K的值輸入自動線控系統(tǒng)，系統(tǒng)按照該值自動處理飛艇作業(yè)時的安全控制依據(jù)。

如圖3所示，為復(fù)雜作業(yè)環(huán)境下K的計算。

由于監(jiān)測點位于三條電力線的前方，而自動線控機(jī)必須位于最好觀測方向，此時，須做多向測距，得出作業(yè)面由自動線控機(jī)位置與距離最近的水平方向的電力線為半徑畫出，從而計算最安全的K值。

五、自動線控飛艇的高度

如圖4所示，計算K還考慮飛行高度的影響。按照自動線控機(jī)設(shè)計的收線速度，當(dāng)飛艇高度與監(jiān)測點高度相當(dāng)時，自動線控機(jī)位置宜選擇線控角度不大于45度，對線控最為有利。風(fēng)速較低時，角度可適當(dāng)提高，風(fēng)速越大，角度越小越安全。作業(yè)面的位置通過目視最近的障礙物，對其激光測距，從而求出K。

五、改進(jìn)建議

根據(jù)自動線控飛艇作業(yè)試驗和演練，以下改進(jìn)可以進(jìn)一步提高作業(yè)效率。

？ 線控機(jī)出線導(dǎo)向的改進(jìn)

？ 線控機(jī)出線人工輔助

？ 線控機(jī)與運載車輛整合提高作業(yè)效率

？ 飛艇裝備與運載車輛的整合提高作業(yè)效率

？ 作業(yè)吊倉應(yīng)進(jìn)一步整合各模塊，使重量減輕，自穩(wěn)更好。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]王國富，劉軍等，觀測帶電檢測體的無人駕駛飛艇控制裝置及其控制方法，發(fā)明專利申請?zhí)柣驅(qū)＠?01510209640.8

[2]王國富，劉軍等，自動控制無人駕駛飛艇保持安全作業(yè)距離的數(shù)學(xué)模型研究，合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2016.2