基于機(jī)械臂的35 kV交流輸電線路直線塔無(wú)人機(jī)檢修作業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

張偉龍，紀(jì)廣裕，蘇國(guó)慶，賈巨泰，錢永生，梁鑫鈺，杜 強(qiáng)，王辰羽，王文月

(1. 國(guó)家電網(wǎng)天津電力公司，天津 300000；2. 天津工業(yè)大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，天津 300387)

0 引言

架空輸電線路地處偏遠(yuǎn)，所處地形、地勢(shì)復(fù)雜，自然環(huán)境惡劣，輸電設(shè)備由于長(zhǎng)期暴露于戶外，極易產(chǎn)生異物纏繞、雷電擊穿絕緣子、導(dǎo)線銹蝕斷股等問(wèn)題。傳統(tǒng)依靠人工逐基桿塔檢修的作業(yè)方式不僅存在檢修工作量大、耗時(shí)費(fèi)力等問(wèn)題，復(fù)雜的地理環(huán)境也時(shí)刻威脅著檢修人員的生命安全，導(dǎo)致更多深入的檢修工作無(wú)法進(jìn)行[1-3]。相比較而言，利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行檢修工作具有節(jié)省時(shí)間、降低成本、操作靈活、受限條件少等諸多優(yōu)勢(shì)[4-5]?，F(xiàn)階段將無(wú)人機(jī)作為實(shí)現(xiàn)野外高空檢修搭載工具的檢修方法已成為35 kV及以上架空輸電線路不可或缺的檢修手段，因此對(duì)基于機(jī)械臂的無(wú)人機(jī)檢修作業(yè)系統(tǒng)開展研究具有重大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外各研究團(tuán)隊(duì)對(duì)基于機(jī)械臂的無(wú)人機(jī)檢修作業(yè)系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究。山東電力研究院[6]提出了高壓帶電作業(yè)機(jī)器人絕緣輕型機(jī)械臂的設(shè)計(jì)方法，針對(duì)機(jī)械臂不同部位的結(jié)構(gòu)，通過(guò)安裝絕緣防護(hù)罩或噴涂聚乙烯粉末的方式保證絕緣可靠，在滿足持重要求的基礎(chǔ)上大幅度降低了機(jī)械臂重量，使系統(tǒng)能夠滿足復(fù)雜線路環(huán)境的檢修要求。廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司揭陽(yáng)供電局[7]提出了一種基于多旋翼無(wú)人機(jī)和多自由度機(jī)械電熱切割器的輸電線路異物清除裝置，系統(tǒng)操作靈活，并大大提高了工作效率和安全。耶魯大學(xué)[8-9]設(shè)計(jì)了一款飛行手爪系統(tǒng)，在無(wú)人機(jī)上裝配了一個(gè)柔性順從手爪，可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同形狀輕質(zhì)物體的抓取，并分析了瞬間增加的有效負(fù)載所引起的動(dòng)態(tài)載荷擾動(dòng)影響以及它們?cè)诒壤e分微分飛行控制下對(duì)無(wú)人機(jī)的影響。塞維利亞大學(xué)[10]研制的攜帶七關(guān)節(jié)手臂的作業(yè)型飛行機(jī)器人，使用變量參數(shù)積分Backstepping控制器，其能利用手臂的冗余自由度保證抓取作業(yè)的平穩(wěn)性。

以上研究成果從系統(tǒng)的材料選取、機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制方法等多個(gè)方面研究了基于機(jī)械臂的無(wú)人機(jī)檢修作業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法及其優(yōu)化方法，對(duì)無(wú)人機(jī)檢修作業(yè)技術(shù)的發(fā)展起到了較大的推進(jìn)作用。但是目前輸電線路無(wú)人機(jī)檢修作業(yè)系統(tǒng)整機(jī)設(shè)計(jì)缺少定量化的數(shù)據(jù)支撐，仍然停留在作業(yè)人員主觀經(jīng)驗(yàn)判斷的階段，即在保證無(wú)人機(jī)不出現(xiàn)意外的前提下抵近桿塔或?qū)У鼐€，利用地面站和遙控手柄控制任務(wù)設(shè)備對(duì)巡檢目標(biāo)進(jìn)行巡視和檢查。這種方式雖然可以有效減少意外事故的發(fā)生，但也難以最大限度發(fā)揮無(wú)人機(jī)靈巧、效率高的優(yōu)勢(shì)，因而需開展相關(guān)研究工作，確定典型機(jī)型檢修作業(yè)設(shè)計(jì)方法，得出定量化的精確結(jié)論[11]。

鑒于以上因素，本文基于既有研究成果，根據(jù)35 kV交流輸電線路直線塔的實(shí)際檢修要求，提出了一種基于機(jī)械臂的無(wú)人機(jī)檢修作業(yè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法；通過(guò)建立35 kV輸電線路無(wú)人機(jī)檢修作業(yè)有限元仿真模型，重點(diǎn)研究了輸電線路周圍電場(chǎng)對(duì)檢修系統(tǒng)的影響，仿真結(jié)果表明作業(yè)系統(tǒng)在檢修過(guò)程中不會(huì)發(fā)生擊穿現(xiàn)象；最后搭建了35 kV線路無(wú)人機(jī)檢修作業(yè)真型試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行加壓測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果表明，基于機(jī)械臂的無(wú)人機(jī)檢修作業(yè)系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)均能滿足檢修要求與技術(shù)指標(biāo)。本文研究成果可為35 kV輸電線路多旋翼無(wú)人機(jī)檢修作業(yè)系統(tǒng)的相關(guān)部件設(shè)計(jì)與防護(hù)提供技術(shù)保障。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

1.1 設(shè)計(jì)思路

本文針對(duì)現(xiàn)有的無(wú)人機(jī)檢修作業(yè)系統(tǒng)功能較為單一的痛點(diǎn)問(wèn)題，考慮無(wú)人機(jī)機(jī)械臂系統(tǒng)在高壓輸電線路的檢修環(huán)境及其所要達(dá)到的預(yù)期目標(biāo)，對(duì)應(yīng)用于高壓架空輸電線路檢修的絕緣操作機(jī)構(gòu)及基于該類機(jī)械臂的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)整機(jī)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。系統(tǒng)整體的設(shè)計(jì)思路如下：首先，絕緣問(wèn)題是研究的重中之重。無(wú)人機(jī)機(jī)械臂在作業(yè)過(guò)程中可能與輸電線路發(fā)生接觸，這就決定著對(duì)其絕緣等級(jí)的嚴(yán)格要求，通過(guò)合理選取絕緣材料，針對(duì)性設(shè)計(jì)機(jī)械臂結(jié)構(gòu)，就可以達(dá)到輸電線路作業(yè)的安全性要求；其次，保障無(wú)人機(jī)系統(tǒng)控制通信系統(tǒng)穩(wěn)定。高壓環(huán)境下強(qiáng)電磁場(chǎng)對(duì)通信的干擾是不可忽視的，通過(guò)對(duì)無(wú)人機(jī)特殊部位加裝屏蔽罩或其他技術(shù)手段來(lái)保障正常通信也是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)；再次，機(jī)械臂輔助控制需要采用測(cè)距與圖傳技術(shù)。要在無(wú)人機(jī)上搭載相應(yīng)的云臺(tái)，就要考慮到搭載云臺(tái)的位置、質(zhì)量和傳輸?shù)葐?wèn)題，選取合乎規(guī)范內(nèi)的云臺(tái)將其對(duì)整體系統(tǒng)的影響降到最低；復(fù)次，為實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)與機(jī)械臂系統(tǒng)作業(yè)中的零值檢測(cè)功能，要通過(guò)在系統(tǒng)中設(shè)立參考點(diǎn)位點(diǎn)來(lái)完成，初步設(shè)計(jì)在無(wú)人機(jī)系統(tǒng)電路板上設(shè)立參考電位點(diǎn)最為合理，該功能易實(shí)現(xiàn)且相對(duì)穩(wěn)定；最后，要充分考慮基于機(jī)械臂的無(wú)人機(jī)檢修作業(yè)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定和功能性要求，考慮系統(tǒng)各部分結(jié)構(gòu)對(duì)整體的影響，設(shè)計(jì)合理的整機(jī)結(jié)構(gòu)。

1.2 機(jī)械臂系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖1所示的是機(jī)械臂系統(tǒng)的構(gòu)造示意圖。

1.機(jī)械爪 2.舵機(jī)保護(hù)盒 3.零值檢測(cè)儀連接套 4.高壓驗(yàn)電器連接套 5.絕緣桿 6.限位桿 7.環(huán)氧樹脂絕緣層 8.俯仰專用軸承套 9.連動(dòng)桿 10.滾轉(zhuǎn)專用軸承套

環(huán)氧樹脂絕緣層7通過(guò)絕緣螺栓安裝于無(wú)人機(jī)體底部與起落架之間，絕緣層下端通過(guò)鋼架連接俯仰專用軸承套8，軸承套8固套在金屬軸承外部，軸承右端安裝俯仰專用伺服舵機(jī)以驅(qū)動(dòng)軸承旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)俯仰機(jī)械結(jié)構(gòu)及連動(dòng)桿9，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂俯仰操作。

在設(shè)備前端，通過(guò)在絕緣桿5上添加可拆卸式設(shè)計(jì)裝置(零值檢測(cè)儀連接套3、高壓驗(yàn)電器連接套4)可用絕緣螺栓連接機(jī)械爪1、伸縮驗(yàn)電筆以及零值檢測(cè)儀等設(shè)備。在機(jī)械爪1左側(cè)安裝伺服舵機(jī)，通過(guò)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械爪完成異物清除操作。

在設(shè)備后端，絕緣桿5的滾轉(zhuǎn)動(dòng)作通過(guò)伺服舵機(jī)進(jìn)行控制實(shí)現(xiàn)，軸承套10固套在金屬軸承外部并固定到連動(dòng)桿9的另一端。在舵機(jī)頂部，裝備有配重塊，防止絕緣桿前端過(guò)重導(dǎo)致的絕緣桿5后端上翹損壞無(wú)人機(jī)。

環(huán)氧樹脂絕緣層7前后兩端均安裝有限位桿，防止絕緣桿5前端或后端異常翹起時(shí)損壞無(wú)人機(jī)機(jī)翼。各伺服舵機(jī)的驅(qū)動(dòng)線路均位于絕緣桿內(nèi)部，舵機(jī)均置于舵機(jī)絕緣保護(hù)盒2內(nèi)，隔絕外部高壓環(huán)境可能帶來(lái)的電磁沖擊，對(duì)舵機(jī)間隙處做等電位處理，減小舵機(jī)內(nèi)電路擊穿風(fēng)險(xiǎn)。絕緣層7上可以搭載獨(dú)立云臺(tái)，用于裝載高精度工業(yè)攝像頭、圖傳機(jī)載端設(shè)備，實(shí)時(shí)顯示機(jī)械爪1、零值檢測(cè)儀、高壓驗(yàn)電器、絕緣桿5的工作狀態(tài)并保證無(wú)人機(jī)在工作中保持在與高壓輸電線相對(duì)的安全距離。

1.3 其他部件選擇

就無(wú)人機(jī)型號(hào)而言，目前天津電力公司普遍采用M600無(wú)人機(jī)進(jìn)行線路巡檢，通過(guò)搭載D-RTK GNSS系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)精度定位，雙天線測(cè)向技術(shù)抗干擾性強(qiáng)，在輸電線路強(qiáng)磁干擾的環(huán)境下能夠保障無(wú)人機(jī)飛行控制精準(zhǔn)可靠。

大扭矩、高力矩的舵機(jī)作為機(jī)械裝置的動(dòng)力來(lái)源，是機(jī)械臂系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，結(jié)合機(jī)械臂前端機(jī)械爪拖拽異物的實(shí)際工況，本文將HITEC HSR-5990TG高電壓鈦齒輪可編程數(shù)字舵機(jī)作為機(jī)械臂系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)源。

基于機(jī)械臂的無(wú)人機(jī)檢修作業(yè)系統(tǒng)主要由機(jī)械臂系統(tǒng)和無(wú)人機(jī)系統(tǒng)組成，為了防止等電位的機(jī)械臂系統(tǒng)對(duì)無(wú)人機(jī)飛控系統(tǒng)造成沖擊，機(jī)械臂系統(tǒng)的控制要與飛控系統(tǒng)相互獨(dú)立，因此需要搭載單獨(dú)的接收機(jī)和控制器用于控制舵機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。根據(jù)檢修需要本文采用的舵機(jī)控制器型號(hào)為FUTABA T16SZ，機(jī)載接收器為FUTABA R7008SB高壓版接收器。

在高空、強(qiáng)電磁環(huán)境中，無(wú)人機(jī)高清視頻無(wú)線傳輸?shù)牡脱舆t性是工作高效性與安全性的重要保障。Amimon CONNEX 5.8G數(shù)字高清圖傳可以滿足無(wú)人機(jī)視頻傳輸中的帶寬業(yè)務(wù)需求，其視頻傳輸延時(shí)低于100 ms。

在檢修作業(yè)系統(tǒng)中，軸承鏈接件作為整個(gè)系統(tǒng)的主要受力點(diǎn)承擔(dān)著作業(yè)系統(tǒng)的載荷平衡與運(yùn)轉(zhuǎn)任務(wù)，具備高精度、低摩擦、耐磨損性能的BKD軸承能有效延長(zhǎng)系統(tǒng)壽命，提高可靠性。

1.4 整機(jī)搭建

基于前文部分介紹的多種設(shè)備對(duì)基于機(jī)械臂的無(wú)人機(jī)檢修作業(yè)系統(tǒng)進(jìn)行整體搭建。樣機(jī)實(shí)物與概念圖如圖2所示。

(a) 系統(tǒng)樣機(jī)

(b) 概念圖

2 仿真實(shí)驗(yàn)與分析

2.1 仿真模型

如圖3所示的是天津電力公司設(shè)計(jì)用35 kV輸電桿塔，根據(jù)天津電力公司的桿塔設(shè)計(jì)文獻(xiàn)可知，桿塔塔全高31 200 mm，大傘半徑為2400 mm，中傘半徑為3200 mm，小傘半徑為2700 mm，輸電線路導(dǎo)線采用LGJ-150型號(hào)，直徑為17.48 mm。

圖3 輸電線路桿塔平面圖

圖4所示的基于機(jī)械臂的無(wú)人機(jī)檢修作業(yè)系統(tǒng)是以天津電力公司通用的M600無(wú)人機(jī)為原型搭建，機(jī)械臂材料為環(huán)氧樹脂，無(wú)人機(jī)旋翼、機(jī)架、機(jī)身均采用碳纖維材料。

圖4 基于機(jī)械臂的無(wú)人機(jī)檢修作業(yè)系統(tǒng)模型

將系統(tǒng)模型導(dǎo)入COMSOL Multiphysics有限元仿真軟件，對(duì)基于機(jī)械臂的無(wú)人機(jī)檢修作業(yè)系統(tǒng)受輸電線路周圍電場(chǎng)的影響進(jìn)行探究，主要分析機(jī)械臂左端到線路幾何中心的距離d為0.84 m、0.34 m與0.02 m時(shí)，系統(tǒng)中機(jī)械臂、旋翼、機(jī)架、機(jī)身所要承受最大電場(chǎng)強(qiáng)度與電壓值的變化情況，進(jìn)而根據(jù)參數(shù)變化探究系統(tǒng)是否存在擊穿風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 d=0.84 m時(shí)的無(wú)人機(jī)檢修系統(tǒng)狀態(tài)

通常情況下，基于機(jī)械臂的無(wú)人機(jī)檢修作業(yè)系統(tǒng)局部場(chǎng)強(qiáng)大于經(jīng)典棒-板間隙擊穿強(qiáng)度3 kV/cm～3.5 kV/cm或者大于空氣擊穿強(qiáng)度為30 kV/cm時(shí)，系統(tǒng)部件容易產(chǎn)生擊穿風(fēng)險(xiǎn)，威脅到檢修作業(yè)系統(tǒng)運(yùn)行。當(dāng)d=0.84 m時(shí)，檢修作業(yè)系統(tǒng)各部件的電勢(shì)變化情況如圖5所示。

圖5 d=0.84 m時(shí)的系統(tǒng)各部件電勢(shì)變化情況

由圖5可知，無(wú)人機(jī)檢修作業(yè)系統(tǒng)中各部件電勢(shì)隨系統(tǒng)與輸電線路間距的增加而減小?？紤]各部件具備一定的耐壓能力，通過(guò)圖5所示的電勢(shì)變化可以得出如表1所示的各部件承受電壓值與所處環(huán)境的最大電場(chǎng)強(qiáng)度。

表1 d=0.84 m時(shí)的系統(tǒng)各部件最大電場(chǎng)強(qiáng)度與電壓

由表1可以看出當(dāng)檢修作業(yè)系統(tǒng)距離輸電線路0.84 m時(shí)，機(jī)械臂承受電場(chǎng)強(qiáng)度與電壓值最大，分別為3712 V/m、2069 V；距離檢修線路更近的前端旋翼相較于后端旋翼而言，承受電場(chǎng)更強(qiáng)；機(jī)架的電場(chǎng)強(qiáng)度和承受電壓也遠(yuǎn)大于機(jī)身，這主要是因?yàn)闄C(jī)架外形為棒狀尖端，易發(fā)生電荷聚集和場(chǎng)強(qiáng)畸變現(xiàn)象。

根據(jù)表格數(shù)據(jù)，基于機(jī)械臂的無(wú)人機(jī)檢修作業(yè)系統(tǒng)在距離輸電線路0.84 m時(shí)，無(wú)擊穿現(xiàn)象發(fā)生，設(shè)備可以安全運(yùn)行。

2.3 d=0.34 m時(shí)的無(wú)人機(jī)檢修系統(tǒng)狀態(tài)

如圖6所示的是機(jī)械臂左端到線路幾何中心距離為0.34 m時(shí)的檢修作業(yè)系統(tǒng)各部件的電勢(shì)變化情況。

圖6 d=0.34 m時(shí)的系統(tǒng)各部件電勢(shì)變化情況

由圖6可知，作業(yè)系統(tǒng)中各部件電勢(shì)隨系統(tǒng)與輸電線路間距變化的趨勢(shì)與圖5基本相同。通過(guò)圖6所示的電勢(shì)變化可以得出如表2所示的各部件承受電壓值與所處環(huán)境的最大電場(chǎng)強(qiáng)度。

表2 d=0.34 m時(shí)的系統(tǒng)各部件最大電場(chǎng)強(qiáng)度與電壓

由表2可知，當(dāng)系統(tǒng)距線路0.34 m時(shí)，系統(tǒng)部件中的最大電場(chǎng)強(qiáng)度仍均小于空氣擊穿強(qiáng)度和棒-板間隙擊穿強(qiáng)度，不會(huì)發(fā)生擊穿現(xiàn)象。

2.4 d=0.02 m時(shí)的無(wú)人機(jī)檢修系統(tǒng)狀態(tài)

作業(yè)系統(tǒng)與輸電線路相距0.02 m意味著系統(tǒng)緊貼輸電線路，由圖7可知，此時(shí)輸電線路周圍電場(chǎng)對(duì)無(wú)人機(jī)檢修作業(yè)系統(tǒng)影響最大，機(jī)械臂、旋翼、機(jī)架、機(jī)身等部件相較于之前的兩種工況出現(xiàn)明顯的電勢(shì)增大現(xiàn)象。

圖7 d=0.02 m時(shí)的系統(tǒng)各部件電勢(shì)變化情況

根據(jù)圖7的系統(tǒng)電勢(shì)分布情況可以得出各部件承受的電場(chǎng)強(qiáng)度如表3所示。

表3 d=0.02 m時(shí)的系統(tǒng)各部件最大電場(chǎng)強(qiáng)度與電壓

由表3可知，當(dāng)系統(tǒng)距線路0.02 m時(shí)，系統(tǒng)接觸輸電線路進(jìn)行檢修作業(yè)，各部件承受電場(chǎng)強(qiáng)度是間距變化過(guò)程中的最大值，機(jī)械臂承受的電場(chǎng)強(qiáng)度為34 673 V/m。此時(shí)系統(tǒng)部件中的最大電場(chǎng)強(qiáng)度仍均小于空氣擊穿強(qiáng)度和棒-板間隙擊穿強(qiáng)度，因此不會(huì)導(dǎo)致?lián)舸┈F(xiàn)象發(fā)生。

綜上所述，基于機(jī)械臂的無(wú)人機(jī)檢修作業(yè)系統(tǒng)在35 kV架空輸電線路周圍電場(chǎng)的影響下，不會(huì)被擊穿，可以完成檢修工作。

3 型式試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)架空輸電線路電氣特性及檢修訴求，基于機(jī)械臂的無(wú)人機(jī)檢修作業(yè)系統(tǒng)將工作于35 kV輸電線路的強(qiáng)電磁環(huán)境，工作狀態(tài)為近導(dǎo)作業(yè)。為了實(shí)現(xiàn)掛載絕緣機(jī)械臂的無(wú)人機(jī)檢修裝置示范落地應(yīng)用，完成對(duì)35 kV線路零值檢測(cè)、驗(yàn)電和清除異物工作的部分替代，需要對(duì)檢修作業(yè)系統(tǒng)的適應(yīng)與承受能力進(jìn)行實(shí)際加壓測(cè)試，驗(yàn)證樣機(jī)系統(tǒng)與預(yù)期技術(shù)目標(biāo)及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)際適用性。

樣機(jī)考核的主要技術(shù)指標(biāo)如下：裝置能夠穩(wěn)定自主懸停且懸停精度水平及垂直不大于10 cm；上下行鏈路能夠穩(wěn)定傳輸，作業(yè)點(diǎn)監(jiān)控視頻延遲在100 ms以內(nèi)；機(jī)械裝置可以完成清除異物、驗(yàn)電、零值檢測(cè)操作。

3.1 圖像延遲、圖像畸變與抗干擾能力

圖像延遲試驗(yàn)的測(cè)試設(shè)備主要包括圖傳顯示器、秒表和相機(jī)。在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)需要將圖傳顯示器擺在秒表旁，秒表開始計(jì)時(shí)后，將攝像頭對(duì)準(zhǔn)秒表，用相機(jī)拍下顯示器和秒表的計(jì)時(shí)照片，計(jì)算兩者顯示秒數(shù)的差值再乘以1000就得到了圖像傳輸系統(tǒng)的延遲時(shí)間。

圖像畸變?cè)囼?yàn)的測(cè)試設(shè)備主要包括測(cè)試圖像畸變的MATLAB程序、棋盤格和相機(jī)。在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)需要用相機(jī)拍攝多張不同角度棋盤格的圖片，將圖片傳入電腦并運(yùn)行MATLAB程序就可以得到圖像像素誤差以及畸變參數(shù)。在粘貼打印好的棋盤格圖片時(shí)，要保持棋盤格的平整、光滑，不能發(fā)生變形和皺褶。

圖傳抗干擾能力試驗(yàn)的測(cè)試設(shè)備主要有35 kV測(cè)試線路、相機(jī)、高清圖傳和顯示器。將圖傳機(jī)載端放置于35 kV測(cè)試線路外圍1.5 m處，對(duì)比正常環(huán)境和強(qiáng)電磁環(huán)境圖片的清晰度，觀察回傳圖像是否出現(xiàn)雪花或其他異常情況。

經(jīng)型式試驗(yàn)測(cè)得圖像傳輸系統(tǒng)延遲時(shí)間為89 ms，低于指標(biāo)要求的100 ms；圖像像素誤差在x軸方向?yàn)?.182 36，在y軸方向?yàn)?.207 56，畸變參數(shù)為[-0.08062 -0.7992 -0.00324 0.00831 0]±[0.05965 1.494 0.002 0.00217 0]；在35 kV輸電線路電磁環(huán)境下圖像傳輸質(zhì)量未受影響，地面端顯示器未出現(xiàn)雪花點(diǎn)等異常情況，可以正常工作。綜上所述，圖像傳輸系統(tǒng)能夠滿足基于機(jī)械臂的無(wú)人機(jī)檢修系統(tǒng)的作業(yè)要求。

3.2 無(wú)人機(jī)屏蔽性能與懸停精度

無(wú)人機(jī)屏蔽性能試驗(yàn)設(shè)備為噴涂導(dǎo)電漆的無(wú)人機(jī)、萬(wàn)用表。在正常環(huán)境下測(cè)量無(wú)人機(jī)表面兩點(diǎn)間的內(nèi)阻，小于1 Ω即可。

在無(wú)人機(jī)表面噴涂平均厚度0.05 mm厚的Ausbond 3818導(dǎo)電漆后，機(jī)體表面點(diǎn)間電阻小于1 Ω；無(wú)人機(jī)垂直及水平懸停精度均為±0.1 m。因此能夠滿足基于機(jī)械臂的無(wú)人機(jī)檢修系統(tǒng)的作業(yè)要求。

3.3 驗(yàn)電能力、機(jī)械臂耐壓及等電位過(guò)程沖擊能力

試驗(yàn)的測(cè)試設(shè)備主要包括基于機(jī)械臂的無(wú)人機(jī)檢修作業(yè)系統(tǒng)、驗(yàn)電器、零值檢測(cè)儀、高壓發(fā)生器、分壓器、變壓器、萬(wàn)用表、水阻、高壓線纜和絕緣子，其中高壓發(fā)生器、分壓器、變壓器、萬(wàn)用表、水阻、高壓線纜和絕緣子是35 kV架空輸電測(cè)試線路的組成部件，測(cè)試線路如圖8所示。

圖8 機(jī)械臂耐壓及等電位過(guò)程沖擊能力測(cè)試平臺(tái)

在試驗(yàn)過(guò)程中，裝載驗(yàn)電器、零值檢測(cè)儀、機(jī)械爪的檢修作業(yè)系統(tǒng)分別對(duì)9 kV、17 kV、26 kV和35 kV的測(cè)試線路進(jìn)行檢修作業(yè)，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。每次實(shí)驗(yàn)完成后都要對(duì)變壓器充分接地放電，以消除殘留電荷對(duì)測(cè)試人員及設(shè)備的影響。

表4 檢修系統(tǒng)驗(yàn)電能力、機(jī)械臂耐壓及等電位過(guò)程沖擊能力的型式試驗(yàn)結(jié)果

續(xù)表

4 結(jié)論

(1)提出了基于機(jī)械臂的35 kV交流輸電線路直線塔無(wú)人機(jī)檢修作業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，對(duì)機(jī)械臂系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和絕緣性能重點(diǎn)設(shè)計(jì)，并對(duì)其他關(guān)鍵系統(tǒng)組件進(jìn)行選型，搭建了試驗(yàn)樣機(jī)；

(2)根據(jù)直線塔和樣機(jī)相關(guān)參數(shù)建立了有限元仿真模型，分析了檢修系統(tǒng)距離輸電線路0.84 m、0.34 m與0.02 m時(shí)，系統(tǒng)中機(jī)械臂、旋翼、機(jī)架、機(jī)身所要承受最大電場(chǎng)強(qiáng)度與電壓值的變化情況，進(jìn)而判定檢修系統(tǒng)在近導(dǎo)作業(yè)時(shí)不存在擊穿風(fēng)險(xiǎn)，滿足檢修要求；

(3)搭建了35 kV交流輸電線路直線塔無(wú)人機(jī)檢修作業(yè)真型試驗(yàn)平臺(tái)。試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)樣機(jī)能夠精準(zhǔn)完成驗(yàn)電、零值檢測(cè)和異物清除操作，滿足35 kV架空輸電線路的檢修技術(shù)要求。