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自动控制无人驾驶飞艇保持安全作业距离的几个重要技术环节

范文

孙正来江东胜王彩虹徐诚

【摘要】无人驾驶飞艇在电力应急中具有重要作用。为了解决单纯依靠远程遥控或自控存在较大安全风险的问题，国家电网公司发明了带自动线控的无人飞艇应急作业方法，本文则从技术实现上阐述自动控制无人飞艇保持安全作业距离的几个重要技术环节、处理措施和改进建议。

【关键词】无人飞艇自动控制悬链线

一、引言

电力设施分布范围广，架空线路长，又处于露天运行，易受到周围环境与自然变化的影响。特别在气候剧烈变化、自然灾害、超负荷运行和意外事故等情况时，容易发生电力事故，给国民经济与人民生活带来很大的影响。为此，通过电力应急快速到达、迅速定位并排除故障或隐患就显得尤为重要。当有重大灾情发生，地面应急手段难以快速达到目标时，利用无人机（包括无人飞机和无人飞艇）进行低空应急将大幅提高工作效率。但是，在遥控或自控飞行模式下，安全性无法保障，非常容易与带电体发生碰撞，发生危险，反而造成更大的故障。与线路巡检[3]的要求不同的是，电力应急所表现的非计划性、区域局部性和响应的持续性，对飞行器的要求更侧重于长时间浮空和悬行、更好的稳定性和应急救援方面，这些是无人飞机技术在原理上难以突破的瓶颈。

为此，国家电网公司1发明了针对无人飞艇的自动线控安全作业方法及其装备[1]，并研究了在风力作用下的扩展悬链线模型[2]。本文则从技术实现上阐述自动控制无人飞艇保持安全作业距离的几个重要技术环节、处理措施和改进建议。

二、雨雪作用下的线控模型

牵引绳在自然下垂状态下表现了悬链线模型曲线，在风力作用下的文献[2]推导了扩展悬链线模型。由于雨雪影响是不可必避免的，牵引绳的曲线模型应包含雨雪的影响规律，以便得出符合不同天气下的实际的模型。

雨雪作用分两个方面：1、直接作用，在应急现场局部范围内，可以假定雨雪对和牵引绳的作用是均匀的，因此与风力作用类似，因此，可将雨雪作用并入风力作用，代入悬链线模型和伯努利风压方程一并推导。2、间接作用，绳子被雨雪侵蚀，密度值提高，因此通过修改悬链线模型和伯努利风压方程中的密度常数解决。

三、自动线控决策机制

按照线控飞艇以保持安全距离的工作特点，在均匀放线、均匀收线和保持三种情况下，最符合上述模型描述的规律。一旦系统感知飞艇失控，则以最快的加速度开始收线直到完成。此时，飞艇做为端点之一会产生强大的加速变化的反作用力和剧烈的位移。收线作用力越大，模型中风力和线密度的影响越小，线的状态越趋直线。由于在失控收线状态下，快速变化的计算结果，无论值为多少，均不会用于改变收线方式的依据。因此，模型只用于放线和保持两种状态的决策或验证，不必用于失控保护收线过程的计算。同时，由于线控系统对飞艇是否失控的决策的准确性是非常重要的，在实际算法中，不仅参照模型计算结果的变化，同时参照飞艇的三维坐标值及其变化，以便对判断是否失控做双重的、更可靠、也更有利的决策。

四、自动线控机位置确定

如图1所示，红线为飞艇的飞行曲线，蓝线为飞艇最终接近一定高度监测点（h），并保持安全距离（K）的临界线。当飞艇位置未及临界线之前，线控机是依据拉力检测决定放线的，最小拉力值约为5KG（可调），最大拉力值为300KG（可调），因此，转出足够长的牵引线，使飞艇一开始获得自由飞行的惯性。因此，自动线控设备的选点不宜离监测点太近。

由于自动线控是强制安全可靠的技术措施，线材选择的是3mm直径的凯夫拉绳，并采用抗拉力好的编织结构，具有连续承受300KG的拉力，与飞艇自控或遥控飞行相比，可在大风天气下作业，此时，自动线控设备的选点必须在上风头。

如图2所示，为了保持飞艇与作业面保持安全距离，自动线控机应与监测点保持垂直，由于应急现场不可能完全满足自动线控设备的工作条件，此时，安全距离（K）是与最短垂直安全距离（K）的关系为：

K = X – R = X – （ L – K ） = X + K – L

其中：K根据电力急应对象，由电力规程确定，X和L在作业前通过激光测距获得。

将K的值输入自动线控系统，系统按照该值自动处理飞艇作业时的安全控制依据。

如图3所示，为复杂作业环境下K的计算。

由于监测点位于三条电力线的前方，而自动线控机必须位于最好观测方向，此时，须做多向测距，得出作业面由自动线控机位置与距离最近的水平方向的电力线为半径画出，从而计算最安全的K值。

五、自动线控飞艇的高度

如图4所示，计算K还考虑飞行高度的影响。按照自动线控机设计的收线速度，当飞艇高度与监测点高度相当时，自动线控机位置宜选择线控角度不大于45度，对线控最为有利。风速较低时，角度可适当提高，风速越大，角度越小越安全。作业面的位置通过目视最近的障碍物，对其激光测距，从而求出K。

五、改进建议

根据自动线控飞艇作业试验和演练，以下改进可以进一步提高作业效率。

？线控机出线导向的改进

？线控机出线人工辅助

？线控机与运载车辆整合提高作业效率

？飞艇装备与运载车辆的整合提高作业效率

？作业吊仓应进一步整合各模块，使重量减轻，自稳更好。

参考文献

[1]王国富，刘军等，观测带电检测体的无人驾驶飞艇控制装置及其控制方法，发明专利申请号或专利号201510209640.8

[2]王国富，刘军等，自动控制无人驾驶飞艇保持安全作业距离的数学模型研究，合肥工业大学学报（自然科学版），2016.2

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