無人機(jī)機(jī)載激光清障一體化設(shè)計(jì)

余鵬，田杰

（深圳供電局有限公司電力科學(xué)研究院，深圳 518000）

引言

輸電線路異物飄掛是導(dǎo)致輸電線路跳閘的重要因素之一。近年，我國綜合國力不斷增強(qiáng)、在高科技領(lǐng)域不斷實(shí)現(xiàn)突破創(chuàng)新，輸電線路清障技術(shù)發(fā)展迅速，其中較為經(jīng)典的清障技術(shù)即為地面激光遠(yuǎn)程清障技術(shù)和無人機(jī)噴火技術(shù)。2016年，國網(wǎng)江蘇電科院首次對激光在60 m外，對35 kV線路飄掛物成功清除進(jìn)行了報(bào)道。該篇報(bào)道驗(yàn)證了將激光技術(shù)應(yīng)用到輸電線路清障領(lǐng)域的可行性[1]。2017年，國網(wǎng)江蘇電科院陳杰等對這種激光清障方法進(jìn)行了理論分析、有限元仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明，清除異物所需要最小功率密度為20 W/cm2，該功率密度的激光不會對輸電線路造成損傷。目前北京北創(chuàng)芯通科技有限公司、中電集團(tuán)27所、11所均有激光遠(yuǎn)程清除異物的相關(guān)報(bào)道[2]。但目前所研制的設(shè)備重量均在20 kg以上，且由于地面與清除物距離較遠(yuǎn)使得跟瞄過程十分復(fù)雜，有些激光光源還需外置制冷設(shè)備，難以實(shí)現(xiàn)在山、林等復(fù)雜環(huán)境中進(jìn)行清除作業(yè)。2017年，廣東電網(wǎng)公司江門供電局公開報(bào)道了一種基于多旋翼無人機(jī)輸電線路清障裝置，原理為無人機(jī)上搭載噴火器，在空中對線路上的異物噴射火焰，直至異物燒毀。同年，北京國網(wǎng)富達(dá)科技發(fā)展有限公司所研制的無人機(jī)噴火清障裝置形成了產(chǎn)品批量銷售[3]。2018年，國網(wǎng)莆田供電公司、南網(wǎng)梧州供電局、玉林供電局相繼報(bào)道了無人機(jī)噴火技術(shù)在110 kV輸電線路清除異物的應(yīng)用，整個操作過程為15 min，僅需2～4名操作人員[4]。該項(xiàng)清除技術(shù)雖然方便快捷，但極易引發(fā)火災(zāi)，存在一定的安全隱患。

綜上，目前亟需一種方便、安全、快捷的技術(shù)解決輸電線路的異物掛線問題。南方電網(wǎng)深圳供電局2017年在國內(nèi)外首次報(bào)道了基于無人機(jī)平臺的激光清障裝置研制成功，該裝置的激光輸出功率為80 W，工作距離為6～7 m，總重量為3.5 kg，搭載平臺為多軸云臺或光學(xué)吊艙，清障時間僅為十幾秒，可對農(nóng)膜、魚線、風(fēng)箏線、尼龍等多種材料進(jìn)行清除。目前，研究一種輸出功率更高、工作距離更遠(yuǎn)、整體重量更輕量的清障裝置，是下一步研究工作的重點(diǎn)。

1 基于無人機(jī)平臺的激光清障系統(tǒng)

本文基于無人機(jī)平臺的激光清障系統(tǒng)包括以下幾部分：多旋翼無人機(jī)、特種激光器、定制云臺及地面監(jiān)測與控制單元，其中特種激光器和云臺構(gòu)成了整個系統(tǒng)的載荷系統(tǒng)。

1.1 多旋翼無人機(jī)

無人駕駛飛機(jī)簡稱“UAV”，是一種利用無線電遙控設(shè)備和自備程序控制裝置操縱的不載人飛機(jī)[5]。近年來，無人機(jī)因?yàn)轶w積小、機(jī)動靈活、成本低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在各行業(yè)各領(lǐng)域中。多旋翼分為四旋翼、六旋翼、八旋翼等，經(jīng)過前期調(diào)研分析，六旋翼無人機(jī)能夠滿足載荷重量的要求，故此采用六旋翼作為激光清障系統(tǒng)的無人機(jī)平臺。六旋翼無人機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

1.2 特種激光設(shè)備

針對技術(shù)要求，擬對高亮度光纖激光形成技術(shù)機(jī)理展開研究，研究不同激光輸出形式下，材料破壞的物理過程，掌握連續(xù)/脈沖激光參數(shù)與材料破壞之間的關(guān)系，以及激光與電網(wǎng)異物之間的作用機(jī)理，為清除實(shí)驗(yàn)提供理論指導(dǎo)，最后通過整機(jī)的輕量化設(shè)計(jì)，包括輕量化結(jié)構(gòu)和散熱組件，實(shí)現(xiàn)機(jī)載清障激光器小型化、長工作距離的目的。

根據(jù)前期對于激光器的調(diào)研，結(jié)合項(xiàng)目的特殊需求，共進(jìn)行3次地面激光試驗(yàn)：

1）5 W、8 W小型激光器，重量500 g左右，尺寸：20*10*10 cm，采用半導(dǎo)體激光器，有效距離為2～3 m，持續(xù)工作時間1 min將異物清除；

2）100 W中型激光器，重量在3.7 kg左右，采用分體式設(shè)計(jì)，光纖激光器與供電部分分離，減輕云臺承重的壓力，尺寸為：14*12*8 cm，有效作業(yè)距離在8 m左右，1 s后溫度達(dá)到450 ℃，持續(xù)工作時間5 s左右能將異物清除；

3）200 W大型激光器，重量13 kg左右，尺寸為60*50*40 cm，采用光纖激光器，有效距離在15～30 m，持續(xù)工作時間30 s將異物清除。

結(jié)合多旋翼無人機(jī)平臺及項(xiàng)目的需求，最終決定采用100 W功率的中型激光器作為多旋翼無人機(jī)的載荷系統(tǒng)。

圖1 六旋翼無人機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 激光光源設(shè)計(jì)

利用布拉格光纖光柵與增益光纖進(jìn)行低損耗的熔接，將n個LD耦合輸入振蕩級的增益光纖，或通過透鏡組將泵浦光直接耦合[6]。增益光纖與利用低損耗熔接的布拉格光纖光柵或雙色鏡共同組成光纖激光器的諧振腔，在光纖受到泵浦能量激發(fā)時，即可輸出相應(yīng)波長的激光。從耦合輸出鏡透射輸出的高質(zhì)量激光光束，在穿過光隔離器后，進(jìn)入放大級的增益光纖。端面泵浦耦合技術(shù)典型示例如圖2所示。

放大級仍然采用n個LD對向泵浦結(jié)構(gòu)，以充分利用泵浦能量、降低光纖增益介質(zhì)內(nèi)的溫度梯度與熱致應(yīng)力，保證輸出激光的光束質(zhì)量。在光路設(shè)計(jì)時，放大級中與前級輸出激光通向相同的泵浦光可以適當(dāng)減弱，以保護(hù)放大級的種子光入射端面。

通過主振蕩功率放大（master oscillator power amplifier,MOPA）結(jié)構(gòu)可以有效的分配n個LD泵浦的能量[7]，有效降低各個光纖輸入端面的熱負(fù)荷，同時保證的光束質(zhì)量，最終得到高效率、大功率的激光輸出。端面泵浦耦合方案如圖3所示。

圖2 端面泵浦耦合技術(shù)典型示例

1.4 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

激光輸出光纖為多模光纖，芯徑約為100 μm，數(shù)值孔徑較高，大約0.22[8]。對于該光纖，輸出光斑較小，發(fā)散角很大，不能直接應(yīng)用于激光清障中，需要通過透鏡準(zhǔn)直然后聚焦才能作用到被清除物上，以起到障礙物清除的作用。而準(zhǔn)直后的光斑大小，直接影響后續(xù)光學(xué)系統(tǒng)的口徑從而影響光學(xué)系統(tǒng)的總重量。針對這一問題，光纖激光輸出擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)將采用無焦擴(kuò)束系統(tǒng)。玻璃基片采用高硬度、高化學(xué)穩(wěn)定性、低密度的silica。根據(jù)光纖耦合輸出要求，選取芯徑為100 μm，NA值0.22的光纖，初步設(shè)計(jì)擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)，在激光準(zhǔn)直系統(tǒng)測試設(shè)備上進(jìn)行測試。測試結(jié)果如圖4所示。

圖3 端面泵浦耦合方案

2 激光定制云臺

由于激光器搭載在多旋翼無人機(jī)上，受空中氣流的不穩(wěn)定以及無人機(jī)自身因素的影響，無人機(jī)不可能懸停在某一點(diǎn)上并保持絕對靜止，而激光系統(tǒng)距離目標(biāo)物約8 m左右，發(fā)射的激光束不可能一直聚焦在同一點(diǎn)上，導(dǎo)致清除異物的時間大幅延長，影響清除效果。

為了解決上述問題，專門定制了激光器云臺，通過高頻減震系統(tǒng)和高精度陀螺穩(wěn)定平臺隔離外部干擾，保持激光器指向在慣性空間內(nèi)保持不變，采用視頻跟蹤實(shí)現(xiàn)對線上異物目標(biāo)的鎖定和自動跟蹤，用于掛載與多旋翼無人機(jī)觀測并清除輸電線路上異常飄浮物。

圖4 擴(kuò)束準(zhǔn)直設(shè)計(jì)結(jié)果

設(shè)計(jì)三軸云臺，采用方位-俯仰-橫滾型結(jié)構(gòu)，通過三軸解耦算法隔離各通道之間的相互影響，增加反饋環(huán)路通過控制系統(tǒng)多環(huán)路閉環(huán)控制，提升系統(tǒng)的穩(wěn)定控制精度。在設(shè)計(jì)方案基礎(chǔ)上，通過軟件仿真確定系統(tǒng)控制參數(shù)，力矩核算選取電機(jī)、編碼器、驅(qū)動器一體化電機(jī)，完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化、硬件研制，樣機(jī)組裝調(diào)試完成后進(jìn)行三軸擺動臺架測試驗(yàn)證三軸穩(wěn)定云臺性能。三軸激光云臺采用方位-俯仰-橫滾型結(jié)構(gòu)，激光器和攝像機(jī)等載荷安裝在橫滾框架上。安裝在橫滾框架上的陀螺敏感載機(jī)擾動，通過陀螺穩(wěn)定回路和跟蹤控制回路，使云臺在飛機(jī)搖擺、振動條件下保持瞄準(zhǔn)線的穩(wěn)定，使其橫滾框架內(nèi)的圖像傳感器輸出穩(wěn)定的圖像并實(shí)時跟蹤鎖定目標(biāo)，同時激光器發(fā)射的激光束對目標(biāo)進(jìn)行切割。

三軸激光云臺主要分為結(jié)構(gòu)部分和控制部分，由機(jī)械結(jié)構(gòu)組件（結(jié)構(gòu)部分）、硬件單板及軟件（控制部分）和載荷單元組成，載荷單元是系統(tǒng)控制和穩(wěn)定的對象，系統(tǒng)組成框圖如圖5所示。三軸增穩(wěn)云臺結(jié)構(gòu)組成框圖如圖6所示。

3 地面監(jiān)控系統(tǒng)

地面監(jiān)測與控制單元為無人機(jī)飛行與管理系統(tǒng)，對無人機(jī)的穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?、精確度、實(shí)時性等都有重要影響，對其飛行性能起決定性的作用地面操控人員通過地面監(jiān)測與控制單元對無人機(jī)飛行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，并進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整和干預(yù)。在執(zhí)行任務(wù)時，發(fā)現(xiàn)架空線路上有異物（如：風(fēng)箏線、朔料薄膜等），通過地面監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送指令，搭載激光清障系統(tǒng)的無人機(jī)對線上異物進(jìn)行清除。地面人員通過地面監(jiān)測及控制單元對架空線路線上異物的清除過程、清除結(jié)果等一目了然?；跓o人機(jī)平臺的激光清障控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示。

4 實(shí)驗(yàn)測試

工程測試主要分為功能測試和性能測試，三軸自穩(wěn)云臺的基本功能主要包括手控旋轉(zhuǎn)、增穩(wěn)固定指向、自動跟蹤，測試主要在靜電實(shí)驗(yàn)室完成。增穩(wěn)云臺的性能測試主要包括空間穩(wěn)定精度測試。

將該三軸云臺安裝于三軸搖擺臺上，分別按照2 °、2 Hz和5 °、1 Hz正弦激勵用搖擺臺模擬載體擾動，對設(shè)備進(jìn)行實(shí)際性能測試，驗(yàn)證上述控制算法的實(shí)際應(yīng)用效果。圖8為上位機(jī)顯示的搖擺臺在2 °、2 Hz時擾動曲線和三軸增穩(wěn)云臺穩(wěn)定效果測試曲線；圖9為上位機(jī)顯示的搖擺臺在5 °、1 Hz時擾動曲線和三軸云臺效果測試曲線。

由搖擺臺實(shí)際測試曲線可以看出，當(dāng)系統(tǒng)給定2 °、2 Hz正弦激勵時，方位軸穩(wěn)定精度為0.02 °、橫滾軸穩(wěn)定精度為0.04 °、俯仰軸穩(wěn)定精度為0.01 °；當(dāng)系統(tǒng)給定5 °、1 Hz正弦激勵時，方位軸穩(wěn)定精度為0.02 °、橫滾軸穩(wěn)定精度為0.02 °、俯仰軸穩(wěn)定精度為0.01 °。該穩(wěn)定精度與仿真結(jié)果基本一致，說明該陀螺穩(wěn)定控制算法設(shè)計(jì)有效，超過了任務(wù)書中測角精度≤0.05°和穩(wěn)定精度≤2 mrad(RMS)的技術(shù)要求。

圖5 三軸激光云臺組成框圖

圖6 三軸增穩(wěn)云臺結(jié)構(gòu)組成框圖

圖7 基于無人機(jī)平臺的激光清障控制系統(tǒng)

圖8 系統(tǒng)給定2 °、2 Hz穩(wěn)定精度測試曲線圖

圖9 搖擺臺5 °、1 Hz穩(wěn)定精度測試曲線圖

5 結(jié)論

為了確保輸電線路的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，提出一種基于多旋翼無人機(jī)的機(jī)載激光清障一體化平臺，利用多旋翼無人機(jī)搭載配有定制云臺的激光清障系統(tǒng)執(zhí)行架空線路清除異物的任務(wù)，通過大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來看，在鎖定目標(biāo)后5 s左右的時間，實(shí)現(xiàn)了在不斷電的情況下將異物清除，保障了線路及人身的安全隱患。