基于多旋翼无人机的系留照明系统研究

引言

输电线路很多位于巍峨高山之上,而沿海地区的线路多受台风袭击,每年都会造成电网大面积受损,严重如2017年的台风"天鸽""帕卡",被正面袭击的珠三角地区多有倒塔断线的情况发生。为尽快复电,夜晚在深山中施工在所难免,而照明设备是施工过程中必不可少的设备,但是现有的常规应急照明灯使用起来却存在诸多不便。

常规传统的应急照明灯体型庞大、沉重,不利于在险峻的山路上运输:而且常规传统的应急照明灯是一道直光从下往上直射到某个固定的角度,由于只能在某个角度照射,对施工人员的眼睛造成了极大的刺激干扰,而背光的施工人员则光照不足,稍有不慎容易引发安全事故。除此以外,市场上现有的照明无人机续航时间短,且光照强度衰弱快,对于夜间抢修施工的实际效果并不大。电力行业目前迫切需要一种新型照明系统来弥补这一技术的缺陷。

#基于多旋翼无人机的系留照明系统总体设计

基于多旋翼无人机的系留照明系统包括空中照明系统和地面供电系统。空中照明系统由模块快插挂架、照射跟踪自动调节系统、大功率LED探照灯组成。高清摄像头安装在模块快插挂件上,LED探照灯组安装在照射跟踪自动调节系统上,装置搭载在多旋翼无人机上[1]:地面供电系统为地面端电源(输入AC220V,输出DC400V）,地面端电源通过一条细长的高性能系留复合光纤电缆(100m）传输到天空端电源(输入DC400V,输出DC48V）,持续为多旋翼无人机及系留照明系统供电。

基于多旋翼无人机的系留照明系统模型整体结构如图1所示。

图1基于多旋翼无人机的系留照明系统整体结构图

1基于多旋翼无人机的系留照明系统的空中照明系统

基于多旋翼无人机的系留照明系统空中照明系统由模块快插挂架、照射跟踪自动调节系统和大功率LED探照灯组成。

模块快插挂架采用计算机三维建模和熔融堆叠立体打印技术制作,用于挂载高清摄像头。熔融堆叠立体打印技术是一种增材制造技术,是软件数学分层的定位模型构建,通过加热层挤出热塑性纤维,适用于几乎任何形状和尺寸的复杂几何建筑耐用部件。通过此技术打印出来的构件具有卓越的热稳定性和耐化学性,并有良好的强度重量比,保证了空中照明系统的模块快插挂架的刚度。

照射跟踪自动调节系统依靠智能跟随、距离识别技术,可跟随目标自动调节光照亮度和角度,在应急抢修复电、抢险救灾等应急情况下,通过高清拍摄头配合,可及时将现场影像传回地面指挥中心,解决特殊环境下的光照(角度、亮度等）问题。

大功率LED探照灯包括透明片、前罩、挂夹、LED灯以及后壳,LED灯安装在后壳上,前罩盖在后壳上,前罩上设置供LED灯照射的通孔,透明片安装在通孔上,挂夹与前罩连接,在使用时,可以利用挂夹搭载在多旋翼无人机上,方便LED灯照射,具体如图2所示。其中,透明片上设置有凹凸不平的纹路,前罩以及后壳上均设置有散热槽,可以为LED灯散热,而凹凸不平的纹路可以使光照更加均匀分散,更好地进行照明。

图2大功率3LE探照灯

大功率LED探照灯与系留复合光纤电缆之间还设置有机载降压器,如图3所示,机载降压器分别与照明灯具以及系留电缆连接,机载降压器上还设置有供电接口,机载降压器不仅可以为大功率LED探照灯提供发光的电能,还可以通过供电接口为多旋翼无人机进行供电,提高多旋翼无人机的续航时间。同时,机载降压器上设置有散热孔,增加其散热效果。

2基于多旋翼无人机的系留照明系统的地面供电系统

基于多旋翼无人机的系留照明系统的地面供电系统由发电设备、变压电源以及系留复合光纤电缆组成。变压电源与发电设备连接,系留复合光纤电缆与变压电源连接,大功率LED探照灯与系留复合光纤电缆连接。发电设备为家用220V电源或柴油发电机,能够很好地提供电能,也可以根据照明地点的需求适当选择。

变压电源将发电设备的交流电压转变为400V直流电,通过系留复合光纤电缆将电能输送至大功率LED探照灯上,便能实现照射效果,体积不大,运输方便直接,变压电源为大功率LED探照灯和多旋翼无人机提供了源源不断的电力,保障了照明的续航时间,能够更好地满足长时间施工的需求。

地面变压电源采用PWM技术,交流输入首先经过输入滤波电路（输入滤波器）,再通过整流电路变换为直流,经过输入缓冲电路（抑制电压、电流浪涌电路）进入功率逆变电路,在此环节中加有输入过压、欠压保护等电路,当交流输入超出或低于额定输入范围时或输入缺相时,则会关断功率逆变电路进行保护。

主控制电路通过采集输入电压、电流信号来调节逆变电路开关管工作状态,输出稳定的直流电压:接收保护电路、电压调节信号和恒流设定信号,实现对电源的保护及设定,输出采集的输出电压、电流值和电源工作状态信号提供给面板表头和状态指示灯进行显示。

系留复合光纤电缆的导线材质为铝合金材料,重量轻,而且供电稳定性高。除了传输动力电源之外,还设计有光纤,以传输平台载电子设备的光电信号。平台载电子设备为减少升空设备的重量,将天线、发射机之外的设备放在地面,而通过系留复合光纤电缆保障平台与地面设备之间电子信号的连接,这样可节省出平台升力,增加升空高度,提高升空增益。

4基于多旋翼无人机的系留照明系统使用步骤

4.1操作步骤

（1）地面电源与天空端断开连接,地面电源输入端连接220V交流电源,确保连接牢固后拨动空气开关,地面电源上电:

（2）按下地面电源上的开关按钮,测试电源空载输出,通过拧动电压旋钮,调节电压至400V,拧动电流旋钮,将其拧至最大值（空载情况下拧动电流旋钮,示数不会变化）:

（3）按下地面电源上的开关,使其关闭输出,此时接上地面端与天空端的供电对插接口,确保插接牢固:

（4）无人机接上备用电池,观察无人机自检是否顺利完成:

（5）整理线材,检查有无打结和缠绕,避免在飞行过程中拉扯异物造成危险:

（6）按下地面电源上的开关,使其开启输出,可以见到"稳压"指示灯亮起,则系统正常启动:

（7）查看无人机状态,符合起飞条件后起飞。

4.2安全注意事项

（1）使用前需检查所有线材是否破损,所有电气连接处是否连接牢固:

（2）地面端电源接电前确保空气开关已关闭,并且确认输入电源电压为交流220V:

（3）地面端电源空载启动后,若"故障"指示灯亮起,请勿继续使用:

（4）无人机端需连接备用电池,以免地面端电源故障或断线时导致无人机断电坠落,飞行时需关注地面电源示数,应尽量避免长时间满负荷运行（"稳流"指示灯亮起）。

5结语

本文设计研究的基于多旋翼无人机的系留照明系统,颠覆了传统的应急照明方式,不但使得应急照明更加快捷,照明相关设备的运输更加方便直接,而且还能从高空中不同角度照射,克服地面盲照的缺陷:地面的变压电源能及时将发电设备的电压转变至400V高压,采用高压供电方式可减小输送电流,从而减少电源损耗,同时可减小传输导线的截面积,减轻系留电缆的重量。此外,系留电缆采用质量小的铝合金材料,大大减少了无人机载荷,起到连接地面和空中照明灯具的作用,能够延长照明灯具的续航时间,解决常规应急照明灯体型庞大沉重、照射角度固定等技术问题,极大地降低了夜间抢修作业的安全风险,工作效率显著提高,保障了工程进度,从而达到快速复电的目的。