多旋翼无人机多功能起降辅助平台的研制

高 伟，刘洪伟，王 伟，常志伟，李 洲

（国网山东省电力公司检修公司，山东 济南 250118）

0 引言

近年来，国内外电力企业逐步推广普及无人机在输电线路巡视中的应用，无人机巡视相对人工巡视具有不受地形环境条件限制、巡视效率高等优势。同时可搭载照相机等任务设备，使用无人机巡视线路可以从输电线路的上空拍摄清晰的照片，具有对运行输电线路隐患精准发现的能力［1］。

在无人机巡视过程中由于不同原因会出现各类故障，这在一定程度上影响了无人机巡检工作。通过对故障类型调查，发现常见故障为螺旋桨断裂、拍照模糊、电机短路、机舵失灵和机架变形等。电机、机舵、螺旋桨是无人机的重要部件，一旦发现有损坏或裂痕，必须立即进行维修更换［2］，而维修费用增添了输电线路运维成本。

为妥善解决此类问题，本文从多个角度查找原因，确定故障主要因素，根据故障因素设计无人机起降辅助平台，取得良好的效果。

1 旋翼无人机故障原因

1.1 人员、设备对无人机巡检的影响

对不同型号无人机巡检过程中的故障情况进行统计，发现不同型号无人机故障率变化不大；对无人机操控手技术水平进行分析，发现无人机操控手均已达到合格水平，因此不同操控手对无人机故障率影响不大。

1.2 环境条件对无人机巡检的影响

无人机起降点地面倾斜度大，导致无人机在起降过程中难以保持平衡，引起无人机故障。使用倾斜度可调的平板模拟不同程度倾斜地面，在不同倾斜程度条件下分别进行多次起降试验，通过统计试验数据，得出地面倾斜度与无人机故障率的关系：无人机起降点地面倾斜度越大无人机故障率越高。

无人机巡检作业起降点存在沙石、树枝等障碍物，无人机在起降过程中碰撞障碍物，引起无人机螺旋桨损坏。在整洁地面上铺设沙石模拟有障碍物地面，操控无人机分别在整洁地面与有障碍物地面上进行多次起降试验，通过检查螺旋桨损伤情况，发现在障碍地面起降时无人机螺旋桨损坏次数是在清洁地面起降损坏次数的数倍，可以确定，障碍物是引发旋翼无人机故障的重要因素。

无人机巡检作业起降点存在大量灰尘，而无人机机载照相机安装于无人机机架下部，无人机起降过程中，地面效应引起大量沙石和扬尘。若相机防护性差，导致扬尘颗粒进入相机，进而引起相机设备内部元件故障和镜头积灰，导致拍照模糊，无法辨识线路缺陷。小组成员选择一处扬尘较大的地点现场应用多旋翼无人机起降多次，对相机进灰情况进行现场验证，相机设备均有进灰尘现场发生。相机进入灰尘后，对与其距离5 m处的销钉，进行多次拍照，发现所拍摄的照片均难以辨识。通过对比试验，可以确定现场灰尘大也是造成无人机机载相机故障、影响无人机巡检工作质量的重要因素。

2 旋翼无人机起降辅助平台设计

2.1 整体构思

地面倾斜度大、地表障碍物多、地面大量灰尘是造成无人机故障的主要原因。要消除地面倾斜度大对无人机的影响，可以选择通过平台起降或是选择平坦的地面起降，考虑到输电线路多处于郊外或山区，难以就近选择合适的起降点，现有无人机技术无法使无人机保持长时间飞行，因此设计无人机起降平台是解决问题的最佳方案。要消除地表障碍对无人机起降的影响，可以清扫地表障碍物或是设计制作高于地表障碍物的无人机起降辅助支架，考虑到工作现场地形复杂，清扫工作费时费力且难以达到理想效果，因此选择设计制作高于地表障碍物的无人机起降辅助支架。要消除地面灰尘对无人机机载相机的影响，可以选择防尘性好的相机、相机保护罩或是加装防尘隔离板，考虑到成本与机载相机灵活性问题，选择加装防尘隔离板。

2.2 无人机起降/防尘平板

2.2.1 平板尺寸与合页设计

现有2种型号的无人机机架横撑长度分别为 50 cm和60 cm。考虑到无人机起降活动裕度和轻便性，选择制作长宽均为80 cm的平板作为起降辅助平台，厚度不大于0.5 cm。为起到良好的防尘效果，选择长宽均为90 cm的平板作为防尘隔板。为起到更好的效果，将防尘隔板与起降平台有机结合，进行优化设计，制作长宽均为90 cm的平板，起到起降平台与防尘隔板作用。

为便于携带和运输，将平板分解为2块长为90 cm、宽为45 cm的平板，其中间用合页进行连接。合页作为平板的承重部件，需要足够的承载力。合页采用不易生锈、不易氧化、抗腐蚀性强的不锈钢材料，厚度为3 mm，采用全钢滚珠轴承，保证合页开合顺畅，采用加粗配套不锈钢螺丝，保证合页坚固性。为保证合页安装后两块平板不发生冲突或是产生较大缝隙，平板采用两片页板相对称的合页，并选用与合页匹配的螺钉与紧固件［3］。

2.2.2 平板材料选择

无人机起降平板的材料有3种选择：木质材料、碳纤维材料、亚克力材料。亚克力材料是一类人工制造的热塑性有机合成材料，拥有优秀的综合性能，在现代工艺品、建材等行业应用广泛，同样适用于无人机起降平台的设计［4］。 亚克力平板密度为 1.18 g／cm3，质量轻、携带轻便，便于使用后清洁与保养，绿色环保，拥有良好的耐磨性、耐热性、耐腐蚀性，且易于加工制作，价格低廉，可减少生产成本，作为无人机起降平板材料选择［5］。使用亚克力材料制作的可折叠平板如图1所示。

图1 亚克力材料可折叠平板

木质平板密度为0.8 g／cm3，易于加工、便于携带且价格低廉，其易吸水变形，维护与保养不便，不作为无人机起降平板材料选择。碳纤维材料密度可达2.0 g／cm3，是一种碳质量分数在95%以上的高强度、高模量新型纤维材料，质量轻强度高，耐腐蚀性、高模量，兼备纺织纤维的柔软可加工性，但由于价格过高，考虑到线路运维工作成本，不作为无人机起降平板材料选择。

2.3 起降辅助支架

2.3.1 起降辅助支架尺寸设计

制作框架式起降支架，通过升高无人机起降高度，避免起降过程中螺旋桨误碰地表障碍物。将无人机起降支架设计为带有4个支撑腿的框架，为便于携带和运输，框架设计为中间对折式，长为80 cm，宽为40 cm，高为5 cm，满足2种型号的无人机机架横撑长度分别为50 cm和60 cm的要求。起降支架的4个支撑腿腿可自由伸缩，可调式调节高度范围为45～150 cm。起降支架设计尺寸如图2所示。

图2 起降辅助支架

2.3.2 起降辅助支架材料选择

支架材料主要有3种选择：铝合金、碳素钢与不锈钢。铝合金材料密度在2.58～2.90 g／cm3之间，强度高，具有一定抗腐蚀性能、良好机械性能及阳极反应。因其制作工艺要求较高，不易加工，不做为辅助支架材料选择。碳素钢材料具有冶炼容易，工艺性好，价格便宜，产量大等优点。因其密度为7.85 g／cm3，质量重，且耐腐蚀性差，易锈蚀，不做为辅助支架材料选择。

不锈钢具有表面装饰美观、耐腐蚀性优越、受环境的制约较少、耐氧化性和耐热性较好等优点。不锈钢的表面在受到外来物体的损伤后，氧化膜会被破坏，但是不锈钢材料会在几分钟至数小时以内在损伤的表面上形成新的氧化膜，所以不锈钢材料在使用过程中能持续产生防腐效果。不锈钢韧性、强度和塑性高，易加工，价格偏高但在可以承受的范围内，作为辅助支架的材料选择。使用不锈钢材料制作的辅助支架如图3所示。

图3 起降辅助支架整体图

2.4 起降辅助平台

将起降／防尘平板和辅助支架有机整合，并将现有的折叠式平板增加一定面积，实现防尘功能。平台部分可供无人机进行起降，同时起到隔离扬尘的作用；支撑部分选取无人机起降机架，通过高度的自由调节对地面障碍物进行躲避，确保提供平稳安全的起降平面。将折叠式平板和无人机起降支架结合成无人机起降平台。

将无人机起降辅助平台在500 kV线路实训基地进行无人机巡检模拟实验。经20次起降，地面倾斜度大于10°时平台性能平稳，能够避开地表障碍物，未出现螺旋桨断裂情况。现场拍摄800张照片，清晰度100%。无人机起降平台符合Q／GDW 11399—2015《架空输电线路无人机巡检作业安全工作规程》作业要求。

图4 起降平台外观结构

图5 起降辅助平台现场试验

3 结语

无人机起降辅助平台的使用有效改善了多旋翼无人机在输电线路巡检中的故障率，制作的起降平台通用性强，适用于目前多种类型旋翼无人机巡检作业的起降工作，大大降低无人机故障率。多旋翼无人机故障率的降低，减少了无人机设备的维护维修时间，提高了输电线路的巡视效率，保障了输电线路的安全运行，为促进社会和谐做了贡献。