车载多旋翼无人机充电装置＊

李宇琪，杨荣乾，徐丙州

（武汉理工大学 机电工程学院，湖北 武汉 430070）

1 项目背景及研究意义

目前，我国输电线路分布范围广，所处环境较为恶劣，人工巡检线路这种巡线方式的人员工作强度大、工作条件差、工作效率低而且存在人身安全的风险。此外，近些年来小型飞行器技术迅速发展，目前的多旋翼无人机机动灵活、悬停稳定性好且便于操控，正在逐渐取代人工巡检的方式。但是，目前现阶段的多旋翼无人机由于受电池容量的限制，巡航时间一般在15～20 min。尽管目前已经有很多关于巡航线路优化的研究，但无人机的续航时间依旧不够理想。

现有的充电方式有以下两种：①移动设施供电的无线充电板。配备受电装置的无人机降落到无线充电基座上进行充电，优点是定位较为简单，降落容易；缺点是充电效率低、充电时间长、供电装置受工作环境的限制。②太阳能供电的无线充电装置。这种装置与上一种相比，受环境、天气的限制更加明显。

多旋翼无人机由于其灵活性和稳定性，所获取图像的精度较高，因此可以对线路进行精细检查。但其结构也决定了它的电池系统不能太大，因此续航时间受到了很大限制，每次只能巡检一两个塔，巡检效率不尽人意。基于以上现状，设计了一个可固定于车顶的充电装置，以期增加无人机的飞行时间，提高其工作效率。

2 项目的创新之处

项目的创新之处主要有：①将装置的安装位置设置在汽车的顶部，电力获取方便，灵活性强。在汽车赶往下一塔杆区域时，无人机可以停留在车顶进行充电，高效利用时间。②采用传统的接触式充电方式，充电时间短、效率高。发热量小，安全性和稳定性较高，同时也减少了无线充电对输电线路所造成的电磁影响。③采用“杆-锥”式对接装置结构，解决无人机充电时的定位问题，使充电过程更加快捷方便。④锁紧齿采用上下触碰开关的方式，使无人机插入孔内时锁紧；向上飞行离开时收缩，使无人机顺利离开。⑤底盘处安装有永磁铁，进一步固定无人机，同时也对无人机的稳定降落起辅助作用。

3 项目的研究内容和研究目标

本项目以应用创新、结构创新和功能创新为切入点，根据现有的无人机充电设备无法达到高效快速准确充电的问题，利用“杆-锥”对接装置来实现扩大对接范围、降低对接难度的效果。本项目主要包括机械结构部分、电路控制部分，机械结构部分主要有连接于无人机底部的杆状充电插头、连于车顶上的充电桩、充电桩内的自动开关解锁装置；电路控制部分主要包括上下两部分接触位置的充电模块。

装置作为一个整体，要使整体能正常工作需要合理的结构将它们结合起来。项目的具体设计内容如下：①设计合理的云台结构，保证无人机下落充电时摄像设备不会与充电桩相碰撞。②合理设计充电杆的直径、长度以及材料，在保证良好导电性的同时，其强度能够承受下落时的冲击力。③设计合理的上线两部分的锥面形状，使上充电杆只要落入下锥面就能顺利滑入充电卡槽内。通过实验确定圆形卡槽的尺寸、长度，确保充电时卡紧，防止风力将充电杆破坏。④合理设置电力来源，与汽车线路准确连接，保证其安全性。⑤对自锁齿进行设计，实现无人机下落时将充电杆锁紧；离开时充电杆向上顶，出发自锁齿收缩，使无人机顺利离开。

4 项目研究的实施方案及拟采取研究方法和技术路线

该项目主要是解决无人机在长距离巡检线路时的续航问题，而解决续航问题的方法是当无人机的电量使用至少达30%以上时再进行充电。

由此项目背景中现有的充电方式可以知道，目前的无人机充电方式主要存在以下几个问题：①受工作环境的影响较大。②连接式充电的无人机与充电装置之间连接不太准确。③无线充电的充电效率低、成本高，且由于高压输电线周围磁场较强，会对无线充电器产生一定的影响。

因此，多旋翼巡线无人机的充电相对而言还是连接式充电占更大优势，因此，如何实现其准确定位便成了亟待解决的问题。本装置采用“杆-锥”式连接装置，这种连接方式可以降低飞行器的定位精度，扩大降落范围，保证无人机的充电杆只要落到充电桩的锥面上，便能依靠装置的巧妙结构滑入充电卡槽中。此外，在底板下方布置永磁铁，将无人机紧紧吸附在底盘上，防止无人机移动。装置的主要结构主要有以下几点。

4.1 上半杆部分

本作品的充电杆位于无人机云台下端、摄像装备的后部，这样可以避免阻碍摄像头的视线，同时也防止无人机下落充电时摄像设备与充电桩之间发生碰撞。充电装置的上半部分整体为杆状，杆的末端为圆台形，圆锥面以及圆台表面上有薄铜片。当充电杆进入卡槽后，由于重力的作用，两部分的铜片相互接触，进行充电。杆末端的圆锥面以及拐角处的圆角能够帮助杆端与充电座的圆锥面接触后，无人机借助下落的冲击力顺利滑入卡槽中。此外，装置除圆锥端以外的部分应用绝缘材料进行包裹，以保证其安全性与耐用性，防止漏电。除此之外，杆的中部还设计有自动扶正防抖的机械装置，该装置整体为环形，固连于杆的中部，装置周围有小滑轮，保证杆能够顺利向下滑落。小滑轮通过一根可以转动的小杆连接于充电杆上，小杆有弹簧与充电杆连接，使之能起到缓冲、稳定充电杆的作用。

4.2 下半底座部分

下半部分整体呈柱状，固连于汽车顶部上，有电线从汽车电源引出，经变压整流等一系列处理后到达充电末端，该部分的整体性质相当于插座。底盘部分使用螺栓与车顶相连接，底盘内部有永磁铁，使无人机停放在装置上时更加稳定，同时也有利于无人机降落时的定位。充电桩顶部为充电部分，顶端有一圆锥面，圆锥面的底部为充电卡槽，当充电杆落入其内部后，充电开始。

圆柱形卡槽与圆锥面的相交处有自锁齿，其具体结构如下：在圆锥面的收口处有4个自锁装置，4个齿状顶块后有小弹簧，当带锥面的杆端落下时会推动顶块挤压弹簧，顶块向后移动，充电杆向下落入充电卡槽内。当充电杆完全进入开槽内部后，弹簧推动顶块向前移动，实现自锁。除此之外，充电桩中部以及底部为中空设计，输电线从中穿过。而中部以及底部的外壁由绝缘材质组成，提高充电装置的安全系数。本装置拥有较强的灵活性，长时间不用时可以拆下，短时间不用时可以使用防水布遮住。

4.3 电力来源

本装置的电力来源于汽车，由于装置的位置位于车顶，因此要合理设计线路的布局，尽量在汽车原有线路上进行改接，使之合理、美观、安全。目前汽车外接电源等技术已较为成熟，本装置需做出电源接口。

5 项目的研究基础和可行性分析

5.1 效益分析

根据直升机厂家数据，以目前我国国内机型数量最多的R22小型直升机为例，每小时的直接飞行成本约为329.87元。多旋翼无人机巡检一个塔杆约耗时5～8 min，成本约为5.28元。因此，以每巡检一个塔杆为例，多旋翼无人机约节省成本329.87元。

5.2 可行性分析

现有的多旋翼无人机结构决定了其飞行时间不会太长，因此在其飞行路线上进行充电是解决其续航能力的较为有效、安全的方法。通过车顶上的充电装置对无人机进行充电，增加其巡检距离，在汽车在各个塔杆之间转移的时侯对无人机进行充电，节约下来的时间可用到线路维护上，线路安全也将得到提高。

现有的用于巡检电力线路的多旋翼无人机在充满电的情况下可以工作10～15 min，对于档距为200多米的廊道，采用多旋翼无人机只需要5～8 min即可完成巡检。而人工巡检则需要花费40～60 min，且人工巡检如果要检测塔杆上的具体情况，需要爬上高高的塔杆，还要受高压电的威胁。因此，用无人机一次巡检多个塔杆可以大大提高工人的巡线效率，同时也保证了工人的人身安全，减少了体力劳动。