光缆用驱鸟装置的设计

杨可林，马佰超，陈聪

（国网山东省电力公司菏泽供电公司，山东菏泽，274000）

1 总体方案设计

本设计分为机械部分、硬件部分、软件部分，其中机械部分包括动力输入部分、动力输出部分，硬件部分包括有线外设部分、无线外设部分。

（1）有线外设部分包括太阳能电池板输入、电源转化模块、光电开关输入、电磁离合器的控制、蓝光输出、蜂鸣器输出。无线外设部分采用4G模块上传至服务器，实时监测鸟类聚集的情况，方便后期工作人员的调查和维护。

（2）动力输入部分将风能通过齿轮传动、带传动、电磁离合器、棘轮机构将能量存储到发条中，动力输出部分将发条的能量输出到驱输出轴上，因此该工作环境决定了工作载荷较小，精度要求较低。由此提出可选方案，如表1所示。

表1 动力输入可选方案

（3）储能装置方案中，发条储能是指将发条压缩在一定空间内之后后就可以利用其弹力逐渐松开时产生动力，内部结构就是大小比齿轮和钢片组成的个机械室。这种方式占用空间小，不会产生噪声；而飞轮储能系统则是一种机电能量转换的储能装置，突破了化学电池的局限，用物理方法实现储能。在储能时，电能通过电力转换器变换后驱动电机运行，电机带动飞轮加速转动，飞轮以动能的形式把能量储存起来，完成电能到机械能转换的储存能量过程，能量储存在高速旋转的飞轮体中；之后，电机维持一个恒定的转速，直到接收到一个能量释放的控制信号；释能时，高速旋转的飞轮拖动电机发电，经电力转换器输出适用于负载的电流与电压，完成机械能到电能转换的释放能量过程。整个飞轮储能系统实现了电能的输入、储存和输出过程。虽然存储能量强，但是占用空间大，且需要电机驱动，对于本设计来说，储能机构并不需要连续的储存能量，且传动机构占地空间较小，故本设计选用发条储能。

（4）传动装置方案中，平带属于摩擦型带传动，因此承载能力相对较低，容易引起打滑现象，传动效率低于同步带，传动精度相对较低，故传动比不精确；同步带属于啮合型带传动，传动比稳定，承载能力较高，在垂直和倾斜的传动中也能较好工作。考虑到本设计的工作载荷较小的工作环境，需要垂直传递能量，且需要准确的传动比，因此选择同步带作为输送带型。

（5）能量来源方案中，电机需要稳定的电力供应，且自身的重量与体积较大；另一方面，自然能源源于大自然，合理利用可以减少环境的污染，并且采集所需的装置占用空间小，结构众多，可以选择合适自身的结构设计。因为本产品需要架设在高空中，对于风能和太阳能的利用率相对较多，所以可以采用采集风能和太阳能的方式做能量来源。

2 机械部分

2.1 动力装置的设计

动力装置主要由齿轮传动部分，同步带传动部分，棘轮装置，发条蓄能部分，风车驱鸟器分五个部分组成。

通过风驱使着风车驱鸟器的转动，使得风能经过风车驱鸟器的转换变成能量通过其连接着的轴传入齿轮系内，并且经过齿轮传动以及同步带传动，传入发条装置中，经过不断的蓄能使得发条超过了限定的力矩时，电磁离合器此时断开，棘轮装置卡住，此时发条结束蓄能。此时风车驱鸟器的能量输入轴由于联轴器断开使得风车驱鸟器可以继续自由转动，驱赶鸟类，等到有鸟类降落时，电磁离合器吸合，发条输出能量带动转动架转动从而实现对鸟类的驱赶。

动力装置的整体结构如图1所示。

图1 动力装置整体结构图

2.2 旋转架的设计

转动架的一端连接在动力装置的输出轴上，另一端通过轴承固定在右侧机架。旋转架上通过轴承固定有三个可旋转的轴，当有鸟类站上去的时候，中间的主轴会因为重力而旋转。此时，电磁离合器吸合，发条逐渐释放动能，使得主轴进行旋转，从而达到驱赶鸟类的效果。

2.3 风车驱鸟器的设计

风车驱鸟器是由三个带有勺状捕风碗的机构组成，勺子的内部涂有反光材料，可以通过反射太阳光来达到驱鸟目的。并且风车驱鸟器下方通过联轴器链接下面的动力输入机构，风车驱鸟器可以利用风能给发条提供能量。

图2 风车驱鸟器

2.4 机械结构的装配

将上述装置以及装料箱进行装配，画出驱鸟装置三维图，如图 3所示。

图3 驱鸟装置轴侧图

2.5 工作原理

自然风推动风力采集杆1做单向转动，进而带动第一传动轴2与第二传动轴4实现单向转动，进而带动第一锥齿轮6实现单向转动，从而使得第二锥齿7轮实现单向转动，进而使得第一齿轮8实现单向转动，进而带动第二齿轮实现单向转动，同时带动第四传动轴上的棘轮做回转运动，同时棘爪与棘轮配合，从而保证运动的单向性。第四传动轴的左侧固定连接第一电磁离合器的右孔，第一电磁离合器的左孔与第五传动轴15进行固定连接，当第一电磁离合器14处于闭合状态时，使得两个轴处于连轴状态，会将第四传动轴11的动力传输到第五传动轴15，当第一电磁离合14器处于断开状态时，两轴的回转运动相互不会影响，若第五传动轴15做单向转动，则会带动第一同步带轮16做单向转动，进而通过同步带将动力输送给第二同步带轮18，进而带动第六传动轴17做单向转动，同时使得发条19实现卷曲运动，从而达到储能的目的，第六传动轴17的右侧与第二电磁离合器20的左孔进行固定连接，同时第二电磁离合器20的右孔与第七传动轴进行固定连接，当第二电磁离合器20处于闭合状态时，使得两个轴处于连轴状态，会将第六传动轴的动力传输到第七传动轴，当第二电磁离合器处于断开状态时，两轴的回转运动相互不会影响，若第七传动轴做单向转动，则会带动第四同步带轮进行单向转动，从而带动第三锥齿轮25实现单向转动，进而与第四锥齿轮26实现啮合传动，进而带动第五同步带轮27实现单向转动，从而通过同步带将动力传输到第十传动轴30。从而带动支撑板31、光轴32做单向转动。

图4 整体示意图

使用时，若没有飞鸟落到光轴32上方，则光电开关36处于等待状态，此时使得第一电磁离合器14闭合，实现将风能存储到发条19中，同时使得第二电磁离合器20处于断开状态，且蓝光发射孔37处的蓝光处于熄灭状态。

图5 传动系统结构图及A的局部放大图

若有飞鸟落到光轴32上方，则光电开关36处于触发状态，此时先后控制第二电磁离合器20闭合、第一电磁离合器14断开，实现将发条19内部的能量间接传输给第十传动轴33，同时蓝光发射孔37处的蓝光处

图6 夹紧装置及运动输出装置示意图

3 硬件部分

3.1 鸟类检测功能

在机架一侧安装光电传感器，当机器在运行过程中，光电检测到有物体经过时，此时蜂鸣器发声，以做出提示，并且电磁离合器吸合，发条通过机械机构释放能量使得转动架转动。并且通过机载4G模块传输到服务器中，方便工作人员对数据进行分析，制定合适方案。

光电传感器型号选择 E3Z-D61，其额定电压为12V，图7为光电传感器产品实物图。

图7 光电传感器

3.2 太阳能发电板选型

根据实际电量需求以及蓄电池充电时的电量损耗，故选择扬州东宇太阳能科技有限公司的12V光伏发电板。具体参数如表2所示。

表2 太阳能板参数

3.3 电池选型

考虑到户外环境对太阳能的影响，以及在连续雷雨天气下可能会出现太阳能板供电不足对系统正常运行的影响，故选择VOLTA蓄电池，型号为VT1204，其浮充使用电压为13.6V—13.8V；循环使用电压为14.7—15.0V。初始电流1.2A。

3.4 无线传输模块的选型

考虑到缩短开发周期、节约研发成本，方便评估测试，采用了E200S4G通信模块，引出通信引脚，可直接与MCU通信，方便开发。

该模块QUECTEL 4G通信模组，其抗干扰性强，稳定性强，符合实际使用需求。其电路图如图8所示。

图8 EC20模块

3.5 主控芯片选型

本文采用的STM32F103C8T6作为主控,工作电压范围2V-3.6V,64KbEEPRO存储空间，三路串口，可掉电唤醒，集成高精度R/C时钟，基于ARM Cortex-M内核，工作温度范围广，使用功耗低。满足实际使用需求。其IO口分配如图9所示。

图9 IO口分配

3.6 整体电路及注意事项

（1）电源部分

4G模组为5v供电，且使用功率较大，采用MP2315芯片对12V铅酸蓄电池进行降压来满足使用要求。其效率高，功率大，输出波纹小，符合使用要求，使用LDO来满足MCU的供电要求，电路如图10所示。

图10 电源设计

（2）传感器输入

由于光电传感器的供电电压较高，导致信号线和主控芯片电平不匹配，故通过电阻分压输入单片机。电路如图11所示。

图11 信号处理

（3）电磁离合器控制

电磁离合器为12V感性负载，主控芯片无法直接驱动，采用三极管或电机驱动芯片进行驱动，这里采用双H桥电机驱动芯片TB6612对电磁阀进行驱动，如图12所示。

图12 TB6612电机驱动芯片驱动电磁离合器

图13 LED灯电路

图14 蜂鸣器驱动电路

（4）LED及蜂鸣器控制

通过查理复用的方式来驱动LED，以节约微控制器的IO口资源，原理如图15所示。

图15 印制电路板

MCU同样无法直接驱动蜂鸣器这样的感性负载，这里采用三极管来驱动蜂鸣器。原理图如图16所示。

图16 软件流程图

（5）EDA工具绘制印制电路板

使用Altium Designer等EDA工具绘制印制电路板。

4 软件部分

4.1 软件开发平台

开发平台选用Keil 5，是美国Keil Software公司出品的STM系列兼容单片机C语言软件开发系统,提供了包括C编译器、宏汇编、链接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案,通过一个集成开发环境(μVision)将这些部分组合在一起，功能强大。

4.2 软件流程图

软件流程图如图16所示。