高压超高压架空输电线路除冰的无人机系统及其使用方法

摘要

一种高压超高压架空输电线路除冰的无人机系统及其使用方法，无人机系统包括无人机，无人机与除冰装置电磁连接，无人机与操控装置、显示装置电连接；除冰装置分别与双电源装置、振动测量装置、加热装置和集控装置固定连接；双电源装置与振动测量装置、加热装置、集控装置电连接，双电源装置与输电线面接触；振动测量装置与操控装置电连接；加热装置与集控装置电连接，加热装置与输电线面接触；集控装置与操控装置电连接；操控装置与显示装置固定连接、电连接；使用方法是在不影响其正常输电的情况下，通过遥控无人机与除冰装置进行除冰作业，安全性高，操作方便，除冰快捷，不易二次结冰。

说明书

技术领域

本发明属于无人机应用技术领域，具体涉及高压超高压架空输电线路除冰的无人机系统及其使用方法。

背景技术

当冬季遇到下雨，在茫茫的原野中，如果架设在电力铁塔上的高压、超高压输电线的温度低于0℃，则滴落在其上的雨水就会冻结成雨凇，并迅速地包覆住输电线，形成线路覆冰，而在降雪时，输电线上也容易出现积雪。当覆冰积雪产生的挂冰载荷超过一定的极限值，就会因不堪重负而出现输电线拉伸断裂、电力铁塔弯折倾倒等现象，造成大面积的电力中断、电网解列等事故，危及输电安全。

现在常用的输电线除冰方法，包括人工敲打除冰、直流融冰，机器人除冰、机械除冰等。在一般情况下，高压、超高压输电线延伸的距离比较长，在电力铁塔上架设的高度通常在10米以上，有些线路还需要穿行崇山峻岭、跨越大江大河。由于受到地形、地貌、气候和安全等条件的限制，上述除冰方法在工作效率上难以满足大规模除冰任务的需求。直流融冰方法利用焦耳效应产生热能来熔化输电线上的覆冰，需要消耗大量的电能。当输电线上的覆冰较厚且冻结了较长的时间，使用上述方法除冰还常常会出现无法彻底清除，容易二次结冰，甚至出现不能有效除冰的情况。

为了解决现有除冰方法所存在的问题，许多研究者提出了新的方法，并研发出了新的装置。中国专利CN201320537538.7公开了一种输电电线机械振动式除冰装置，利用牵引绳将破冰头拉紧贴合在输电线上，通过遥控振动装置产生瞬间振动，使得输电线上的覆冰破碎跌落，实现除冰。使用这种装置，需要除冰人员攀爬上电力铁塔，将振动机构悬挂在输电线上，当清理完一处覆冰时，还需要除冰人员站在输电线的侧下方，利用牵引绳将振动机构沿着输电线移至新的破冰区域进行作业。操作这种装置，不但劳动强度大、工作环境恶劣，而且在移动振动机构的过程中，如果出现覆冰脱落的情况，还会伤及输电线下的除冰人员。中国专利CN201710257895.0公开了一种对高空电缆除冰除积雪的无人机，在其作业平台上分别固定有伸缩杆和可调遥控杆，伸缩杆伸出时可将连接在其一端的除雪臂放置在覆有冰雪的输电线上，然后操控无人机前后运动，结合连接在可调遥控杆一端的风扇，进行除冰作业。这种控制无人机沿着与输电线平行的方向往复运动，实现铲雪臂除冰功能的方法，操控过程较为复杂，在除雪过程中，无人机通过伸缩杆、除雪臂与输电线物理接触，不但会给输电线表面造成一定的机械损伤，还会干扰无人机的飞行状态。而无论是利用铲雪臂，还是风扇除冰除积雪，其工作效率都有待进一步提高。中国专利CN201520930242.0公开了一种安装有光热装置的除冰无人机，可悬停在电缆线上方的空域，其上安装的强光高热灯泡发射热能，经过反射罩汇聚导向后辐射到除冰作业区域，使得覆盖在电缆线上的冰凌受热熔化后脱落。这种热力除冰方法，要求机载电源能够提供充足的电能，并且需要耗费大量的时间在输电线上逐点逐段地融冰除雪。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种高压超高压架空输电线路除冰的无人机系统及其使用方法，能够对偏远地区复杂环境中架设在电力铁塔上的高压超高压输电线，在不影响其正常输电的情况下，遥控无人机进行除冰作业，安全性高，操作方便，除冰快捷，不易二次结冰。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种高压超高压架空输电线路除冰的无人机系统，包括无人机10、除冰装置20、双电源装置30、振动测量装置40、加热装置50、集控装置60、操控装置70和显示装置80；无人机10与除冰装置20电磁连接，无人机10与操控装置70、显示装置80电连接；除冰装置20分别与双电源装置30、振动测量装置40、加热装置50和集控装置60固定连接；双电源装置30与振动测量装置40、加热装置50、集控装置60电连接，双电源装置30与输电线90面接触；振动测量装置40与操控装置70电连接；加热装置50与集控装置60电连接，加热装置50与输电线90面接触；集控装置60与操控装置70电连接；操控装置70与显示装置80固定连接、电连接。

所述的无人机10包括机架11、飞控装置12、动力装置13、电动云台14、摄像装置15和起吊装置16；飞控装置12、动力装置13、电动云台14和起吊装置16固定连接在机架11上；摄像装置15固定连接在电动云台14上；飞控装置12与动力装置13电连接。

所述的除冰装置20包括除冰基台21、对接机构22、2个振动装置A23、2个振动装置B24和2个配重25；除冰基台21上有多个通风孔211、1个U型卡槽212和2个支脚213，通风孔211用于减小除冰基台21的迎风阻力，U型卡槽212使得除冰装置20跨在输电线90上；2个配重25分置在2个支脚213的底端上，使得骑跨在输电线90上的除冰装置20不易倾覆；对接机构22和2个振动装置B24固定连接在除冰基台21的上端面上；2个振动装置A23分别固定连接在除冰基台21的2个侧面上；2个配重25分别固定连接在2个支脚213的底端。

所述的双电源装置30包括取能装置31和蓄能装置32；取能装置31和蓄能装置32，固定连接在除冰基台21的上端面上；取能装置31和蓄能装置32电连接；取能装置31包括取能铁芯311和耦合线圈312；取能铁芯311为2个半环结构，合拢后卡住输电线90；耦合线圈312绕制在环形的取能铁芯311上。

所述的振动测量装置40包括振动传感器A41、振动传感器B42和数据采集器43；振动传感器A41和振动传感器B42分别与数据采集器43电连接；振动传感器A41固定连接在除冰基台21的侧面上，用于测量输电线90在水平方向上的振幅；振动传感器B42固定连接在除冰基台21的上端面上，用于测量输电线90在垂直方向上的振幅；数据采集器43固定连接在除冰基台21的上端面上；振动传感器A41和振动传感器B42分别将获取的输电线90的振动数据输送给数据采集器43。

所述的加热装置50固定连接在除冰基台21上U型卡槽212的底面上，由石墨烯加热片构成。

所述的操控装置70与飞控装置12、起吊机构16、电动云台14电连接。

所述的显示装置80与摄像装置15电连接；显示装置80有3个显示区，分别用于展示摄像装置15所采集的摄像信息，振动传感器A41和振动传感器B42所采集的输电线90的振幅、振动频率信息，振动装置A23和振动装置B24的振幅、振动频率信息。

所述的输电线90与取能装置31面接触；在使用过程中，取能装置31上的2个半环结构的取能铁芯311卡在输电线90的外围并且闭合在一起。

一种高压超高压架空输电线路除冰的无人机的使用方法，包括以下步骤：

1)利用操控装置70，发送遥控信号给飞控装置12，启动动力装置13，驱动无人机10起飞；

2)利用操控装置70，发送遥控信号启动摄像装置15；启动显示装置80，展示摄像装置15所采集的摄像信息；发送遥控信号控制电动云台14的转动，调控摄像装置15的拍摄角度；

3)利用操控装置70，辅之以在显示装置80上所展示的摄像信息，指挥无人机10飞到除冰装置20的上方；

4)利用操控装置70，发送遥控信号给集控装置60，使得蓄能装置32给除冰装置20上的对接机构22供电，产生电磁力；

5)利用操控装置70，控制无人机10从正上方逐渐接近除冰装置20，使得无人机10上的起吊机构16与除冰装置20上的对接机构22，在电磁力的作用下连接在一起；

6)利用操控装置70，控制无人机10挂载着除冰装置20，飞至包覆着冰雪的输电线90的上方；

7)借助显示装置80所提供的摄像信息，操控无人机10从正上方接近输电线90，最终将除冰装置20以骑跨的形式放置在输电线90上；2个支脚213之间的U型卡槽212，隔着加热装置50，卡住输电线90；

8)利用操控装置70，发送遥控信号给集控装置60，使得蓄能装置32停止给对接机构22供电，电磁力消失，对接机构22与起吊机构16松开；

9)操控无人机10飞离除冰装置20，悬停在输电线90的上空，利用摄像装置监控除冰过程；

10)利用集控装置60启动加热装置50，从储能装置32获取电能，加热融化处于加热装置50与输电线90之间的覆冰积雪，使得处于除冰基台21下方的一段输电线90裸露出来；

11)利用集控装置60发出控制指令，使得2个半环结构的取能铁芯311卡在裸露的输电线90的外围并且闭合在一起；启动取能装置31，利用感应取电原理从输电线90上获取电能，并给除冰装置20、振动测量装置40、加热装置50和集控装置60供电；此时，与取能装置31电连接的储能装置32作为备用电源，并开始进行储能工作；

12)在操控装置70上设定振动装置A23的振幅A_A-c，通过集控装置60启动振动装置A23，按照设定的振幅A_A-c振动；

13)利用振动传感器A41采集输电线90在水平方向的振幅数据，并由数据采集器43输送给显示装置80；

14)利用集控装置60连续调整振动装置A23的振动频率，由0赫兹开始逐渐增大；同时，在显示装置80上观察输电线90在水平方向的振幅数据；当输电线90在水平方向上出现最大振幅时，锁定振动装置A23在此时的振动频率f_A-rf；然后，停止振动装置A23的振动工作；

15)在操控装置上设定振动装置A23的振动频率f_A-rf和振幅A_A-z，通过集控装置60启动振动装置A23，按照设定的振动频率f_A-rf振动；

16)利用集控装置60由0起始逐渐增大振动装置A23的振幅，开始清除输电线90上的覆冰；当振动装置A23的振幅增大至A_A-z后开始维持恒定，并继续持续振动；当输电线90上不再有覆冰脱落时，停止振动装置A23的振动工作；

17)在操控装置70上设定振动装置B24的振幅A_B-c，通过集控装置60启动振动装置B24，按照设定的振幅A_B-c振动；

18)利用振动传感器B42采集输电线90在垂直方向的振幅数据，并由数据采集器43输送给显示装置80；

19)利用集控装置60连续调整振动装置B24的振动频率，由0赫兹开始逐渐增大；同时，在显示装置80上观察输电线90在垂直方向的振幅数据；当输电线90在垂直方向上出现最大振幅时，锁定振动装置B24在此时的振动频率f_B-rf；然后，停止振动装置B24的振动工作；

20)在操控装置上设定振动装置B24的振动频率f_B-rf和振幅A_B-z，通过集控装置60启动振动装置B24，按照设定的振动频率f_B-rf振动；

21)利用集控装置60由0起始逐渐增大振动装置B24的振幅，开始清除输电线90上残余下来的覆冰；当振动装置B24的振幅增大至A_B-z后开始维持恒定，并继续持续振动；当输电线90上不再有覆冰脱落时，停止振动装置B24的振动工作；

22)利用集控装置60发出控制指令，打开抱合在输电线90上的2个取能铁芯311并收回，结束取能装置31的取电工作；

23)控制悬停在除冰上空的无人机10，飞到除冰装置20的正上方；

24)利用操控装置70，发送遥控信号给集控装置60，使得蓄能装置32给除冰装置20上的对接机构22供电，产生电磁力；

25)利用操控装置70，控制无人机10从正上方逐渐接近除冰装置20，使得无人机10上的起吊机构16与除冰装置20上的对接机构22，在电磁力的作用下连接在一起；

26)利用操控装置70，控制无人机10挂载着除冰装置20，飞回无人机10执行除冰飞行任务的始发地。

27)高压超高压输电线路除冰任务结束。

本发明的有益效果是：

本发明利用无人机挂载除冰装置，并将其放置在需要除冰的输电线上，待完成除冰作业后再用无人机收回，整个过程无需作业人员携带除冰工具，在冰天雪地里翻山越岭、穿越河谷，攀爬电力铁塔，能够有效地提高工作效率，改善工作条件，降低工作风险；本发明具有双电源装置，其中的取能装置利用感应取电原理从输电线上获取电能，作为除冰的主要电源，而储能装置除了为无人机挂载除冰装置、消融除冰基台下方一段输电线上的覆冰提供能量之外，主要是作为除冰装置的备用电源，这样可以有效地减轻除冰装置的重量，简化其结构，降低无人机的挂载，并为除冰工作提供可靠、强大的电源；输电线所承受的覆冰载荷是垂直向下的，为了避免除冰时的振动给输电线路及其附属设施施加过大的动载荷，本发明利用振动装置和振动传感器，首先测定输电线在水平方向的振动频率，并利用共振原理除去输电线上的大多数覆冰，然后在新的覆冰状态下测定输电线在垂直方向的振动频率，再利用共振原理除去输电线上的剩余覆冰，以彻底消除覆冰危害；本发明在除冰基台上设置有多个通风孔，可以有效地减小除冰装置的迎风阻力，在除冰基台的支脚上固定有配重，使得骑跨在输电线上的除冰装置不易倾覆。

附图说明

图1为本发明无人机系统的控制框图。

图2为本发明无人机系统中除冰装置20、双电源装置30、振动测量装置40、加热装置50、输电线90的结构主视图。

图3为本发明无人机系统中除冰装置20、双电源装置30、振动测量装置40、加热装置50、输电线90的结构左视图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明，所举实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，一种高压超高压架空输电线路除冰的无人机系统，包括无人机10、除冰装置20、双电源装置30、振动测量装置40、加热装置50、集控装置60、操控装置70和显示装置80；无人机10与除冰装置20电磁连接，无人机10与操控装置70、显示装置80电连接；除冰装置20分别与双电源装置30、振动测量装置40、加热装置50和集控装置60固定连接；双电源装置30与振动测量装置40、加热装置50、集控装置60电连接，双电源装置30与输电线90面接触；振动测量装置40与操控装置70电连接；加热装置50与集控装置60电连接，加热装置50与输电线90面接触；集控装置60与操控装置70电连接；操控装置70与显示装置80固定连接、电连接；

如图1所示，所述的无人机10包括机架11、飞控装置12、动力装置13、电动云台14、摄像装置15和起吊装置16；飞控装置12、动力装置13、电动云台14和起吊装置16固定连接在机架11上；摄像装置15固定连接在电动云台14上；飞控装置12与动力装置13电连接；

如图2、图3所示，所述的除冰装置20包括除冰基台21、对接机构22、2个振动装置A23、2个振动装置B24和2个配重25；除冰基台21上有6个通风孔211、1个U型卡槽212和2个支脚213，通风孔211用于减小除冰基台21的迎风阻力，U型卡槽212使得除冰装置20跨在输电线90上；2个配重25分置在2个支脚213的底端上，使得骑跨在输电线90上的除冰装置20不易倾覆；对接机构22和2个振动装置B24，固定连接在除冰基台21的上端面上；2个振动装置A23分别固定连接在除冰基台21的2个侧面上；2个配重25分别固定连接在2个支脚213的底端；

所述的双电源装置30包括取能装置31和蓄能装置32；取能装置31、蓄能装置32固定连接在除冰基台21的上端面上；取能装置31和蓄能装置32电连接；取能装置31包括取能铁芯311和耦合线圈312；取能铁芯311为2个半环结构，合拢后卡住输电线90；耦合线圈312绕制在环形的取能铁芯311上；

所述的振动测量装置40包括振动传感器A41、振动传感器B42和数据采集器43；振动传感器A41和振动传感器B42分别与数据采集器43电连接；振动传感器A41固定连接在除冰基台21的侧面上，用于测量输电线90在水平方向上的振幅；振动传感器B42固定连接在除冰基台21的上端面上，用于测量输电线90在垂直方向上的振幅；数据采集器43固定连接在除冰基台21的上端面上；振动传感器A41和振动传感器B42分别将获取的输电线90的振动数据输送给数据采集器43；

所述的加热装置50固定连接在除冰基台21上U型卡槽212的底面上，由石墨烯加热片构成；

所述的操控装置70与飞控装置12、起吊机构16、电动云台14电连接；

所述的显示装置80与摄像装置15电连接；显示装置80有3个显示区，分别用于展示摄像装置15所采集的摄像信息，振动传感器A41和振动传感器B42所采集的输电线90的振幅、振动频率信息，振动装置A23和振动装置B24的振幅、振动频率信息；

所述的输电线90与取能装置31面接触；在使用过程中，取能装置31上的2个半环结构的取能铁芯311卡在输电线90的外围并且闭合在一起；

一种高压超高压架空输电线路除冰的无人机的使用方法，包括以下步骤：

1)利用操控装置70，发送遥控信号给飞控装置12，启动动力装置13，驱动无人机10起飞；

2)利用操控装置70，发送遥控信号启动摄像装置15；启动显示装置80，展示摄像装置15所采集的摄像信息；发送遥控信号控制电动云台14的转动，调控摄像装置15的拍摄角度；

3)利用操控装置70，辅之以在显示装置80上所展示的摄像信息，指挥无人机10飞到除冰装置20的上方；

4)利用操控装置70，发送遥控信号给集控装置60，使得蓄能装置32给除冰装置20上的对接机构22供电，产生电磁力；

5)利用操控装置70，控制无人机10从正上方逐渐接近除冰装置20，使得无人机10上的起吊机构16与除冰装置20上的对接机构22，在电磁力的作用下连接在一起；

6)利用操控装置70，控制无人机10挂载着除冰装置20，飞至包覆着冰雪的输电线90的上方；

7)借助显示装置80所提供的摄像信息，操控无人机10从正上方接近输电线90，最终将除冰装置20以骑跨的形式放置在输电线90上；2个支脚213之间的U型卡槽212，隔着加热装置50，卡住输电线90；

8)利用操控装置70，发送遥控信号给集控装置60，使得蓄能装置32停止给对接机构22供电，电磁力消失，对接机构22与起吊机构16松开；

9)操控无人机10飞离除冰装置20，悬停在输电线90的上空，利用摄像装置15监控除冰过程；

10)利用集控装置60启动加热装置50，从储能装置32获取电能，加热融化处于加热装置50与输电线90之间的覆冰积雪，使得处于除冰基台21下方的一段输电线90裸露出来；

11)利用集控装置60发出控制指令，使得2个半环结构的取能铁芯311卡在裸露的输电线90的外围并且可靠地闭合在一起；启动取能装置31，利用感应取电原理从输电线90上获取电能，并给除冰装置20、振动测量装置40、加热装置50和集控装置60供电；此时，与取能装置31电连接的储能装置32作为备用电源，并开始进行储能工作；

12)在操控装置70上设定振动装置A23的振幅A_A-c，通过集控装置60启动振动装置A23，按照设定的振幅A_A-c振动；

13)利用振动传感器A41采集输电线90在水平方向的振幅数据，并由数据采集器43输送给显示装置80；

14)利用集控装置60连续调整振动装置A23的振动频率，由0赫兹开始逐渐增大；同时，在显示装置80上观察输电线90在水平方向的振幅数据；当输电线90在水平方向上出现最大振幅时，锁定振动装置A23在此时的振动频率f_A-rf；然后，停止振动装置A23的振动工作；

15)在操控装置70上设定振动装置A23的振动频率f_A-rf和振幅A_A-z，通过集控装置60启动振动装置A23，按照设定的振动频率f_A-rf振动；

16)利用集控装置60由0起始逐渐增大振动装置A23的振幅，开始清除输电线90上的覆冰；当振动装置A23的振幅增大至A_A-z后开始维持恒定，并继续持续振动；当输电线90上不再有覆冰脱落时，停止振动装置A23的振动工作；

17)在操控装置70上设定振动装置B24的振幅A_B-c，通过集控装置60启动振动装置B24，按照设定的振幅A_B-c振动；

18)利用振动传感器B42采集输电线90在垂直方向的振幅数据，并由数据采集器43输送给显示装置80；

19)利用集控装置60连续调整振动装置B24的振动频率，由0赫兹开始逐渐增大；同时，在显示装置80上观察输电线90在垂直方向的振幅数据；当输电线90在垂直方向上出现最大振幅时，锁定振动装置B24在此时的振动频率f_B-rf；然后，停止振动装置B24的振动工作；

20)在操控装置70上设定振动装置B24的振动频率f_B-rf和振幅A_B-z，通过集控装置60启动振动装置B24，按照设定的振动频率f_B-rf振动；

21)利用集控装置60由0起始逐渐增大振动装置B24的振幅，开始清除输电线90上残余下来的覆冰；当振动装置B24的振幅增大至A_B-z后开始维持恒定，并继续持续振动；当输电线90上不再有覆冰脱落时，停止振动装置B24的振动工作；

22)利用集控装置60发出控制指令，打开抱合在输电线90上的2个取能铁芯311并收回，结束取能装置31的取电工作；

23)控制悬停在除冰上空的无人机10，飞到除冰装置20的正上方；

24)利用操控装置70，发送遥控信号给集控装置60，使得蓄能装置32给除冰装置20上的对接机构22供电，产生电磁力；

25)利用操控装置70，控制无人机10从正上方逐渐接近除冰装置20，使得无人机10上的起吊机构16与除冰装置20上的对接机构22，在电磁力的作用下连接在一起；

26)利用操控装置70，控制无人机10挂载着除冰装置20，飞回无人机10执行除冰飞行任务的始发地。

27)高压超高压输电线路除冰任务结束。