无人直升机电力展放引导绳的展放方法及系统

摘要

本发明是一种无人直升机电力展放引导绳的展放方法及系统，使用无人直升机携带一个放线架，将引导绳的一端缠绕在放线架的放线轮上，另外一端依次从放线架的导线管、炸绳器中穿过，然后引导绳的自由端系上重物；在无人直升机到达指定投放点后，在刹车力的作用下重物下落；当重物下落到达指定位置后。地面站向无人直升机发送继续执行任务航线指令，无人直升机按照事先设定好的航线设置飞行，飞往下一线塔。本发明使用密度大于空气密度的飞行器，抗风能力强，可以满足在复杂环境的安全飞行控制要求。根据作业的要求在合适的空域内进行悬停，无人直升机上带有摄像头可以辅助地面站判断与塔上人员的距离，保证飞行的安全距离。

说明书

技术领域

本发明涉及高压架空输电线路安装技术，尤其是涉及一种使用无人直升机进行高压电缆引导绳的展放方法及系统。

背景技术

在高压架空输电线路安装领域，经常在线塔架设完成后，出现引导绳的展放困难，为顺利展放引导绳通常会在高压输电线经过区域内限制河流航运、停止高压电缆供电、践踏青苗等，这些手段在某种意义上为线路的架设增加了无形的成本。同时在展放引导绳的过程中我们期望引导绳带有张力展放，这样可以避免引导绳因弧垂问题所导致的意外。

与本发明专利相关的现有技术包括：

1)专利公开号为CN 1083979A公开了一种遥控模型直升机放线方法。该项技术的实现方法为利用模型遥控直升机携带引导绳，通过人工遥控模型遥控直升机飞行跨越线塔，从而实现放线操作。该技术方法具有以下优缺点：该技术具有便于展开以及展放环境要求低等优点，但同时该项技术也从某些角度也体现了他的不足，例如，遥控模型直升机的升力很难达到多塔间放线的要求，模型直升机飞行在飞行高度达到达到一定高度以后操作手很难分清遥控模型直升机的姿态，并给出正常的控制指实现其带张力稳定飞行的，同时在飞行过程中，遥控模型直升机由于人的视觉偏差很难按照比较理想的飞行航线飞行，引导绳很难准确的落在线塔的横担上，后续展放困难。

2)现有技术中应用动力伞实施引导绳展放作业。该项技术的实现方法是使用动力伞携带引导绳飞行跨越线塔，实现放线操作。该项技术的优缺点：该项技术具有速度快抗风能力强的优点，但是该项技术的实施具有以下困难，飞行器不能悬停，放线作业中很难与线塔上方工作人员协同配合，以及飞行器对起飞、降落场地要求严格，不适于野外作业，往往因为起降场地的问题是飞行器飞行数公里的航线才能到达放线作业区域。

3)现有技术中也有应用飞艇、热气球等低于大气密度的飞行器进行引导绳放线作业。该项技术是应用飞艇、热气球等低于大气密度的飞行器携带引导绳飞行跨越线塔，实现放线操作。该项技术的优缺点：该项技术对地面情况要求很低。但是存在以下问题：如果使用氢气飞艇则存在易爆炸的危险，不便在已有高压电缆的附近飞行；如果使用氦气飞艇则存在氦气费用高、回收困难、经济不发达地区氦气供应困难等问题；如果使用热气球则存在飞行器携带的气体燃料容易泄漏，易造成飞行过程中燃烧的事故。

以上三种方法同时存在抗风能力差的缺点。

4)现有技术中使用有人直升机引导绳展放。该项技术是利用有人驾驶直升机为载体携带引导绳飞跃线塔实进行放线工作。该项技术的优点在于有人直升机动力强、负载大、可直接展引绳、一次放线距离大、可悬停等优点。但是与此同时由于直升机需要飞行员驾驶，并且在复杂环境下飞行对驾驶员的要求较高；直升机的维护、补给困难；前期准备工作长；工程应用时配合人员、设备多。

5)专利公开号为CN 1080994A公开一种火箭放线器.该项技术是利用火箭携带引导绳实现放线工作.该项技术的优点在于简便快捷.但是，携带引导绳的火箭的路径、落点难以精确计算可能对塔上工作人员或地面人员带来意外伤害等问题.

发明内容

本发明的目的在于提出一种无人直升机电力展放引导绳的展放方法及系统，以无人直升机系统为引导绳的牵引动力，使用迪尼玛绳作为引导绳，通过无人直升机系统的自主飞行模式实现沿线塔中心飞行，同时通过遥控器控制引导绳张力控制器的张力值进行引导绳张力控制，最终实现安全可靠的电力展放引导绳操作。

为了实现本发明的目的，提出一种无人直升机电力展放引导绳展放系统，由机载部分和地面部分组成，所述机载部分包括：无人直升机(24)和引线展放装置；

所述无人直升机(24)具有自动驾驶仪，机载电台和天线，控制无人直升机(24)作程控飞行；

所述引线展放装置包括放线架(27)、放线轮(5)、引导绳(13)、放线张力控制器(1)和炸绳器(6)；

所述地面部分包括：地面站、任务控制器、视频监视器、电源、电台和天线；

其中，所述引线展放装置固定或吊挂在无人直升机的机腹下方，所述引导绳(13)一端绕在所述放线轮(5)上，另外一端依次穿过放线架(27)尾部的导线管(14)和所述炸绳器(6)后系上重物(23)。

所述的放线架(27)由放线轮(5)、中心固定轴(11)和放线架支架(4)组成，所述放线架支架(4)具有U型槽挂点，放线轮(5)放入U型槽中，由中心轴锁紧片(12)锁住放线轮(5)的中心固定轴(11)。

所述的张力控制器(1)包括控制电路和刹车舵机，其中，所述控制电路包括：

AD转换模块，对所采集的数据进行模数转换和数字滤波，去掉数据中掺杂的噪声；

PWM输出模块，产生PWM信号，该PWM信号控制刹车舵机产生刹车力，通过控制PWM波形的占空比调节刹车力的大小；

脉宽捕捉模块、将PWM信号转换为控制系统能够识别的数值信息，并根据这一数值实现张力的给定，使得所述引导绳(13)的拉力值保持在一个合适的范围内；

异步串行通信模块，实现自动驾驶仪与张力控制器(1)之间的数据通信；

所述刹车舵机包括刹车盘(10)、刹车皮(9)和牵引刹车线(8)，所述刹车盘(10)固定安装在放线轮(5)的转轴上，刹车皮(9)安装在放线架支架(4)上，牵引刹车线(8)带动刹车皮(9)运动压紧刹车盘(10)产生刹车力，所述刹车力由PWM脉冲输出模块控制。

所述炸绳器(6)包括炸绳器壳体(25)和斩断器(7)，其中，

所述炸绳器壳体(25)的中心为炸绳器导线孔(16)，两个通孔与炸绳器导线孔(16)相垂直；

所述斩断器(7)包括炸绳器控制线(15)、炸绳器导线孔(16)、火药(17)、斩断器壳体(18)、带孔端头(19)、无孔端头(20)、斩绳刀(21)和点火器(22)；

所述斩断器(7)固定在炸绳器壳体(25)内，炸绳器控制线(15)、点火器(22)、火药(17)和斩绳刀(21)依次安装在炸绳器导线孔(16)和带孔端头(19)之间的垂直通孔内。

所述炸绳器(6)也可以在炸绳器壳体(25)上安装两个斩断器(7)，所述两个斩断器(7)的安装方式为单侧安装和两侧安装，所述单侧安装是指炸绳器控制线(15)的指向方向在炸绳器(6)的一侧；所述两侧安装是指炸绳器控制线(15)的指向方向在炸绳器(6)的不同的两侧。

所述无人直升机(24)还包括一个视频辅助系统，由安装在无人直升机前方和后方的两个机载摄像头组成，在遇到侧风时该视频辅助系统切换到辅助模式，控制无人直升机(24)向左右偏移一定距离，确保引导绳(13)准确就位。

本发明还提出一种无人直升机电力展放引导绳展放方法，包括以下步骤：

1)无人直升机携带一个放线架，将引导绳的一端缠绕在放线架的放线轮上，另外一端依次从放线架的导线管、炸绳器中穿过，然后引导绳的自由端系上重物；

2)无人直升机携带放线架升空，此时放线架的刹车装置输出最大刹车力，使重物不会下落，在无人直升机到达指定投放点后，直升机处于悬停状态，等待地面站控制指令；

3)无人直升机上的刹车力控制遥控器根据地面站控制指令，控制刹车力的大小，使引导绳自由端上的重物缓慢下落；

4)当重物下落到达指定位置后。地面站向无人直升机发送继续执行任务航线指令，无人直升机按照事先设定好的航线设置飞行，飞往下一线塔，在飞行中始终检测引导绳的张力；

5)当无人直升机执行完任务航线后，进行悬停，由地面控制或自主控制炸绳器炸断引导绳，无人直升机返航。

所述航线是由GPS坐标构成的航路点设置，所述按航线设置飞行是当上一航路点、当前航路点、下一航路点三点处于同一直线上时按照直线飞行；当上述三点不处于同一直线时按照该三点构成的圆的一段弧线飞行。

在步骤4中，还包括张力比较程序控制步骤，通过将所述的引导绳的张力数据与给定的安全范围进行数值比较，来判断是否已出现意外情况，如果出现了意外，那么将控制炸绳器切断引导绳，使无人直升机回复到正常的受力状态下，保证飞行安全。

所述按照航线设置飞行还包括在遇到侧风时，在离线塔一段距离时和在过塔一段距离后使无人直升机处于悬停状态，并同时切换到辅助模式，通过分别设置在无人直升机前方和后方的两个机载摄像头，适当的控制无人直升机向左右偏移一定距离，确保引导绳准确就位。

本发明使用燃油发动机的无人直升机，属于密度大于空气密度的飞行器，抗风能力强于现有的技术使用的技术。

本发明采用的无人直升机具有很高的控制修正频率，可以满足在复杂环境的安全飞行控制要求。同时无人直升机飞行放线的地面保障简单。

本发明所采用的是无人直升机可以根据作业的要求在合适的空域内进行悬停，配合线塔上方的工作人员，并且具有对起降场地要求不高的特点。

在本发明中无人直升机的飞行路线可控，完成任务后可自主降落在指定的着陆点，同时由于无人直升机上带有摄像头可以辅助地面站判断与塔上人员的距离，保证飞行的安全距离。

附图说明

图1本发明无人直升机电力展放引导绳系统的框图；

图2无人直升机挂载放线架示意图；

图3是放线架结构示意图；

图4是炸绳器示意图；

图5是斩断器示意图；

图6是单个斩断器的安装方法实施例的示意图；

图7是两个斩断器在不同侧安装方法实施例的示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的无人直升机电力展放引导绳方法及系统。

图1本发明无人直升机电力展放引导绳系统的框图；在本发明技术方案的方法中，无人直升机24展放引线系统主要由机载部分和地面部分组成，机载部分的包括：无人直升机24、自动驾驶仪26、放线张力控制器1、视频辅助系统、放线架27、紧急切断装置、机载电台和天线；地面部分包括：地面站、任务控制器、视频监视器、电源、电台和天线。

图2无人直升机挂载放线架示意图，图3是放线架结构示意图。如图所示，无人直升机24携带放线架27，将迪尼玛绳13的一端缠绕在放线架27的放线轮5上，另外一端从导线管14中穿过，同时穿过炸绳器6，然后迪尼玛绳13的自由端系上重物23。无人直升机24携带放线架27升空(此时刹车装置输出最大刹车力，使重物23不会下落)，在无人直升机24到达指定投放点后直升机处于悬停状态，等待地面站控制指令。此时由刹车力控制遥控器控制刹车力的大小，在刹车力的作用下重物23下落，当重物23下落到达指定位置后。地面站向无人直升机24发送继续执行任务航线指令，无人直升机24按照事先设定好的航线(航线由若干个GPS坐标点组成，当上一航路点、当前航路点、下一航路点三点处于同一直线上时按照直线飞行，当上述三点不处于同一直线时按照有这三点构成的圆的一端弧线飞行)飞行，飞往下一线塔。为了使迪尼玛绳13能够准确的落在线塔上放我们要求线塔的GPS坐标与前两个GPS点的GPS坐标尽量处于同一直线上(此处要求的是经纬度坐标，GPS高度忽略)。同时根据具体天气情况适当设置GPS航点，从而保证侧风不会将迪尼玛绳13吹离线塔横担。为了保证迪尼玛绳13准确的落在横担上，我们在航线设置时在离塔一段距离时和在过塔一段距离后使无人直升机24处于悬停状态，并同时切换到辅助模式。通过我们分别设置在无人直升机24前方和后方的两个机载摄像头的帮助，适当的控制无人直升机24向左右偏移一定距离。然后控制无人直升机24继续执行任务航线。当无人直升机24执行完任务航线后，进行悬停，由地面控制或自主控制炸绳器6炸断迪尼玛绳13。无人直升机24返航，经地面检查、简单维护、更换放线架27、放线轮5、更换炸绳器6、加注燃油后，无人直升机24无人机即可执行下一次飞行任务。

在整个过程中放线张力控制器1始终根据给定的张力值动态的调整刹车力的大小，使保持迪尼玛绳13上的张力始终保持在给定的张力值的附近.同时张力控制器1实时监测自动驾驶仪26上通过异步串行口传送的数据，监测无人直升机24的俯仰角、横滚角和偏航角是否超限以及数据链是否丢失等可能发生的意外情况，使用机载电源，传感器得到当前张力值，经过控制算法运算后由PWM输出控制量，控制刹车力产生装置带动刹车装置，控制放线轮在拉力作用下的旋转速度，间接实现对迪尼玛绳张力的控制.同时为了使放线张力控制器与自动驾驶仪协同工作，我们使自动驾驶仪与张力控制器进行实时通信.

张力控制器1内的比较程序段通过将接收到的数据与给定的安全范围进行数值比较，来判断是否已出现意外情况，如果出现了意外，那么比较程序段将控制张力控制器1的炸绳器通道输出电流。同时如果地面控制人员如果预感到将要发生意外亦可通过刹车力控制遥控器的炸绳开关控制张力控制器1的炸绳器通道输出电流。控制炸绳器6切断迪尼玛绳13，使无人直升机24回复到正常的受力状态下，间接保证飞行安全。

本发明是在无人直升机24系统实现稳定飞行的基础上实现的。在无人直升机24系统的基础上，我们设计了放线架27、开发了引导绳张力控制系统。放线架27采用合适的材料，在保证结构强度的基础上，最大程度的减轻重量；引导绳张力控制系统控制张力的大小，通过与自动驾驶仪26之间的相互通信，张力控制器1可以在外部环境严重影响放线安全的情况下切断迪尼玛绳13。

放线架27分为放线轮5和放线架支架4两部分，放线架支架4具有U型挂点，将放线轮5放入U型槽中后，由中心轴锁紧片12锁住放线轮5的中心固定轴11，防止在无人直升机24执行放线任务时放线轮5脱落。放线轮5由中心固定轴11、刹车盘10和绕放线轮5组成，固定中心固定轴11后，刹车盘10连同放线轮5可以自由旋转。刹车皮9安装在放线架支架4上，由刹车力产生装置2牵引刹车线8带动刹车皮9运动压紧刹车盘10产生制动力，张力控制器1安装在放线架27上通过电源线和数据线与无人直升机24联接，电源线连接在机载电源上取得电能供给，数据线联接在自动驾驶仪26上取得数据信息。

我们将放线架27固定在无人直升机24的机腹下方、或吊挂在无人直升机24下方，放线轮5可以在放线架支架4挂载完成后方便的进行挂载并且具有锁住结构，将导线管14的一端固定在挂载架的后方，另外一端安装炸绳器6并处于自由状态。适当的导线管14长度是保证在炸绳时炸绳器6不会撞击无人直升机24的关键。

张力控制器1主要包含AD转换模块3、脉冲捕捉模块、PWM模块、异步串行通讯模块。张力控制器1将AD转换模块3采集的数据、上一次算法输出的结果以及异步串行通信模块接收到的数据输入到控制算法，控制算法经运算后输出控制指令，PWM模块将控制指令转化为PWM波形，经驱动后控制刹车力产生装置2产生刹车力，刹车力的变化导致张力的变化，再一次被AD转换模块3所采集，周而复始，完成整个作业时间段内的张力控制。几个主要模块的功能简介如下。

AD转换模块3，经过模数转换后我们对所采集的数据进行数字滤波，去掉数据中掺杂的噪声，使数据变得更加接近实际情况。

脉冲捕捉模块主要用来将遥控接收机输出的PWM信号转换为控制系统能够识别的数值信息，并根据这一数值实现张力的给定，张力的给定是为张力数值的跳变提供门限，使张力数值变化超过一定范围时相应改变刹车力。通过控制算法运算后使得拉力值保持在一个合适的范围内，来克服无人直升机24飞行过程中环境等客观因素对无人机放线系统带来的影响，保证放线系统安全可靠的完成放线任务。

PWM输出模块，产生PWM信号。PWM信号主要是用来控制刹车力产生装置2，产生刹车力，系统通过控制PWM波形的占空比简介调节刹车力的大小。

异步串行通信模块，建立于自动驾驶仪26与张力控制器1之间的数据通信，张力控制器1实时获取飞机的导航信息，根据导航信息适当的调节张力值以及在突发数据链丢失、系统死机及其它意外情况时控制炸绳器6，进行炸绳操作.

图4是炸绳器示意图，图5是斩断器示意图，如图所示，炸绳器6主要包括炸绳器壳体25和斩断器7，炸绳器壳体25的中心为炸绳器导线孔16，另外具有两个与炸绳器导线孔16相垂直的通孔，通孔是安装斩断器7的基础，炸绳器壳体25的主要作用是固定斩断器7。斩断器的构成如图5所示，包括炸绳器控制线15、炸绳器导线孔16、火药17、斩断器壳体18、带孔端头19、无孔端头20、斩绳刀21、点火器22组成。当系统控制炸绳时炸绳器通道输出的电流驱动穿过带孔端头19的中心孔的炸绳器控制线15启动点火器22，点火器22引燃火药17，火药17爆炸产生高温高压的气体推动斩绳刀21斩断穿过炸绳器导线孔16的迪尼玛绳13。然后被无孔端头20挡住，防止飞出造成意外伤害。

本技术方案的其他实现方案还有以下几点：

炸绳器中斩断器的不同设置和安装方法。炸绳器除上述提到的单个斩断器7的结构特点和安装方式外，还可以在炸绳器壳体25上安装两个斩断器7，两个斩断器7的安装方式为同侧安装和不同侧安装，所述同侧安装是指炸绳器控制线15的指向方向在炸绳器6的一侧；所述不同侧安装是指炸绳器控制线15的指向方向在炸绳器6的不同的两侧。

图6所示为安装单个斩断器7的情况，图4和图7分别显示在炸绳器壳体25上安装两个斩断器7。其中，图4所示为炸绳器控制线15的指向方向在炸绳器6的同侧，图7所示为炸绳器控制线15的指向方向在炸绳器6的不同侧。

刹车力产生的方法还有以下几种：刹车力的产生方法除由刹车力产生装置控制刹车的方式外，可以采用直流伺服电机、步进电机驱动闸片产生刹车力。采用直流伺服电机、步进电机的实现方法是通过传动装置将直流电机、步进电机输出轴的转动转化为刹车皮9压紧刹车盘10的运动，通过刹车皮9与刹车盘10之间的摩擦来产生刹车力。