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無人機電力架線施工中阻尼控制技術研究

時間:2019-11-6 15:22:50編輯:佚名來源:互聯網欄目:電力架線點擊數(0)已有0人評論 加入收藏

  隨著科學技術的進步,電力施工中用機械代替人工,且由機械化向自動化智能化轉變是發展的趨勢。在電力架線施工中使用無人機展放牽引繩,方便快捷。隨著無人機施工水平不斷地提高,出現了各種新的技術方案,消除了安全風險, 施工效率和經濟效益越來越高 ;特別是線路走廊長、地形復雜、地勢險要的地區,例如在農田,果園等經濟作物生長區, 通航的河道,復雜的交通,跨越山區與峽谷使用無人機展放牽引繩線擔當“電力放線工”,替代人工進行展放牽引繩施工作業,效果更加顯著。

  無人機展放牽引繩方案是由無人機帶動一根特制的牽引繩投送到放線區段的各級桿塔橫擔上,再利用牽張機緩慢牽引二級引繩,在整區段牽引繩全部放通后,再利用二級牽引繩牽引三級引繩帶動導線,完成導線的展放施工。

  我們使用的無人機架線所搭載的引導繩長度在 1.8km 范圍內,放線長度有限,放線輪放線的速度隨著飛行速度的加快放線速度也會加快,由于慣性原因當飛機速度減慢時放線輪速度仍在加快,導致放線過長,如果在山林中架線,放線過長很可能會掛在樹上,危險系數過高,當飛機放線到一定長度時,想要斷線還需要人工斷線,飛行過程全程只能用遙控器控制,不能自動飛行,設計不人性化。為了提高架線效率,消除架線過程中的不確定因素造成的安全隱患,使架線更加的自動化,智能化,我們在架線機的架線掛載上增加阻尼控制功能和自動斷線功能,提升了飛機的掛載重量,放線長度更大,給飛機增加航線規劃功能,放線效率提升了很多。

  1 施工工具

  1.1 無人機

  采用深圳市科比特航空科技有限公司的 X6-P 六旋翼無人機。

  其機型采用的是六旋翼X6-P,機身材質為碳纖維復合材料,該材質含有 90% 的碳成分,并且經過長期高溫熱處理, 具有良好的耐摩擦、耐高溫特性。當上升海拔 4000m 時,能夠凸顯低熱膨脹性能,一般無人機在升至此高度時,受到外層大氣壓力的擠壓,極易出現變形。但是這種碳纖維材質組成的無人機,在高海拔高度上會產生及其微小的變形。另外

  在機身重量和最大起飛重量方面,也有卓越的優勢,主要體現在穩定性,一般無人機的機身重量為 3kg,最大續航時間20min,而這種無人機在重量和續航時間上,明顯高于其他無人機。最后便是在工作溫度上的界定范圍,一般無人機使用環境為戶外正常溫度,當達到較高溫度時,會對機身和續航能力產生較大的負面影響。但是這種無人機不會因為外界溫度的環境受到影響,所受溫度為 -10℃ ~60℃,能夠在極大程度上承受外界溫度的波動變化。

  1.2 阻尼器 MTN-04

  線輪安放在飛機端,隨著飛機的飛行速度加快,線輪的放線速度也加快。操作中,有時飛機速度需要放緩,但由于慣性原因,而放線輪的速度還在增加,造成放線速度與飛機的飛行速度嚴重不匹配,造成多余長度的線放出來,牽引線有可能掛載樹上,落在水中或其他影響正常放線的操作。為了解決這種非正常情況的發生,我們在放線輪出口端附近安裝了磁阻尼器 MTN-04,通過飛控通道給出的命令,應用 PID 程序控制,讓 MTN-04 提供適當的運動阻力,使放線速度與飛機的飛行速度相匹配,防止過多的線放出來,影響飛機飛行的安全。

  MTN-04 磁阻尼器是以磁場為媒介傳遞恒定扭力的裝置。轉動部件均以質輕堅固的材料精密加工而成,轉動慣量極小。張力輸出膠輪以彈性軟膠制成,不傷線。金屬部件均經防銹處理,耐蝕性能優良。阻尼器輸出和本體之間通過磁性副連接,在輸出軸上提供穩定的制動扭矩。可以預設并精

  確控制張力,張力穩定可靠,安裝結構簡單,張力大小調節方便。MTN-04 結構設計緊湊,體積小巧,可在各種位置穩定工作。阻尼器可在放線時產生可調性張力,使放線時帶適宜的張力,從而使放線輪的放線速度與無人機飛行速度相適應,保證了工程施工平穩進行。

  MTN-04 的特點 :

  (1) 具有穩定的扭矩,不受到轉差的影響,靜止時和轉動時扭矩不變。因此,從最低轉速到最高轉速,扭矩始終恒定,不受時間、溫度、速度或其他條件的影響。

  (2) 通過有刻度的轉盤進行張力的設定,重復性好,可以在最大與最小之間連續調整,得到最優化的張力來滿足需要。

  (3)安裝簡單,無須監護外加控制器。

  (4) 從靜態到動態張力無突變,運轉時能提供恒定張力,停車時可保持張力。

  (5) 可作為離合器使用,本體和輸出軸皆可作為輸入和輸出端。當負載過大時,產生滑差打滑,保護整機。

  (6) 在調節盤上加一個微型步進電機可實現遠程調節與控制。

  施工中將阻尼器連接飛控通道 7,可遠程控制阻尼器阻尼力的大小。

image.png

圖1 放線器與阻尼器的結構圖

  1.3 斷線器

  普通架線機在架線時放到一定長度后需要人工斷線,操作麻煩復雜,如果引線掛在樹上,又不能及時斷線,那么很有可能造成飛機失事,造成財產損失,人員受傷,還要賠付青苗費用,為解決這系列安全問題我們研發了一款遠程斷線器。

  斷線器由 USB 充電打火機的電熱絲發熱片作為點火發熱源,MOS 管形成控制開關組成,開關的通斷控制連接至飛控,通過通道 8 遠程控制,也可手動控制。

  斷線器特點 :

  (1) 遠程點火,觸發點火后升溫很快,溫度夠高,在很短的時間內即可熔斷引導線。

  (2) 穩定性高,可反復使用,可以在遠程地面站上面控制斷線,也可以使用遙控器斷線,支持自動斷線和緊急情況下手動斷線器斷線。

  使用組成斷線系統,飛控通過通道 8 控制斷線器的開啟與關閉,當接收到飛控控制信號時,發熱片發熱,將線熔斷, 達到斷線效果。

  1.4 專業地面站

  采用工業級三防地面端控制站,采用專業的地面控制軟件,作業航線規劃,航點自動斷線,超長距離控制。

  2 阻尼器的智能控制

  當無人機在空中的飛行速度變緩時,放線輪由于慣性的作用還在加快,為了不出現牽引線過長的情況,要對放線端進行阻尼控制,通過飛控通道 7 輸出信號來調節阻尼器的張力大小來控制放線的長度。利用 PWM 調制技術,對阻尼器實行 PID 控制。

  隨著控制理論和技術的日趨完善和成熟,各種先進的控制方法不斷出現,但目前 PID 控制仍然是最常用的控制方案。PID 控制具有直觀、實現簡單和魯棒性好等優點。但在 PID 控制中,一個關鍵的問題就是 PID 參數整定,傳統的方法是在獲取控制對象數學模型的基礎上,根據某一整定原則來確定PID 參數。然而現在系統面臨難于建立精確的數學模型的問題,而且模型參數隨著飛行工作狀況的改變而改變,參數整定難度極大。

  近年來已提出了多種自校正 PID 調節方法,但由于自適應控制是在被控對象為線性對象的前提下進行研究的,我們面對的系統是非線性、時變系統,校正后仍存在不盡人意之處。為此將神經網絡引入到 PID 控制參數整定,無疑是一個新的著眼點。神經網絡具有自適應、自學習、并行處理及較強的容錯能力,將神經網絡應用于 PID 控制過程,使控制更加智能,在線調整 PID 參數,使被控系統具有較強的抗干擾能力和魯棒性。

  本系統采用增量式數字 PID 控制,以飛行器的實時速度的變化量作為輸入,而控制阻尼器的轉動變化量作為輸出, 對阻尼器進行張力的適應性調節。系統中采用的算法是單神經元自適應算法,在算法中,有 3 個神經網絡加權系數,分別對應 PID 控制器參數,通過對加權系數即對 PID 控制器控制參數 K,、K,、K。的調整來實現自適應、自學習功能。加權系數的調整可以采用不同的學習規則,從而構成不同的控制算法。這里在單神經元控制器中引入輸出誤差二次型性能

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