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1.3 无人机平台结构仿真分析
悬臂结构是支撑云台、任务设备及整个机架的关键部位,必须保证其良好的结构强度。为验证悬壁结构在悬停工作状态下的变形情况,采用ANSYS有限元软件对悬壁结构进行分析。工作状态应力分布如图4所示,无人机旋翼的流体分析、定速分析分别如图5和图6所示。
由图4~图6可知:(1)悬臂工作状态时,应力分布均匀,应力最大值为20.125 N/mm,应力值满足空气动力学特性;(2)螺旋桨在工作转速的状态下,流场分布均匀,飞行良好;(3)螺旋桨处于悬停的状态下,桨尖部位空气流速最快,可达到168 m/s左右,桨叶附近空气流动处于湍流状态,桨叶整体飞行运动状况良好。
2 综合巡检模块配置
针对配电网架空线路无人机综合巡检需要,对无人机平台配置高速图像模块,红外、紫外成像传感模块,特高频局放、超声波局放传感模块等任务设备,以完成综合巡检作业。
2.1 高速图像模块
高速图像模块主要是实现飞行条件下可见光的视频图像采集功能,通过无人机搭载高分辨率可见光相机进行巡检拍摄的可见光图像,可以检测出配网线路导线的毛刺、断股、绝缘子脱落等缺陷信息。为保证巡检效果和质量,可见光传感器的技术参数配置要求:(1)有效像素数不低于1 000万;(2)拍摄速度不低于25帧/s,具备4倍光学变焦功能,且连续可调;(3)具备自动对焦功能。
2.2 红外、紫外成像传感模块
红外成像传感模块主要用来检测导线接头、线夹等部件的发热故障,可通过无人机搭载红外热像仪进行巡查。红外热像仪的技术指标配置要求:(1)有效像素数不低于30万;(2)自动对焦功能;(3)具有热图数据且热图数据可导出,可实时显示影像中温度最高点位置及温度值。
紫外成像传感模块主要用来检测电气设备及线路的电晕放电情况[11],可通过小型无人机搭载日盲紫外电晕探测模组,日盲紫外电晕探测模组的技术要求:(1)探测灵敏度高;(2)体积小、重量轻(质量不大于1.5 kg);(3)能获取光子计数信息、最好能够兼顾可见光进行常规故障的巡检。
目前,有3种探测系统可供选择:改进型可见光/日盲紫外双谱段探测仪、定焦距日盲紫外探测仪以及日盲紫外探测仪+微型可见光相机。3种方案的比较如表1所示。综合考虑以上3种方案优缺点、成本和开发周期,本项目推荐采用常规改进型的日盲紫外电晕探测模组。
2.3 特高频局放、超声波局放传感模块
在变压器、电缆接头等电气设备内部发生局部放电时,会产生正负电荷中和的过程,同时伴随有较陡的电流脉冲,会产生发光、发热、声音、电磁波等现象[12-13]。目前,主要检测方法有脉冲电流法、特高频法和超声波法。
近年来,随着无人机巡检技术快速发展,可采用无人机平台搭载特高频传感器、超声波传感器等设备,实现电气设备局部放电缺陷的带电检测。对于无人机挂载的超声波、特高频传感器,考虑到成本、研发周期、实用性等因素,可采用现有比较成熟的局部放电检测仪的改进方案。常规改进型的传感器配置要求:(1)超声波传感器质量不大于1.5 kg;(2)特高频传感器质量不大于1.5 kg;(3)12 V DC电源,功耗不小于36 W。
3 无人机综合巡检功能实现和测试验证
综合以上技术设计试制了配网架空线路无人机综合巡检系统,并对巡检系统的环境适应性、测控性能、巡检功能等关键技术指标开展试验测试,以验证其综合巡检功能。
环境适应性类测试项目包括低温环境适应性、高温环境适应性、模拟海拔环境适应性和户外抗风、抗雨飞行性能,其中模拟海拔环境适应性试验采用人工环境气候试验室(箱)开展模拟试验。测试结果:(1)环境温度范围为–20~45 ℃;(2)可通过最高海拔高度为2 000 m的模拟高海拔环境适应性试验;(3)在瞬时风速不大于7 m/s环境条件下可正常工作,悬停时与悬停点的水平偏移不大于1.5 m、偏差不大于0.75 m,垂直偏移不大于3 m、偏差不大于1.5 m;(4)在小雨环境条件下可稳定飞行,飞行时间不小于5 min。
测控性能测试项目主要包括巡航时间、测控距离和悬停控制精度。测试结果:(1)正常工作任务载荷下为30 min;(2)飞行高度20 m时,测控数据和图像传输距离为2 km(通视条件下);(3)悬停控制精度,垂直方向±0.5 m,水平方向±1.0 m,能精确定点近距离巡检杆塔,结合地面站模块的实时飞行数据及可视化地图,可精确地完成全自动起飞/降落、航线飞行、绕点飞行、定点悬停等巡检任务。
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