鄂尔多斯地区输电线路无人飞行器巡线

鄂尔多斯地区输电线路无人飞行器巡线

贾永军张东

内蒙古电力（集团）有限责任公司鄂尔多斯电业局内蒙古鄂尔多斯市

摘要：随着科技迅速发展，无人机不仅在军事领域，在民用领域也有较大发展。目前国内外均已采用无人机进行电力巡线方案，但是无人机使用效果受地理气候等因素影响较大，所以在不同地区择优选择不同的无人机成为当前重要课题。

关键词：飞翼；翼尖小翼

本文主首先调查国内电力巡线无人机的翼型特点，并且根据内蒙古地区特殊的自然环境，从无人机稳定性，操作性及可靠性巡检方案等方面进行比较，最后本文借鉴无人机在国内其他地区成功使用经验与本地区特殊要求，提出飞翼与翼尖小翼无人机混合布局无人机为平台的无人机电力巡检方案。

一、概述

1．1使用背景

内蒙古自治区地域广袤，所处纬度较高，高原面积大，距离海洋较远，边沿有山脉阻隔，气候以温带大陆性季风气候为主。有降水量少而不匀，风大，寒暑变化剧烈的特点。大部分地区影响无人机使用的天气情况较少，一年之中有较长时间可以使用无人机进行电力巡线。

今年来无人机技术取得了飞速的发展，尤其是使用无人机进行超高压线路巡检成为了电力行业内一个引人注目的亮点。其有如下优点：

1）可进行超低空飞行。

2）使用成本低，操作简单及培养周期较短。

3）安全性高。

4）针对线路走廊巡检速度快，克服了地形对巡检的影响。

1.2行业需求

1）无人机巡线必要性

1.随着输电高压等级的不断提高，输电线路的巡线作业对维护区域电网的安全、稳定、高效运行越来越重要，也是电网运行的当务之急。

2、内蒙输电线路跨区域分布，点多面广，所处地形复杂，自然环境恶劣，输电线路设备长期暴露在野外，受到持续的机械张力、雷击闪络、材料老化、覆冰以及人为因素的影响而产生倒塔、腐蚀等现象，这些情况必须及时得到修复或更换。

3、人为因素而导致输电线路事故，杆塔被偷盗等人为损坏事件，必须及时处理。

4、传统的人工巡线方法不仅工作量大而且条件艰苦，所花时间长、人力成本高、困难大，某些线路区域和某些巡检项目人工巡查方法目前还难以完成。

针对超高压电力巡检的现状，电力巡检人员如果要高效的完成日常巡检任务，并且提高处理故障的效率，需要采用更加先进的巡检模式。

二、无人机平台的选择

2.1无人机巡检平台

无人机输电巡线系统是一个的集航空、电力、遥测遥感、通信、地理信息（GIS）、图像识别、信息处理的一体高度复杂系统，涉及飞行控制技术、机体稳定控制技术、数据链通讯技术、现代导航技术、机载遥测遥感技术以及故障诊断等多个高尖技术领域。

无人机具备高空长时智能作业的能力，可以减少高山、河流影响实现对输电线路快速巡线，对高压线路走廊进行全光谱的快速摄像（照相）。基于无人机输电巡线采集数据的专业分析而集成的数据库，可为电网管理和维护提供详尽的影像资料数据支持。无人机作业这种模式，大大提高输电维护和检修的速度和效率，还能使作业范围迅速扩大，且极大减少自然地理因素对巡线任务的影响。

因此，无人机巡线方式无疑是一种安全、快速、高效、前途广阔的巡线方式。

2.2国内电力巡线无人机代表类型

目前国内已有数十家规模大小不一的无人机公司开发电力巡线无人机系统，这些无人机从机翼布局大体上可分为三种，常规翼型+翼尖小翼、常规翼型、飞翼+翼尖小翼（FE300）。

2.3无人机性能对比

考虑成像系统稳定性要求、内蒙地区大风气候条件及无人机本身设计要求，我们提出稳定性，翼载荷，操纵性，无人机各部阻力为主要参考条件。

1）稳定性

考虑内蒙地区多大风天气，所以必须选择稳定性较好的无人机平台才能确保无人机巡线的安全性。

从纵向稳定性方面来看，传统翼型中，飞机重心总是位于机翼升力中心的前面，这一点使得机翼提供的升力会打破机身的平衡，飞机很容易造成机头向下俯冲的趋势，需要垂尾平衡这种趋势，而飞翼设计整个机翼延长至无人机尾部，飞机重心移动到升力中心后，不需要额外控制翼面来避免机头俯冲问题，但是飞翼式布局无人机纵向静不稳定性提高，单靠人力难以在飞行时保持纵向平衡，然而借助现代高精度飞控，可有效解决此问题。

对于横向稳定性方面翼尖小翼可提供类似于上反角的稳定作用，当有侧风对无人机产生扰动时，小翼会提供一个相反力矩使无人机恢复到原平衡状态，常规布局机翼采用上单翼设计时也会提供一定稳定力矩，但是效果不如小翼好。

2）翼载荷

无人机翼载荷为飞机总重G与机翼升力面积S之商，公式为，飞翼式布局无人机由于机翼与机身融合一体，升力面积大大提高，相同重量情况下飞翼式布局的翼载荷要更小。无人机速度V可表示为，所以低速无人机通常考虑小翼载荷，高速无人机一般采取大翼载荷。根据牛顿第二定律，电力巡线无人机一般速度低于0.5马赫，根据美国无人机标准，属于低速无人机，所以更适用于小翼载荷方案。同时小翼载荷飞机对起降速度要求更低。低速情况下无人机下沉速度公式为，减小翼载荷有效降低无人机下沉速度，有效增大留空时间。根据牛顿第二公式，推出飞机法向加速度与翼载荷关系为，在起飞重量相同的情况下，低翼载无人机机比高翼载无人机在爬升速度上更有优势。因为低翼载无人机在爬升时需要提供的升力更少。而升力相同的时候，低翼载无人机机也更容易获得较大的法向加速度。因此，低翼载无人机机的转弯半径也更小。

操纵性

典型飞翼式布局机身短，迎角分离焦点前移影响明显，小迎角（8度开始）升力曲线已进入非线性区，造成飞行控制系统纵向稳定和控制的困难，但可以翼尖小翼增加纵向阻尼，改善俯仰操纵特性和大迎角特性，减小由于升力非线性曲线造成的控制困难问题。常规布局加小翼虽然会增加无人机稳定性，但是由于翼尖小翼会提供一个稳定力矩，对无人机的滚转产生阻力矩，影响无人机操控性能。

无人机阻力

低速无人机阻力系数公式，为总废阻力系数，总废阻力系数包括与升力无关的各部件阻力与各部件之间的干扰阻力之和，飞翼式布局因为机翼与机身融合，所以机身也可视为机翼一部分，减少升力无关部件阻力，降低废阻力系数。无人机飞行阻力另一个重要来源是诱导阻力。采用常规布局当机翼产生升力时，机翼下表面的压力比上表面的大，而机翼翼展长度又是有限的，所以下翼面的高压气流会绕过两端翼尖，向上翼面的低压区流去。当气流绕过翼尖时，在翼尖部份形成旋涡，这种旋涡的不断产生而又不断地向后流去即形成了所谓翼尖涡流。翼尖涡流会使翼尖附近区域机翼上下表面的压差降低，从而导致这一区域产生的升力降低，这种因升力产生的诱导阻力无法避免，但是在机翼两侧添加翼尖小翼减轻机翼上下表面空气绕流，降低空气阻力。所以采用飞翼加翼尖小翼布局的无人机阻力系数是三种布局中最低的。

2.4总结

目前国内电力巡线无人机主要有三种布局：常规布局，常规布局+翼尖小翼和飞翼式+翼尖小翼，考虑内蒙古地区大风和地域辽阔的的特点，我们从稳定性，翼载荷，操纵性，无人机各部阻力作为比较指标，飞翼式+翼尖小翼布局无人机具有小翼载荷，较好稳定性与较低的阻力，虽然飞翼式布局纵不稳定性较高，但是借助翼尖小翼和飞行控制系统，操纵性可获得明显改善，所以飞翼式+翼尖小翼布局无人机是三种布局无人机中最适合内蒙古地区电力巡线。

结论

随着无人机巡线技术发展与内蒙古超特高压输电线路建设，无人机巡线优点将会更加突出，相比与传统人工巡线，无人机不仅可以减少地形因素影响，降低人力成本，而且可以完成传统人工巡检无法完成的项目。针对内蒙古地区电力巡线特殊要求和无人机平台本身特点，本文从数个方面综合考查了国内三种无人机气动布局，最终确定以FE300无人机为代表的飞翼式+翼尖小翼布局无人机为最优方案。这种布局具有小翼载，低阻力和较好的稳定性等优点，为长航程抗风低速无人机最优选择。

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