张静 孙喆 王丹阳 乔红
西安电力高等专科学校
摘要：由于多旋翼无人机具有结构简单、携带方便、机动性能良好、能实现定点悬停、拥有垂直起降等能力。在其搭载高清摄像机等云台之后，已在输电线路检测、输电线路故障隐患排查、红外测温、喷火清障等方面发挥越来越重要的作用。本论文完成带机械臂的空中机器人的设计，实现在一定范围内自主控制飞行和实现对目标物体的抓取与投放的任务，实现机械臂云台无线自主控制、实现带机械臂的空中机器人自主飞行控制、实现对输电线路异物的自主抓取，实现清障功能。
关键词：作业型飞行器；多旋翼；机械臂；输电线路；异物清障
随着我国电网高速发展，输电线路规模越来越大，输电线路设备数量日益庞大，位于复杂地形条件、恶劣环境下的输电线路长度日益增大，需要特别巡视和维护的输电线路数量日益增加，且这些输电线路检查维护困难技术含量高。传统人工巡检手段单一、缺陷发现率低，已经不能适应现代电网精益化运检工作要求。因此，必须通过创新巡查模式和融合各种新科技来提高输电线路巡查的效率和质量，以达到提高电网维护的水平。
陕西省全境南北延伸达800公里以上，所跨纬度多，从而引起境内南北间气候的明显差异，冬季极低温和夏季超高温影响输电巡检人员进行线路检修维护。秦巴山区、黄土高原沟壑区、土石山区占全省总面积的80%以上，地质地貌复杂，遇到强降水天气，极易引发山洪、滑坡、泥石流灾害，而运检人员无法第一时间进行线路抢修，影响恢复供电效率。陕西公司输电线路一线运维人员中普遍存在技能水平断层、青黄不接的问题。除了加强人员培训外，如何通过科技手段，解决工人“少上塔”，保障人身安全的问题需要寻求技术手段解决。
无人机的出现，点亮了解决输电线路巡检难题的新的火光。无人机以其成本低、效率高、机动灵活、拍摄覆盖范围广等优势，迅速引起了电力巡检人员的注意，并很快在电力巡检领域崭露头角。进行输电线路故障隐患排查、红外测温、喷火清障等，逐渐形成了“机巡为主，人巡为辅”的输电线路巡检新模式，极大程度弥补了传统人工巡检的不足。但是，虽然无人机应用的数量激增、应用范围广阔，但是这些大部分是停留在拍摄层面、监测层面上，也既是“看”的层面上，通过无人机进行输电线路巡视采集数据之后，经过数据分析发现的缺陷隐患，仍然需要巡检人员前往现场去解决，大多数时候需要进行登塔作业，无人机与外界物理环境直接接触很少。这并不是代表无人机的应用仅仅停留于此，实际却是潜在着更广阔的应用范围。受此启发研究人员已经开始进行带机械臂的无人机实行抓取物体的研究、以及带机械臂无人机的实际操作应用。携带有各种适应完成实时任务的云台，比如机械臂云台，增加无人机的应用范围。
如果在无人机上增加机械臂，自然而然地无人机就相当于一架空中行动自如的空中机器人了，可以完成、适应更多的应用场合，能够实现空中抓取和运输任务了。需要无人机不只有“眼睛”，更需要有可以去与外物接触的“手臂”，来对其所处环境施加主动影响，由此便诞生了作业型无人机这一分支。
作业型飞行器是指由飞行器(通常是多旋翼飞行器)与作业装置(机械臂)共同组成的、具有主动作业能力的飞行器，其主要优势在于：(1)与普通飞行器相比，不仅能完成飞行航拍、监控、检测等功能，还可以从空中对空中或地面目标进行检测与捕捉；(2)与地面机器人相比，不仅可以执行一些精细作业任务，而且将作业范围由二维平面提升到了三维空间，可以快速灵巧地进入地面机器人难以进入的复杂环境；(3)针对不同任务，可以使用不同的执行器，基于同一种稳定平台即可用于多种应用。
将无人机和机械臂结合，实现高压输电线路异物清障功能。通过无人机自带摄像头及控制信号无线传输来完成高空输电线路简单作业，如执行末端为2轴机械夹时可实施输电线路悬挂物的缠绕、清理；如执行末端为吸附式长臂时，可清理杆塔上的鸟窝。本设计完成后可用于陕西公司多地形输电线路的异物清障作业。无人机选型，采用大疆Ｍ200飞行器为基础平台，对称电机轴距为643ｍｍ，搭载TB55电池的总重量为4.69 kg，最大起飞重量为6.14 kg，意味着可额外搭载约1.45kg的负载。机械臂选用6自由度铝合金机械臂本体，重量1.3KG，底座长28cm,宽12cm，电池供电为2200mAh，控制器为51单片机，三自由度数字舵机LD-27MG 为动力源，可以通过手柄、电脑、手机进行操作，远程通信采用蓝牙，可达20m，夹爪类末端执行器最大开合为55mm。完成机械臂和无人机间的连接用定制云台，机械臂与无人机融合而成的空中机器人，通过手柄或电脑远程控制机械手完成对输电线路的异物清障。基于输配电作业实训基地，搭建作业型飞行器的线路作业实验平台，完成在小范围内对线路异物的抓取与清除。
四旋翼无人机因其结构简单，携带方便，且可以垂直起降等特点被广泛应用在各种场合。比如航拍、赛事直播、抢险救援和电力巡检等任务。充分运用四旋翼无人机的特点，可以有效的提高工作效率和工作质量。当然了这就需要进一步的研究四旋翼无人机的原理。本节主要介绍四旋翼的飞行动作原理：分别为绕X、Y、Z轴的翻滚运动、俯仰运动、偏航运功；沿 X 轴的前后运动，沿 Y 轴的左右运动，沿Z轴的上下运动。其中作业装置由早期的手爪逐渐演化为后期的多自由度机械臂，使用串联型机械臂更为合适。六个自由度串联机械臂由四个部分组成。包括基座、U型连接件、数字舵机及机械手末端组成。具有抓夹功能的机械臂云台加载在多旋翼无人机上，使其应用范围更加的广阔。机械臂由底座、关节、连杆以及执行末端组成，连接部分由螺栓进行连接。基座的一端通过云台安装在无人机的底部。
机械臂与无人机连接于飞行器底部，机械臂端由3部分构成：无线视频传输系统、机械臂、机械臂控制板。在实际任务中，对目标物体进行抓取之后，需要对目标物体实施抓紧，不容有滑落的情况发生。这样就需要机械臂在运动过程中，收到控制信号之后不仅要执行动作，更是要在完成没一个执行控制信号之后，都需要对其在最后的位置进行锁紧。气压缸作为动力源可以满足夹爪的要求，但是气压缸需要配置气磅和控制阀等，这样将增加安装体积和系统质量。对于四旋翼无人机携带有限的锂电池提供系统的能量，增加了整个系统的质量，将会降低四旋翼无人机的续航能力。通过选取对比，最后选择数字舵机，仅仅为其提供PWM脉冲信号，变可以实现各个角度的旋转，机械臂的运动控制目标是使机械臂末端以合理的运动轨迹准确到达预期位置。
作业型飞行器需依据作业内容及机械臂、无人机大小定制碳纤固定云台，目前机身结构有多种，十字型、×型等云台。本项目设计的是十字型，碳纤云台。碳纤维含碳量达到百分之九十五以上，具有强度高、高模量等特性。同时其耐疲劳性能好，耐腐蚀，以及热膨胀系数小。基于以上优点最终通过对比选择碳纤维材料作为机身主要材料。依据负载重量选取的无刷电机和13寸碳纤维螺旋桨的前提，本四旋翼无人机机架采用轴距为300mm的尺寸。
本设计可实现在一定范围内自主控制飞行和实现对目标物体的抓取与投放的任务，实现机械臂云台无线自主控制、实现带机械臂的空中机器人自主飞行控制、实现对输电线路异物的自主抓取，实现清障功能。