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[摘 要]高压线塔上鸟巢对输电线路危害极大，需采取一定的措施予以清除。根据国内外清除鸟巢的两种方案，提出了新型清除高压线塔顶端的鸟巢的无人机系统。详细的介绍了组成该系统的无人机平台、剪切、绞碎，抛投装置组成及设计原理。通过本套无人机系统可在短时间内完成清除高压线塔上鸟巢任务，且不会造成二次污染及自然灾害，不会损伤高压线塔上的元件，具有一定的应用前景。
[关键词]高压线塔，鸟巢，无人机系统
中图分类号：TU135 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）42-0364-02
1 引言
鸟害是威胁架空高压线路稳定运行的重要因素，其影响程度仅次于雷电活动与外力破坏[1]。鸟类搭建在高压线塔上的鸟巢是高压线路主要危害形式之一，其在阴雨天或大风等特殊天气中导致接地事故，而且鸟巢中金属丝可能会接通高压线塔正负两级导致跳闸事故[2]，因此，清除高压线塔上的鸟巢是降低高压输电线路危害的一种必要措施。
目前，国内外清除鸟巢的方案有两种，其一，通过传统人工清除的方法。其二，采用无人机喷火清除的方法。但是，人工清除方法耗时时间长，危险性大，约束条件多，不适用于大规模清除鸟巢[3]；而无人机喷火清除可能会烧伤复合绝缘子，具有引起火灾的危险[4]，因此这两种方案均不能作为清除高压线塔上鸟巢的最佳方案。
本文提出的清除高压线塔顶端鸟巢的无人机系统是一种有效的清除鸟巢危害的方案，具有一定先进性。其结构主要分为无人机平台，清除装置两个部分。清除装置具体细分为剪切装置、绞碎装置，抛投装置。其中，剪切装置用于修剪鸟巢垂下来的树枝、柴草，防止其在清除鸟巢过程中掉落以引起高压电线短路事故；绞碎装置是通过用无人机平台将绞碎刀送到鸟巢内部，高速旋转，绞断搭建的树枝、柴草等材料，使鸟巢从高压线塔上脱落；抛投装置抛射箭头，用于钩住鸟巢，通过控制无人机向斜上方拉取，完成清除高压线塔上的鸟巢。
2 无人机平台设计
2.1 整体布局参数
飞行平台的整体布局参数如表1所示。
2.2 动力设计
为大致测定拖拽鸟巢的拉力大小，需要做一个模拟实验。将标枪打入所构建的模拟鸟巢内，并将鸟巢固定在一个钢架结构中，通过拉力计拖拽，来获取其被拖至结构破坏的力量大小。
通过模拟实验，拉力计测试，可以大致得到数据8kg，为了留有余度，将拉力的目标值设置为10kg。
本清除鸟巢无人机系统预计总重量不超过20公斤，若加上抛投装置拉拽鸟巢的力量，则预计本套飞行系统需提供30公斤的拉力，才可完成目标。综上所述，可选择恒力源W92-35KV100电机，选用3080碳桨，利用测试台可得，其具体测试参数与配置如下表2与表3所示。因此，可确定选择12S锂电池，3080螺旋桨，恒力源W92-35KV100电机可满足本方案设计要求。
2.3 电池设计
在确定了使用电机型号后，依据计算的使用功耗，需要48V（12s）的16000mah的电池。本方案采用2块6S电池串联的方式可满足要求，选择目前应用比较成熟是格式电池，其具体参数如表4所示。
经过对比，由于本方案电池组需要进行改装，所以采用6S经典版较为合适。
3 清除装置设计
3.1 剪切装置的设计
剪切装置用于修剪鸟巢垂下来的树枝、柴草，防止其在清除鸟巢过程中掉落以引起高压电线短路事故。为使其完成任务的成功率，本剪切装置中的剪切刀头可以上下、左右旋转，如图1所示。剪切刀采用旋转的圆形锯片，如图2所示，其剪切面积大，能解决树枝、柴草随风飘扬的问题。
飞行器搭载平台1四角处的连接立柱2与飞行平台连接，通过飞行器带动本实用新型飞至鸟巢的高度位置，第一舵机4驱动第一转盘3转动，第一转盘3带动与之连接的转杆5和横杆6旋转，转杆5和横杆6带动连接支架7以转杆5为轴做旋转运动，剪切杆12实现左右方向的转动，连接支架7上的第二舵机8驱动第二转盘9转动，第二转盘9带动剪切杆固定碳杆11以第二转盘9的中轴线旋转，剪切杆12实现上下方向的俯仰转动，同时剪切杆12端部的旋转电机13带动圆形锯盘15旋转，实现切割功能。
3.2 绞碎装置的设计
绞碎装置是通过用无人机平台将绞碎刀送到鸟巢内部，高速旋转，绞断搭建的树枝、柴草等材料，使鸟巢从高压线塔上脱落；由于绞碎过程中需要较大的扭矩，所以绞碎刀选用直径较小且锋利的刀头，电机选用kv值较小的电机，如图3所示为绞碎刀头，其前端是锥形挡片，易于伸入鸟巢内部。其平台与剪切装置相同，同样具有上下、左右旋转的功能。
3.3 抛投装置的设计
抛投装置通过抛射箭头，用于钩住鸟巢，通过控制无人机向斜上方拉取，完成清除高压线塔上的鸟巢。如图5所示，抛投装置通过预先加载的弹力带形变，使标枪到达标枪滑道的末端，为标枪提供动能。红外线发射器发射出的红色光束指引瞄准异物，整个装置可以在无人机悬停时通过控制不同的舵机来控制转向平台转动和标枪滑道的俯仰角度来进行瞄准，通过摄像头采集的图形信息传回地面，确认瞄准以后通过舵机扣动扳机，弹力带恢复形变使标枪以高速扎紧鸟巢，当伸缩杆缩回时，标枪前部的枪头可以张开成花瓣状，能牢牢钩住鸟巢，可以使枪头牢牢固定在鸟巢内，此时操作无人机运动，可以斜上方来拖拽鸟巢，使其脱离原有设备。
4 结论
清除高壓线塔上的鸟巢是降低高压输电线路危害的一种必要措施。但是，目前清除鸟巢的方案耗时耗力，且存在损伤高压线塔元件和引起自然灾害的风险，而新型清除高压线塔顶端的鸟巢的无人机系统可以在解决上述问题的情况下完成清理鸟巢任务。其使用方便简洁，大大降低人工成本和清除鸟巢时间，具有一定的先进性，具有很好的应用前景。、
参考文献
[1] 梅超美，蒲路，王雪松，等.架空输电线路鸟害防治技术分析[J].陕西电力，2008，36（8）：45-47.
[2] 李德刚，王小铭.输电线路防鸟害技术的研究与实践[J].科协论坛，2007，26（1）：33-36.
[3] 刘波.输电线路鸟害综合防治措施[J].电力安全技术，2008，10（11）：17-18.
[4] 朱德中，刘俊祎，梁宏杰，等.遥控喷火飞行器带电处理异物装置的研发[J].中国科技纵横，2016（10）：49-50.
来源于中国南方电网有限责任公司重点科技项目：多旋翼无人机系统在城市和山区输电线路深化应用技术研究。
[关键词]高压线塔，鸟巢，无人机系统
中图分类号：TU135 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）42-0364-02
1 引言
鸟害是威胁架空高压线路稳定运行的重要因素，其影响程度仅次于雷电活动与外力破坏[1]。鸟类搭建在高压线塔上的鸟巢是高压线路主要危害形式之一，其在阴雨天或大风等特殊天气中导致接地事故，而且鸟巢中金属丝可能会接通高压线塔正负两级导致跳闸事故[2]，因此，清除高压线塔上的鸟巢是降低高压输电线路危害的一种必要措施。
目前，国内外清除鸟巢的方案有两种，其一，通过传统人工清除的方法。其二，采用无人机喷火清除的方法。但是，人工清除方法耗时时间长，危险性大，约束条件多，不适用于大规模清除鸟巢[3]；而无人机喷火清除可能会烧伤复合绝缘子，具有引起火灾的危险[4]，因此这两种方案均不能作为清除高压线塔上鸟巢的最佳方案。
本文提出的清除高压线塔顶端鸟巢的无人机系统是一种有效的清除鸟巢危害的方案，具有一定先进性。其结构主要分为无人机平台，清除装置两个部分。清除装置具体细分为剪切装置、绞碎装置，抛投装置。其中，剪切装置用于修剪鸟巢垂下来的树枝、柴草，防止其在清除鸟巢过程中掉落以引起高压电线短路事故；绞碎装置是通过用无人机平台将绞碎刀送到鸟巢内部，高速旋转，绞断搭建的树枝、柴草等材料，使鸟巢从高压线塔上脱落；抛投装置抛射箭头，用于钩住鸟巢，通过控制无人机向斜上方拉取，完成清除高压线塔上的鸟巢。
2 无人机平台设计
2.1 整体布局参数
飞行平台的整体布局参数如表1所示。
2.2 动力设计
为大致测定拖拽鸟巢的拉力大小，需要做一个模拟实验。将标枪打入所构建的模拟鸟巢内，并将鸟巢固定在一个钢架结构中，通过拉力计拖拽，来获取其被拖至结构破坏的力量大小。
通过模拟实验，拉力计测试，可以大致得到数据8kg，为了留有余度，将拉力的目标值设置为10kg。
本清除鸟巢无人机系统预计总重量不超过20公斤，若加上抛投装置拉拽鸟巢的力量，则预计本套飞行系统需提供30公斤的拉力，才可完成目标。综上所述，可选择恒力源W92-35KV100电机，选用3080碳桨，利用测试台可得，其具体测试参数与配置如下表2与表3所示。因此，可确定选择12S锂电池，3080螺旋桨，恒力源W92-35KV100电机可满足本方案设计要求。
2.3 电池设计
在确定了使用电机型号后，依据计算的使用功耗，需要48V（12s）的16000mah的电池。本方案采用2块6S电池串联的方式可满足要求，选择目前应用比较成熟是格式电池，其具体参数如表4所示。
经过对比，由于本方案电池组需要进行改装，所以采用6S经典版较为合适。
3 清除装置设计
3.1 剪切装置的设计
剪切装置用于修剪鸟巢垂下来的树枝、柴草，防止其在清除鸟巢过程中掉落以引起高压电线短路事故。为使其完成任务的成功率，本剪切装置中的剪切刀头可以上下、左右旋转，如图1所示。剪切刀采用旋转的圆形锯片，如图2所示，其剪切面积大，能解决树枝、柴草随风飘扬的问题。
飞行器搭载平台1四角处的连接立柱2与飞行平台连接，通过飞行器带动本实用新型飞至鸟巢的高度位置，第一舵机4驱动第一转盘3转动，第一转盘3带动与之连接的转杆5和横杆6旋转，转杆5和横杆6带动连接支架7以转杆5为轴做旋转运动，剪切杆12实现左右方向的转动，连接支架7上的第二舵机8驱动第二转盘9转动，第二转盘9带动剪切杆固定碳杆11以第二转盘9的中轴线旋转，剪切杆12实现上下方向的俯仰转动，同时剪切杆12端部的旋转电机13带动圆形锯盘15旋转，实现切割功能。
3.2 绞碎装置的设计
绞碎装置是通过用无人机平台将绞碎刀送到鸟巢内部，高速旋转，绞断搭建的树枝、柴草等材料，使鸟巢从高压线塔上脱落；由于绞碎过程中需要较大的扭矩，所以绞碎刀选用直径较小且锋利的刀头，电机选用kv值较小的电机，如图3所示为绞碎刀头，其前端是锥形挡片，易于伸入鸟巢内部。其平台与剪切装置相同，同样具有上下、左右旋转的功能。
3.3 抛投装置的设计
抛投装置通过抛射箭头，用于钩住鸟巢，通过控制无人机向斜上方拉取，完成清除高压线塔上的鸟巢。如图5所示，抛投装置通过预先加载的弹力带形变，使标枪到达标枪滑道的末端，为标枪提供动能。红外线发射器发射出的红色光束指引瞄准异物，整个装置可以在无人机悬停时通过控制不同的舵机来控制转向平台转动和标枪滑道的俯仰角度来进行瞄准，通过摄像头采集的图形信息传回地面，确认瞄准以后通过舵机扣动扳机，弹力带恢复形变使标枪以高速扎紧鸟巢，当伸缩杆缩回时，标枪前部的枪头可以张开成花瓣状，能牢牢钩住鸟巢，可以使枪头牢牢固定在鸟巢内，此时操作无人机运动，可以斜上方来拖拽鸟巢，使其脱离原有设备。
4 结论
清除高壓线塔上的鸟巢是降低高压输电线路危害的一种必要措施。但是，目前清除鸟巢的方案耗时耗力，且存在损伤高压线塔元件和引起自然灾害的风险，而新型清除高压线塔顶端的鸟巢的无人机系统可以在解决上述问题的情况下完成清理鸟巢任务。其使用方便简洁，大大降低人工成本和清除鸟巢时间，具有一定的先进性，具有很好的应用前景。、
参考文献
[1] 梅超美，蒲路，王雪松，等.架空输电线路鸟害防治技术分析[J].陕西电力，2008，36（8）：45-47.
[2] 李德刚，王小铭.输电线路防鸟害技术的研究与实践[J].科协论坛，2007，26（1）：33-36.
[3] 刘波.输电线路鸟害综合防治措施[J].电力安全技术，2008，10（11）：17-18.
[4] 朱德中，刘俊祎，梁宏杰，等.遥控喷火飞行器带电处理异物装置的研发[J].中国科技纵横，2016（10）：49-50.
来源于中国南方电网有限责任公司重点科技项目：多旋翼无人机系统在城市和山区输电线路深化应用技术研究。