一种高空作业电缆除冰无人机结构设计论文_张景熙

技术背景：

每年只要进入冬季，特别是在一些降雪比较频繁的地区，电缆上积雪的清除就成一个让所有工作人员头疼的问题，因为覆冰覆雪严重的电缆可能会不堪重负被直接压断，导致地区的所有通讯中断；目前国家对于无人机的除冰方式，一般是通过将无人机作为载体，携带除冰工具进行电缆除冰，方式单一，很容易导致除冰工作刚完成接着就会有覆冰，这样导致除冰不彻底。

技术介绍：

本设计采用板块设计型无人机造型，让机身本体更加灵活，调整角度更巧妙，同时采用齿形挤压破冰棒设计，可以让除冰更加彻底最后设计采用全自由度热熔化融冰设计，可以再次对冰雪进行干净清理，防止电缆表面会有落水再次成冰。

本设计主要由六大部分组成：机架部分、齿形棒破冰部分、热熔破冰部分，气缸模块和智能控制部分，冰块融化回收部分。

机架模块主要通过多自由度的板块设计让整体无人机更加灵活，可以适应更多严酷的环境条件；齿形棒破冰模块主要负责前期对线缆上的冰块进行挤压破裂，达到碎冰的效果；热熔破冰模块主要通过对齿形棒初步碎冰后的依然附着在缆线表面的冰层进行再次融冰处理，同时防止高空气温低，水蒸气立马附着在缆线表层的问题发生；气缸模块主要负责通过气缸的伸缩对机架上各个活动机构的角度调节；智能控制模块主负责整机的飞行，和用电器的智能控制，冰块融化回收模块主要负责对下落的碎冰能够进行融化处理。

1、机架模块包括螺旋桨电机，螺旋叶片，机身，左、右活动板，角度调节板，化冰板，螺旋叶片安装在螺旋桨电机上，螺旋桨电机为其提供动力，螺旋桨电机安装在机身上的机翼尾端，左、右活动板铰接同时和机身的中心底部铰接，左、右活动板的底端和角度调整板铰接，化冰板和左、右活动板底部铰接。

2、齿形棒破冰模块主要包括轴承，破冰棒，槽轮电机，槽轮，皮带，在左、右活动板上安装的不同位置的两个破冰棒安装在槽轮电机上，同时电机上安装槽轮，两个破冰棒的槽轮通过皮带连接，破冰棒的顶部连接轴承同时连接左、右活动板的下底面。

3、热熔破冰模块主要包括，角度调节电机，轴承，电热丝，回型腔体，扇叶，电热丝螺旋顺着回型腔体内部盘旋缠绕，角度调节电机被回型腔体内部支撑杆稳固，扇叶安装在角度调节电机上，与安装角度调节电机相对位置的回型腔体外侧安装轴承，整体热熔破冰模块安装在角度调节架上。

4、气泵模块主要包括，气泵，承重气缸，调节气缸，化冰板气缸、气泵连接承重气缸和调节气缸，承重气缸向上连接机身向下连接左、右活动板，调节气缸向上连接左、右活动板底部向下连接角度调节板侧面、化冰板气缸向上连接左、右活动板底部，向下连接化冰板侧面。

5、智能控制模块主要包括，蓄电池，单片机控制器，信号发射器，摄像头，寻迹器，陀螺仪，摄像头安装在右侧活动板底部，可以在外界人员通过摄像头观察缆线的覆冰情况，通过外界控制经过单片机控制器对机体本身进行控制和作业，陀螺仪安装在控制盒顶部，能够在高空自主通过单片机控制器帮助操作人员进行无人机稳定，寻迹器安装在悬吊梁的下侧，能够通过寻迹原理让无人机自主调节角度，沿着电缆延伸方向飞行，不会脱离电缆，陀螺仪和寻迹器均连接控制盒内部的单片机控制器。

6、冰块融化回收模块主要包括，太阳能板，聚光板，化冰电热丝，太阳能板安装在控制盒外侧，聚光板安装在化冰板的断面处，可以将阳光进行聚光投射在碎冰上，化冰电热丝安装在化冰板长端面处，发热的电热丝可以将回收的冰块立刻进行融化。

工作原理：

本设计采用板块设计型无人机造型，让机身本体更加灵活，调整角度更巧妙，同时采用齿形挤压破冰棒设计，可以让除冰更加彻底最后设计采用全自由度热熔化融冰设计，可以再次对冰雪进行干净清理和回收，防止电缆表面会有落水再次成冰增加高空作业的质量和效率也有效防止碎冰块下落伤人。

采用的现有技术原理：

寻迹器原理:我用的是红外传感器。黑线的检测原理是红外发射管发射光线到路面，红外光遇到白底则被反射，接收管接收到反射光，经施密特触发器整形后输出低电平;当红外光遇到黑线时则被吸收，接收管没有接收到反射光，经施密特触发器整形后输出高电平.然后信号传给单片机控制器，控制器将会控制螺旋桨电机不同转速，从而调节无人机的飞行角度调节。

陀螺仪原理：采用传感陀螺仪，当一个正在旋转的物体，它的旋转轴正在指着的方向没有受到外力的影响的时候，它是不会有任何改变的。而就是以这个原理作为依据，用它来保持一定的方向的。它也是根据这个原理而制造出来的。在正常工作的时候，为了让它可以高速旋转，需要给它一个外力，这个速度一般可以达到每一分钟可以有几十万转，因此，它可以持续工作的时间还是比较长的，接着使用不同的方法来记录下旋转轴指示的方向，同时自动地把数据信号送到控制系统中,从而让无人机通过单片机自主控制无人机的在高空作业的稳态。

具体的实施方案如下：

电路控制原理图

1、控制盒内包括的蓄电池，为无人机各个用电器提供电能供给，内部单片机控制器和信号发射器，可以在操作人员的操作下控制无人机的各个运动飞行，摄像头可以为操作人员的操作提供视野，避免各种障碍，在工作时，螺旋桨电机带螺旋桨叶片的转动让整个无人机上升到高空，在通过摄像头观察到高空线缆覆冰情况后，操作人员可以首先通过控制承重气缸来调节相互铰接并且和悬吊梁铰接的一号活动板和二号活动板的张合程度，当需要进行电缆的除冰工作时，通过控制破冰棒电机转动，进行碎冰操作控制，通过角度调节气缸调节一号角度调节架和二号角度调节架的高度和之间的距离，然后通过控制角度调节电机调节回型小电机保护盒，让回型小电机保护盒小口对准电缆，然后控制小电机的转动小电机扇叶会将干燥的热风吹向电缆，从而对电缆上的覆冰层再一次融化，从而让清理更加彻底，接着通过调节化冰板气缸伸缩让化冰板相互啮合形成一个具有啮合缝隙的接碎冰凹槽，可以接住由破冰棒一号和破冰棒二号挤压下落的碎冰，这时化冰电热丝将太阳能的光能转化为热能，对接住的碎冰进行融化处理，与此同时聚光板也会将光能集中在碎冰上，进行碎冰块的融化处理，当电缆完全进入无人机的破冰棒机构所有机构都调节好之后，连接控制盒的陀螺仪将会帮助操作人员自主对无人机稳定进行控制，寻迹器将会开始工作，沿着电缆延伸的方向，不断调整无人机的飞行方向无需人工控制。

当工作完成后，通过控制盒关闭小电机和电热丝以及破冰棒的工作，然后通过承重气缸的伸缩控制一号活动板和二号活动板张合，让无人机从电缆中出来即可。

无人机破冰融冰以及结构调节流程图

效果图

使用注意事项：

1.注意安装整体装置线路布置的合理性。

2.注意所有密封装置接线的安装严密性。

论文作者:张景熙

论文发表刊物:《基层建设》2019年第29期

论文发表时间:2020/3/16

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