Квадрокоптер научили подзаряжаться от линий электропередачи

Инженеры из Дании разработали квадрокоптер, способный подзаряжаться от проводов линий электропередачи. Дрон массой 4,3 килограмма автоматически обнаруживает провод ЛЭП, подлетает к нему снизу и зацепляется с помощью захвата, внутри которого находится трансформатор с разъемным сердечником. Он преобразует энергию в проводе в энергию для подзарядки батареи дрона. Оборудованный такой системой подзарядки дрон в будущем сможет автономно выполнять задачи на дальних дистанциях, например, инспектировать состояние электросетей. Препринт доступен на arXiv.org.

В последние годы мультикоптеры стали неотъемлемой частью многих сфер деятельности человека, включая мониторинг окружающей среды, спасательные операции и инспекцию инфраструктуры. Однако малая продолжительность полета, которая для большинства моделей не превышает получаса из-за ограниченной емкости аккумуляторов, значительно снижает эффективность их использования. Для решения этой проблемы инженеры разрабатывают системы для быстрой автоматической замены батарей и различные варианты зарядных станций. Но оба этих подхода также ограничивают радиус действия дрона, так как ему необходимо время от времени возвращаться к станции, или требуют предварительного размещения нескольких подобных устройств по маршруту полета.

Инженеры под руководством Эмада Эбейда (Emad Ebeid) из Университета Южной Дании обратили внимание на огромное количество линий электропередачи, энергию в проводах которых можно было бы использовать для подзарядки дронов. Они разработали прототип квадрокоптера, который способен самостоятельно подлетать к проводам ЛЭП, подключаться к ним и подзаряжать аккумулятор, тем самым значительно увеличивая радиус действия.

В качестве основы для прототипа разработчики выбрали квадрокоптерную раму Tarot 650 Sport. На нее установили электродвигатели с 33-сантиметровыми пропеллерами из углепластика. Питание для электромоторов и всех систем обеспечивает шестиячеечная батарея емкостью 7000 миллиампер-час. Для низкоуровневого управления полетом используется автопилот Pixhawk V6X. Вычисления для навигации и восприятия выполняются на одноплатном компьютере Raspberry Pi.

Наверху дрона находятся направляющие, которые помогают попасть механизмом захвата точно в провод ЛЭП. На обеих частях направляющего устройства также установлен антенны системы глобального позиционирования GNSS RTK, которые обеспечивают высокую точность позиционирования в условиях, когда магнитометры подвержены влиянию помех от активной линии электропередачи. Определяет положение ЛЭП мультикоптер с помощью миллиметрового радара и камеры.

Процесс подзарядки выглядит следующим образом: квадрокоптер обнаруживает с помощью системы восприятия провод ЛЭП и подлетает к нему снизу. Внутри направляющего устройства установлен захват, который фактически представляет собой трансформатор тока с разъемным сердечником. После попадания провода между половинками захвата они обхватывают его и смыкаются, активируя цепь магнитного удержания. Сила смыкания половинок захвата достаточна, чтобы удерживать на весу квадрокоптер с выключенными двигателями. Одновременно с этим происходит старт процесса зарядки за счет преобразования трансформатором энергии, генерируемой током, протекающим по проводам ЛЭП. После окончания процесса захват высвобождает провод, дрон включает моторы и переключатся в режим выполнения задачи, к примеру, продолжает инспекцию состояния ЛЭП.

Тестирование возможностей прототипа проводилось на трехфазной линии 50 герц с силой тока 300 ампер. Дрон способен находиться в воздухе в течение около семи с половиной минут, пока заряд батареи не снижается до 45 процентов, после чего тяги оказывается недостаточно для продолжения полета. Во время теста, который продолжался более двух часов, дрон выполнил пять последовательных циклов подзарядки батареи и полета в режиме висения. При падении напряжения батареи ниже определенного уровня квадрокоптер переключался в режим зарядки, подлетал к проводу и подзаряжал батарею на 20 процентов. Затем процесс зарядки прерывался и дрон снова переходил в режим полета.

Во время тестирования единственное вмешательство человека заключалось в инициации и прерывании процесса зарядки, что давало возможность проводить испытания в более гибких условиях, хотя система дрона может делать это автоматически, основываясь на уровне заряда батареи. Как отмечают разработчики, время зарядки аккумулятора дрона зависит от силы тока в линии. Например, при 100 амперах полная зарядка аккумулятора происходит примерно за 5,8 часа, в то время как при силе тока 1000 ампер дрону будет достаточно 28 минут.

В будущем инженеры планируют сосредоточиться на уменьшении массы дрона и повышении его надежности, а также тестировании оборудования в более отдаленных локациях. Они также намерены расширить сложность миссий, добавив функции инспекции, и исследовать устойчивость системы к неблагоприятным погодным условиям.

Впрочем, дроны могут не только осматривать провода ЛЭП, но и удалять с них мусор — например, с помощью огнемета. Такой подход несколько лет назад протестировали в китайском городе Санъян, провинция Хубэй.