CN111145956A - 接触线、接触网和无人机 - Google Patents

Abstract

本案涉及给无人机充电的接触线、接触网、以及配套的无人机。该接触线主要由表面绞合层及其包裹的芯体组成，表面绞合层主要由金属单线(101)构成，形成表面导体，芯体具有被绝缘材料包围的内部导体(103)；表面导体用于给无人机充电，内部导体用于给电力中继提供高压馈电；这样，不用敷设分立的高压馈电线，或依赖沿线外部电源，就可实现长距离线路；另外，内置的光纤(105)可以支持与无人机的通信中继；稀疏地缠绕在表面导体上的绝缘间隔线(102)可以防止接触线相互碰触时发生短路。接触网整体结构简单，易于制造、安装和维护；配套的无人机可以在接触线上停靠充电，并同时执行监视任务。

Description

接触线、接触网和无人机

技术领域

本案属于无人机领域，具体涉及给无人机充电的接触线、接触网，以及配套的无人机。

背景技术

目前无人机开始应用于输电线路、石油管线、交通道路、安防周界、边界等线型设施的巡检。电池的续航能力一直是巡检无人机应用的一个瓶颈，通常无人机在空中飞行30分钟后就需要返回地面充电或者更换电池，才能继续执行飞行任务，这种情况就大大制约了无人机的活动距离和定点监视能力。定点监视是指对事故现场、故障点或其他特定区域的持续监视。

在巡检路径上设置充电点可以缓解这一问题。目前充电点的一般形态为无人停机坪。德国Skysense公司开发的产品包括一个表面镀金的充电平板，镀金层按照特定的规则分成了若干导通区并分配电极；通过外接电源，充电平板可以为无人机提供10A的充电电流。无人机的落脚架足部安装有镀金弹簧触点，通过引线接至电池充电电路；这样无人机只要降落在充电平板上，镀金弹簧触点与充电平板接触，就可进行充电，过程中不需要有人在现场进行干预和辅助。无人停机坪的问题在于有选址占地和供电的要求，缺乏灵活性，成本上也不允许以密集的间隔布设，在充电时，通常不能同时执行监视任务。另一种方案是设置在电杆上的挂靠充电点，不足之处是需要对大量电杆逐个进行改造工作。

借鉴现有的交通接触网技术，沿着巡检线路布设架空接触线，就可以随时随地为无人机提供充电和定点监视停靠点。但目前的接触网一般包括接触线、接触线吊装支架、电杆、高压供电线和变电设备，结构复杂，电杆间距小，安装和维护的工作量很大。

可见，以现有技术实现巡检线路沿线供电，工作量都很大，建设和维护费用不菲。

发明内容

本案的目的是为了提供给无人机充电的接触线、接触网，以及配套的无人机，结构简单，易于制造、安装和维护。

为了解决以上技术问题，在同一个构思下，本案涉及接触线、接触网和无人机三种产品，分别通过以下技术方案实现：

一种接触线，主要由表面绞合层和所述表面绞合层包裹的芯体组成，所述表面绞合层的绞合线主要由金属单线组成，构成表面导体，所述芯体具有被绝缘材料包围的内部导体。

作为优选方案之一，上述接触线，还包括光纤，设置在表面绞合层的绞合线或芯体内。

作为优选方案之一，上述接触线，还包括绝缘间隔线，稀疏地缠绕在表面绞合层上，覆盖比不超过25％，所述绝缘间隔线由绝缘材料制成、或内含导体外面包覆绝缘材料。

作为优选方案之一，上述接触线中，所述芯体具有至少两个内部导体，各自被绝缘材料包围，相互间绝缘。

作为优选方案之一，上述接触线中，所述芯体包括抗拉部件。

一种接触网，包括电源、多根电杆和两根由所述电杆架空平行安装的接触线，所述接触线是上述的接触线，还包括沿线分布的多个降压装置；所述两根接触线的内部导体被全部或部分地分配为馈电线路，所述电源输出端和所述降压装置的高压输入端并联接入所述馈电线路；所述两根接触线的表面导体，构成双导体的充电线路，所述降压装置的低压输出端并联接入所述充电线路。

作为优选方案之一，上述接触网，还包括控制装置，所述控制装置包括无人机通信模块、计算机控制模块和开关部件，所述计算机控制模块连接所述无人机通信模块和开关部件，所述开关部件设置在所述降压装置的低压输出端和充电线路的连接线中，受所述计算机控制模块控制；所述无人机通信模块至少包括WIFI模块、无人机无线电模块、利用充电线路的电力线载波模块、移动电话网络模块中的一种。

作为优选方案之一，上述接触网中，所述两根接触线至少有一根还包括设置在表面绞合层的绞合线或芯体内的光纤，所述控制装置还包括光纤通信模块，与所述光纤和所述计算机控制模块连接。

作为优选方案之一，上述接触网中，所述两根接触线至少有一根还包括设置在表面绞合层绞合线或芯体内的光纤，所述控制装置还包括光纤通信模块，与所述光纤和所述无人机通信模块连接。

一种无人机，包括旋翼悬臂和电池充电电路，至少两个旋翼悬臂的下部设置有金属触条，所述金属触条分别通过引线和电池充电电路连接；所述金属触条朝外的一端布置有起落架支撑腿或防脱钩。

作为优选方案之一，上述无人机中，所述金属触条的工作面上具有棱或齿。

另一种无人机，包括机体和电池充电电路，还包括位于机体上部的横臂，和连接所述横臂中部和所述机体的立臂，所述横臂两边下部各设置一个金属触条，分别通过引线和电池充电电路连接。

另一种无人机，包括机体和电池充电电路，还包括位于机体上部的两个挂钩，和连接所述挂钩和所述机体的立臂，所述挂钩为金属制成或在内侧上部具有金属触条，分别通过引线和电池充电电路连接；两个挂钩开口方向与它们钩顶连线呈0度或180度。

本案的有益效果在于：

在一个绞合式接触线上同时设置了表面导体和内部导体，表面导体用于给无人机充电，内部导体用于高压供电，为充电电路提供电力中继；这样，不用敷设分立并行的高压供电线，或依赖沿线外部电源，就可实现长距离线路；

另外，内置的光纤可以支持与无人机的通信中继；稀疏地缠绕在表面导体上的绝缘间隔线可以防止接触线相互碰触时发生短路。

绞合线结构简单、易于生产、采用张力安装，不需要吊装支架，电杆间距可以较大；接触网整体结构简单，易于制造、安装和维护；

配套的无人机可以在接触线上停靠充电，并同时执行监视任务。

附图说明

包括12幅附图，说明如下：

图1为接触线实施例1结构示意图

图2为接触线实施例2结构示意图

图3为接触线实施例3结构示意图

图4为接触线实施例4结构示意图

图5为接触网实施例1和2结构示意图

图6为接触网实施例1配电箱内部结构示意图

图7为接触网实施例2配电箱内部结构示意图

图8为无人机实施例1结构示意图

图9为无人机实施例2结构示意图

图10为无人机实施例3结构示意图

图11为无人机实施例4结构示意图

图12为无人机充电电路整流器接线示意图

以上附图中：

101为金属单线，102为绝缘间隔线，103为内部导体，104为抗拉部件，105为光纤；

190为表面导体，201为接触线(泛指)，202为控制装置，203为计算机控制模块，204为电力线载波模块，205为无线通信模块，206为电源模块，207为开关部件，208为采样电表，209为光纤通信模块，210为降压装置，251为电杆，252为电源，253为配电箱，261为上行接触线(两根)，262为下行接触线(两根)，291为馈电线路，292为充电线路，296为第一馈电线路，297为第二馈电线路，299为远程终端；

300为无人机，301为机身，302为旋翼悬臂，303为起落架支撑腿，304为防脱钩，305为横臂，306为立臂，307为挂钩，310为金属触条(泛指)，311为第一金属触条，312为第二金属触条，313为第三金属触条，314为第四金属触条，319为引线，320为电池充电电路模块，321为第一整流器，322为第二整流器，351为工作载荷。

具体实施方式

下面结合附图对本案产品的具体实施方式作详细描述，分为接触线、接触网和无人机三个部分。

第一部分 接触线

总体说明：

接触线是绞合线，主要由表面绞合层和其包裹的芯体组成。表面绞合层以正规绞合方式将一组直径相等或大致相等的单线缠绕在一个芯体表面，形成一个排列紧密的单线层，节径比一般设置在5～20之间。芯体也可以是绞合线结构，其外绞合层的螺旋方向宜和表面绞合层相反。

金属单线可以在铝线、铜线、铝合金线、铝包钢线、铜包钢线等中选取。

内部导体可以在铝线、铜线、铝套、铜带、铝合金线、铝包钢线、铜包钢线、镀锌钢线、钢线等中选取。

内部导体的绝缘可以在聚氯乙烯、聚乙烯、交联聚乙烯、橡胶等中选取。

加强件在铝包钢线、铜包钢线、镀锌钢线、钢线、硬铝线、硬拉铜线、铝合金线、尼龙加强芯、玻璃纤维加强芯(FRP)、芳纶纤维加强芯(KFRP)、碳纤维复合芯等中选取。金属类型的加强芯同时可以成为内部导体。

绝缘间隔线可采用支撑芯+耐候包覆结构，支撑芯可以采用和上述加强件相同的材料，或硬质塑料如高密度聚乙烯、工程塑料等，耐候包覆可选择使用黑色聚氯乙烯、黑色聚乙烯、黑色交联聚乙烯、黑橡胶、硅橡胶、硅烷交联聚乙烯等。绝缘间隔线也可以采用单一的具有耐候性能的非金属材料或结构制成。

接触线 实施例1

如图1所示：组成表面绞合层的金属单线101为电工圆铝线；芯体中心为一个内部导体103，由七根铝包钢丝绞合而成，外面挤包高密度聚乙烯绝缘层。内部导体103同时起到抗拉部件的作用。绝缘间隔线102的单线结构为钢丝内芯外包黑色聚乙烯护层，缠绕方向和节距与表面绞合层相同，并使用热熔胶使之固定在表面绞合层上。另外，在表面绞合层中设置一根形式为油膏填充不锈钢管的光缆，内含两根单模通信光纤105。

该接触线结构简单，内部导体耐压可至10kV，具有较高的性价比和应用环境适应性。由于仅具有一个内部导体，使用时，需要利用两根接触线的内部导体形成双导体的高压馈电线路。

接触线 实施例2

如图2所示：组成表面绞合层的金属单线101为电工圆铝线；芯体也为绞合线，中心为七根芳纶纤维加强芯(KFRP)绞合而成的抗拉部件104，外层由七根带聚氯乙烯护套的绝缘铝线和一根光缆组成，绝缘铝线构成内部导体103，光缆内含两根光纤105。表面导体电压为安全电压12V～48V，内部导体耐压400V，在使用时可将7根绝缘铝线分配为：三根并联为相线，三根并联为零线，一根为备用；或者两根为A相，两根为B相，两根为C相，一根为零线。该接触线制造和安装都比较方便，适合城市环境使用。

接触线实施例3

如图3所示：组成表面绞合层的金属单线101为铝合金线；芯体具有两个同轴的内部导体103，由中心向外依次主要为：七根铜包钢线成第一内部导体、内绝缘层、铜带层构成第二内部导体、外绝缘层；另外在表面绞合层中设置1根形式为油膏填充不锈钢管的光缆，内含两根光纤105。内部导体绝缘层材料为交联聚乙烯，耐压至6kV。该接触线适用于野外和其他沿线不能得到外部电源供电的应用场合。

接触线实施例4

如图4所示：组成表面绞合层的金属单线101为硬拉铜线；在表面绞合层外还缠绕了4根绝缘间隔线102；芯体中心为1根碳纤维复合芯，构成抗拉部件104，其外绞合多根硬拉铜线构成内部导体103，其外挤包交联聚乙烯绝缘层。绝缘间隔线102的单线结构为尼龙内芯外包黑色聚乙烯护层，缠绕方向和节距与表面绞合层相同，并使用热熔法使之固定在表面绞合层上；覆盖比略小于25％(覆盖比指绝缘间隔线遮挡表面绞合层的面积的比率)；该接触线适用于较高技术要求的场合中，特别是电杆间距很大，存在两根接触线在风中摆动接触可能的情况。

第二部分 接触网

总体说明：

接触网利用两根接触线的表面导体形成双导体充电线路，利用接触线的内部导体构成相对高压的馈电线路。馈电线路的形式包括三种：1，双导体，可以输送直流或交流电；2，三个导体，输送三相交流电；3，单导体，需要借助大地作为第二个导体，可以输送直流或交流电。电源一般包括三种：1，交流220V/380V市电；2，交流220V/380V市电经升压形成的较高电压等级的交流电；3，交流220V/380V市电经升压-整流形成的较高电压等级的直流电。

由于接触线采用绞合线形式，安装方面可以参考电力架空线的相关技术。

接触网实施例1

一种应用在城市环境的无人机接触网。

如图5所示：接触线201由电杆251架空安装。接触线为两根平行布设，采用接触线实施例1的简化形式(去除光纤和绝缘隔离线)，表面绞合层采用12股4.22毫米电工圆铝线，额定截面积168平方毫米，内部导体采用的铝包钢丝的等效铝截面为24平方毫米。

接触线距地高度4.5米，双线间距50cm，档距50m，耐张段500m；每1000m设置一个配电箱253，设置在电杆上。上行接触线261和下行接触线261各两根，接入配电箱253。电源252为市电220V交流电，接入配电箱253；电源不要求拉到每个配电箱，约每4000m接入一个电源即可，所有电源应为该市电的某一固定相。

如图6所示配电箱253内部结构：上行接触线261和下行接触线261的内部导体103对应地联通，形成馈电线路291；电源252通过开关接入馈电线路291；馈电线路291接入降压装置210输入端，降压装置210为AC-DC开关电源模块，输出为24V直流电，通过开关部件207，正负极分别接两根下行接触线262的表面导体190，形成充电线路292。上行和下行接触线的表面导体不连通，一个配电箱仅为一侧的接触线供电，即充电线路是分段的，两个配电箱之间为一个分段。这样做的益处是当接触线发生短路故障时，可以将故障限制在一个分段中。

控制装置202：核心为计算机控制模块203，连接电力线载波模块204、无线通信模块205，采样电表208，开关部件207；控制装置202通过其内部电源模块206从降压装置210输出的24V直流电线上获电；采样电表208和电力线载波模块204连接在开关部件207后，即相当于接在充电线路292上。无线通信模块205是4G/5G移动电话网络模块。

以上的配置形成了220V交流馈电24V直流充电的无人机接触网。无人机停落并将自身的充电触点分别搭接在正负两极接触线上即可能进行充电。控制装置202的基本工作方式和内容包括：通过电力线载波模块204和无人机进行通信，如充电请求和应答；控制开关部件207的通断动作；根据采样电表208提供的状态量做出保护动作；根据采样电表208提供的状态量和无人报告的电池状态量调节开关部件207，起到直流充电桩的作用。

控制装置202还可以通过无线通信模块205向一个连接4G/5G移动电话网络的远程终端报告状态和接收指令，控制开关部件207的通断。

接触网 实施例2

一种100km级的野外巡线无人机接触网。

如图5所示：接触线201由电杆251架空安装。接触线为两根平行布设，采用接触线实施例3的形式，表面绞合层采用电工圆铝线，额定截面积100平方毫米，内部导体采用的铜包钢丝和铜带，等效铜截面均为16平方毫米。

接触线距地高度6米，双线间距90cm，档距100m，耐张段1000m；每5km设置一个配电箱253，设置在电杆251上。上行接触线261和下行接触线261各两根，接入配电箱253。电源252为1kV交流电，可由市电220V交流电通过一个升压变压器获得，仅需要接入全线任一个配电箱即可。配电箱具有接地线，各接触线表面导体通过氧化锌避雷器和接地线连接。

如图7所示配电箱253内部结构：上行接触线261和下行接触线261的内部导体103对应地联通，形成第一馈电线路296和第二馈电线路297，其中后者为冗余备用设计；电源252经隔离开关接入第一馈电线路296；第一馈电线路296经隔离开关接入降压装置210输入端，降压装置210为交流变压器，输出为220V交流电，通过开关部件207，连接两根下行接触线262的表面导体190，形成充电线路292。上行和下行接触线的表面导体不连通；配电箱仅为下行接触线供电，即充电线路是分段的，两个配电箱之间为一个分段。

控制装置202：核心为计算机控制模块203，连接光纤通信模块209、无线通信模块205、采样电表208、开关部件207；控制装置202通过其内部电源模块206从降压装置210输出的220V交流电线上获电；采样电表208连接在开关部件207后，即相当于接在充电线路292上。无线通信模块205是基于WIFI或无线电台的无人机通信模块；光纤通信模块209为光纤环网交换机；一个远程终端299连接全线任一个光纤通信模块209，即可访问到所有配电箱的控制装置202。

以上的配置形成了1kV交流馈电220V交流充电的无人机接触网。无人机停落并将自身的充电触点分别搭接在两根接触线上即可能进行充电。控制装置202的工作方式和内容包括：通过无线通信模块205和无人机进行通信，如充电请求和应答、传输数据等；通过光纤通信模块209向远程终端299报告状态、上传数据和接收指令；控制开关部件207的通断动作；根据采样电表208提供的状态量做出保护动作。另外，光纤通信模块209和无线通信模块205连接，使远程终端299可以和无人机进行直接通信。

还可以通过增设一套开关部件、采样电表和连接线，将降压装置210输出220V交流电向上行接触线提供冗余的供电。新增的开关部件和采样电表均和计算机控制模块203连接。

第三部分 无人机

总体说明：

无人机为多旋翼飞机，带电池和充电电路。充电电路的前端为保护和整流电路，由于它们是无源的，可以和充电电路的其他部分布置一个模块中，也可以分开布置，更靠近接触部件。

无人机 实施例1

如图8所示：为四旋翼无人机，电池和充电电路模块320设置在位于中央的机身301中，机身下方挂工作载荷351。四个旋翼悬臂302的下方均嵌有金属触条310，为铝合金条或铜合金条，下部具有棱(见A-A放大图)。起落架支撑腿303设置在旋翼悬臂302的末端。

这样，无人机具有四根金属触条(见顶视图)，按照顺时针顺序依次为第一金属触条311、第二金属触条312、第三金属触条313、第四金属触条314，他们分别通过各自的引线319连接至充电电路模块320。

如图12所示充电电路模块320和四个金属触条的接线方法：第一金属触条311和第三金属触条313结对分别连接至第一整流器321，第二金属触条312和第四金属触条314结对分别连接至第二整流器322；两个整流器并联输出正负电极至后道处理。注意，此图为相关接线原理图，整流器前的保护电路未画出。

如图8所示：无人机跨骑在两根接触线201时，四个充电接触条各将碰触到两根接触线中的一根。通过如图12所示的接线方法，充电电路模块320获电，可对电池进行充电操作。

金属触条工作表面具有棱可以有利于破坏接触线表面导体的氧化层，并获得较大的摩檫力，防止滑动；用齿形替换可以起到相同的效果。

无人机 实施例2

如图9所示：为四旋翼无人机，电池和充电电路模块设置在位于中央的机身301中，机身下方挂工作载荷351。四个旋翼悬臂302的下方有金属触条310，旋翼悬臂302的末端、也是金属触条朝外的一端，设置防脱钩304；金属触条310和旋翼悬臂302之间存在一个间隔，整体结构具有较好的刚性。起落架支撑腿303设置在机身301的下方。

防脱钩304可以防止已经停落在接触线201的无人机发生滑落，为了避免牵绊到起飞动作，防脱钩304的内缘向内与水平线的角度不小于90度。

无人机 实施例3

如图10所示：为多旋翼无人机，电池和充电电路模块设置在位于中央的机身301中，机身下方挂工作载荷351。机身301通过立臂306连接横臂305；横臂305具有两根金属触条310，布置在两侧下部边缘，形式为铝合金条，下部具有棱；横臂305的两个末端均设置防脱钩304。

立臂306和横臂305主体由工程塑料或纤维加强塑料制成，立臂306为空心杆结构，两根金属触条310分别通过贯穿立臂306的引线连接至位于机身301内的电池充电电路模块。立臂306内部也可以具有预置的金属导体，起到引线的作用。

如图10所示：无人机将其横臂305搭接在两根接触线201时，充电接触条将碰触到接触线，即可对电池进行充电操作。要完成这一搭接动作，无人机需要：飞至接触线201正下方、调整横臂305和接触线201平行并在中心面上、适当上升使横臂305略高于接触线201、旋转90度、下降至横臂305接触到接触线201。

无人机 实施例4

如图11所示：无人机主体结构和实施例3相同，差异在于：由两个挂钩307取代了横臂形式，

挂钩307为工程塑料或纤维加强塑料制成，金属触条310设置在其内侧，形状和挂钩相吻合。或者挂钩307为金属材料制成，成为金属触条本身。

图11给出了两种形式：两个挂钩开口方向相反、两个挂钩开口方向相同。两种形式中，两个挂钩都在布置在一个平面内，即开口方向与两个挂钩钩顶连线呈0度或180度。

Claims (13)

1.一种接触线，其特征在于，主要由表面绞合层和所述表面绞合层包裹的芯体组成，所述表面绞合层的绞合线主要是金属单线，构成表面导体，所述芯体具有被绝缘材料包围的内部导体。

2.根据权利要求1所述的接触线，其特征在于，还包括光纤，设置在表面绞合层的绞合线或芯体内。

3.根据权利要求1或2所述的接触线，其特征在于，还包括绝缘间隔线，稀疏地缠绕在表面绞合层上，覆盖比不超过25％，所述绝缘间隔线由绝缘材料制成、或内含导体外面包覆绝缘材料。

4.根据权利要求1或2所述的接触线，其特征在于，所述芯体具有至少两个内部导体，各自被绝缘材料包围，相互间绝缘。

5.根据权利要求1或2所述的接触线，其特征在于，所述芯体包括抗拉部件。

6.一种接触网，包括电源、多根电杆和两根由所述电杆架空平行安装的接触线，其特征在于，所述接触线是如权利要求1所述的接触线，还包括沿线分布的多个降压装置；所述两根接触线的内部导体被全部或部分地分配为馈电线路，所述电源输出端和所述降压装置的高压输入端并联接入所述馈电线路；所述两根接触线的表面导体，构成双导体的充电线路，所述降压装置的低压输出端并联接入所述充电线路。

7.根据权利要求6所述的接触网，其特征在于，还包括控制装置，所述控制装置包括无人机通信模块、计算机控制模块和开关部件，所述计算机控制模块连接所述无人机通信模块和开关部件，所述开关部件设置在所述降压装置的低压输出端和充电线路的连接线中，受所述计算机控制模块控制；所述无人机通信模块至少包括WIFI模块、无人机无线电模块、利用充电线路的电力线载波模块、移动电话网络模块中的一种。

8.根据权利要求7所述的接触网，其特征在于，所述两根接触线至少有一根还包括设置在表面绞合层的绞合线或芯体内的光纤，所述控制装置还包括光纤通信模块，与所述光纤和所述计算机控制模块连接。

9.根据权利要求7所述的接触网，其特征在于，所述两根接触线至少有一根还包括设置在表面绞合层的绞合线或芯体内的光纤，所述控制装置还包括光纤通信模块，与所述光纤和所述无人机通信模块连接。

10.一种无人机，包括旋翼悬臂和电池充电电路，其特征在于，至少两个旋翼悬臂的下部设置有金属触条，所述金属触条分别通过引线和电池充电电路连接；所述金属触条朝外的一端布置有起落架支撑腿或防脱钩。

11.根据权利要求10所述的无人机，其特征在于，所述金属触条的工作面上具有棱或齿。

12.一种无人机，包括机体和电池充电电路，其特征在于，还包括位于机体上部的横臂，和连接所述横臂中部和所述机体的立臂，所述横臂两边下部各设置一个金属触条，分别通过引线和电池充电电路连接。

13.一种无人机，包括机体和电池充电电路，其特征在于，还包括位于机体上部的两个挂钩，和连接所述挂钩和所述机体的立臂，所述挂钩为金属制成或在内侧上部具有金属触条，分别通过引线和电池充电电路连接；两个挂钩开口方向与它们钩顶连线呈0度或180度。

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