一种适用于高原山区的光伏组件无人机高空更换装置的制作方法

本发明涉及一种适用于高原山区的光伏组件无人机高空更换装置，属于光伏板运输。

背景技术：

1、高原山区光伏电站建设中，山地地形复杂、道路不通，光伏组件的搬运与更换长期依赖人力背运或骡马运输，效率低、风险高。随着无人机技术的发展，采用无人机吊装光伏组件已成为山地光伏运维的重要发展方向。然而，在海拔较高的山区，空气密度随海拔升高而降低，无人机有效载荷随之下降；与此同时，传统气浮对接方案所需的空压机、储气罐等附属设备自重较大，在高原环境下会进一步挤占无人机的载重余量，且空压机依靠吸入外界空气建立压力，高原低密度进气直接导致其排气量和出口压力双双衰减，即便勉强搭载也无法提供足够的气膜承载力。因此，如何在减重的前提下实现光伏组件在高空更换时的平稳对接与自动对中，是高原山区光伏运维亟待解决的技术难题。

2、中国专利cn202520994261.3公开了一种基于无人机的光伏板快速吊装装置，包括无人机主体、u字型连接架、第一连接绳以及吸盘支架，吸盘支架上安装有多个真空吸盘用于吸附光伏板，吸盘支架顶部安装有控制箱，四角上均安装有辅助机构；该装置通过真空吸盘吸附光伏板，具有吸附力强、固定牢固的特点，能够有效防止光伏板在吊装过程中发生位移或掉落，且吸盘支架可调，适用于不同规格和形状的光伏板吊装；但该装置在高原山区应用场景下存在以下不足：其一，该装置主要依赖真空吸盘进行吸附固定，未利用旋翼组件产生的下洗气流作为气源，若要在高空对接时实现气膜缓冲与自动对中，仍需额外搭载空压机等气源设备，在高原低空气密度环境下，不仅会进一步挤占无人机本已紧张的有效载荷，且空压机的排气量和出口压力会因进气密度下降而衰减，无法提供稳定的气膜承载力；其二，该装置在光伏板下放至支架卡扣的过程中，缺乏非接触的缓冲与对中机制，光伏板与支架卡扣之间容易产生硬性碰撞，且难以在对接过程中自动纠正偏斜，对接精度与作业可靠性受限。

技术实现思路

1、为了解决现有技术所存在的上述问题，本发明提供了一种适用于高原山区的光伏组件无人机高空更换装置，实现了减重与保压的双重目的。

2、本发明的技术方案如下：

3、一种适用于高原山区的光伏组件无人机高空更换装置，包括无人机主体、旋翼组件、用于吊起光伏组件的卷扬收放机构和气膜对接单元；气膜对接单元包括气膜对接盘和导流集气腔，气膜对接盘固定设置于卷扬收放机构的下表面并位于光伏组件的上方，气膜对接盘的下表面为喷吹面，喷吹面上开设有多个节流微孔；导流集气腔设置于气膜对接盘的上部，并与节流微孔相连通；还包括导气管，导气管与导流集气腔的进气口相连通，另一端延伸至旋翼组件下方的下洗气流区域，用于将旋翼组件旋转所产生的下洗气流经节流微孔朝向光伏组件的上表面喷出，从而在光伏组件的上表面与支架卡扣的上表面之间形成气膜；节流微孔的孔径与对接间隙被配置为根据目标作业海拔的空气密度确定，以使气膜的承载力与刚度维持在预设工作区间内。

4、其中，无人机主体包括机身总成、三个以上机臂总成、挂载平台、飞控系统、电源模块和通信模块；每个机臂总成的一端与机身总成相连，另一端设置有旋翼组件，旋翼组件包括电机和由电机驱动的螺旋桨；挂载平台设置于机身总成的底部；飞控系统、电源模块和通信模块设置于机身总成内，飞控系统用于控制无人机主体飞行、悬停与定位，通信模块用于接收地面遥控指令；导气管的一端设置于螺旋桨下方。

5、其中，挂载平台的下部固定安装有吊装框架；吊装框架由多根框架杆件连接而成，其中心位置设置有中心吊柱，中心吊柱的上端与框架杆件固接，下端设置有供吊绳穿过的导向部。

6、其中，卷扬收放机构包括卷扬机和吊绳和吊梁；卷扬机固定安装于吊装框架上并与飞控系统电性连接；吊绳的一端缠绕并固定于卷扬机的卷筒上，另一端向下穿过中心吊柱的导向部后伸出；吊梁的中点与吊绳的伸出端固定连接，吊梁的下端设置有朝下延伸的若干真空吸盘，真空吸盘的内部具有吸气腔，吸气腔通过开设于真空吸盘上端的吸气口经第二支路与导气管相连通；第二支路中设置有换向阀和文丘里真空发生器；换向阀具有三个工作位：

7、吸附位：导气管内的下洗气流经换向阀进入文丘里真空发生器的驱动气口，驱动气在文丘里喷嘴喉部加速并形成低压区；文丘里真空发生器的真空口与吸气腔相连通；吸气腔内因空气被持续卷吸而压力降低，形成低于环境大气压的负压，从而在真空吸盘的吸附面上产生向上的吸附力；

8、保压位：换向阀封闭第二支路维持负压；

9、释放位：换向阀切换通路，导气管内的下洗气流经第二支路直接灌入吸气腔内，破除负压。

10、其中，还包括姿态调节机构，姿态调节机构设置于吊梁与真空吸盘之间，用于调节吊梁相对于水平面的俯仰角度，使光伏组件的倾角与支架卡扣的倾角相一致。

11、其中，导气管通过第一支路与导流集气腔的进气口相连通；真空吸盘的吸气口与导流集气腔的进气口经第二支路与第一支路并联连通于导气管的出气端。

12、其中，悬停状态下，螺旋桨产生的下洗气流经导气管分流后，通过节流微孔朝向光伏组件的上表面喷出，在喷吹面与光伏组件的上表面之间形成气膜；

13、下洗气流的等效供气压力由悬停时的动量平衡确定：，式中，为全部旋翼组件的总推力且等于无人机主体与光伏组件的总重量，为旋翼组件（13）的数量，为单个螺旋桨旋转所扫过的桨盘面积；

14、通过单个节流微孔的流入质量流量满足等熵小孔节流方程：，式中，为节流微孔出口处的气膜压力，为空气比热比；为气体常数，为热力学温度；流量系数满足：，式中，为下洗气流在节流微孔处的雷诺数；

15、自喷吹面边缘流出的质量流量满足径向层流流动方程：，式中，为空气的动力粘度，为环境大气压力，为喷吹面的外半径，为节流微孔分布区域的等效内半径；

16、气膜稳定形成的条件为：经节流微孔流入的质量流量等于自喷吹面边缘流出的质量流量，公式为：。

17、其中，姿态调节机构为电动推杆。

18、其中，真空吸盘包括吸盘本体和设置于吸盘本体下端面的柔性裙边。

19、本发明具有如下有益效果：

20、本发明通过导气管将旋翼组件产生的下洗气流同时引入真空吸盘的真空腔和气膜对接盘的导流集气腔，使同一股下洗气流同时承担吸盘吸附和气膜供气的双重功能，实现了取消独立空压机和真空泵的目的，达到了减轻装置自重、简化气路结构的效果。

21、本发明通过将导气管的进气端设置于螺旋桨下方的下洗气流区域，利用下洗气流在桨盘处的等效供气压力与空气密度无关的特性，使供气压力在高海拔环境下不发生衰减，同时下洗气流的体积流量随海拔升高而增大，实现了在高原山区无需增设压力补偿装置即可维持气膜稳定供气的目的，达到了适应高海拔作业环境的效果。

22、本发明通过真空吸盘的柔性裙边与光伏组件上表面贴合形成微小缝隙，使下洗气流从该缝隙高速喷出产生真空负压实现吸附，并在组件落位后通过减小旋翼转速降低下洗气流总量使负压减弱，同时利用气膜对接盘形成的正压气膜施加反向推力将组件推离吸盘，实现了吸附与释放均由同一气源自适应控制、无需额外电磁阀或机械脱扣机构的目的，达到了简化控制系统、提高操作可靠性的效果。

23、本发明通过气膜对接盘的喷吹面与光伏组件上表面之间形成的气膜，在组件下放过程中提供向上的支承力，并在组件发生偏斜时因气膜间隙变化产生恢复力矩实现自动对中，实现了以非接触方式完成组件与支架卡扣对接的目的，达到了避免刚性碰撞损伤、降低人工操作难度的效果。