Граф Дронакула. Коптер-«вампир» из Дании сосёт электричество из кабелей ЛЭП

Можно ли использовать в дроностроении вампирский подход к обеспечению себя энергией? Датские инженеры доказали — можно: их коптер может летать вообще не спускаясь на землю для подзарядки, электричество он получает от линий ЛЭП, к которым он присасывается как электрический вампир.

Идея воспользоваться линиями электропередач для зарядки дронов возникла в 2017 году, когда профессор Университета Южной Дании (SDU) Эмад Эбейд размышлял над применением дронов в разных областях, в частности для проверки состояния линий электропередач. Сейчас для этого обычно используют наземный персонал или даже вертолёты, когда речь заходит о труднодоступных местах. Всё это делает проверку длительным и дорогостоящим делом.

Инспекция ЛЭП с помощью коптеров может решить ряд проблем, но имеет своё ограничение — время автономной работы требует достаточно частого спуска на землю для подзарядки даже больших промышленных дронов с ёмким аккумуляторами. И речь идёт не просто о том, чтобы спуститься прямо вниз для подзарядки. Коптеру, который проверяет ЛЭП, может быть придётся лететь обратно к оператору, чтобы тот сменил батарею. А потом тратить время и заряд, чтобы вернуться на то место, с которого дрон улетал на «заправку».

Такое использование в любом случае подразумевает присутствие людей, что сводит на нет саму идею автономной инспекции. Решение стало очевидным — что, если дрон сможет заряжаться сам, без участия человека, тем более что источник энергии совсем рядом?

Как зарядить дрон?

Перед инженерами встали следующие задачи:

• дрон должен сам обнаружить линии электропередачи
• надежно прикрепиться к ним
• научиться «высасывать» электричество из провода и заряжаться

Сложность второй задачи заключалась в том, что дрон вообще не должен взаимодействовать с чем-то кроме воздуха во время полёта и земли во время посадки. Ошибка при закреплении может привести к коротком замыканию и\или падению дрона (с риском возгорания и последующего лесного пожара). В конечном итоге, команда инженеров пришла к тому же, к чему в своё время пришли американцы при исследовании цепной реакции во время «проекта Манхэттен» по созданию своей атомной бомбы.

Суть решения свелась к тому что дрон не садился на провода сверху, а цеплялся за них снизу. В случае «проекта Манхэттен» речь шла о том, чтобы во время эксперимента подводить одну часть радиоактивного материала к другой снизу, чтобы та в случае чего падала, «размыкая» контакт между двумя частями критической массы. Во время первых экспериментов материал клали сверху и в какой-то момент он упал, началась цепная реакция, материал пришлось скидывать вручную и это стоило жизни и здоровья ряду исследователей. Подробнее об этом случае можно прочесть в биографии Ричарда Фейнмана.

Чтобы безопасно и надежно прикрепить дрон к линии электропередачи, датские инженеры воспользовались изолированным электромагнитным зажимом, который захватывает линию электропередачи, не подводя электричество к дрону напрямую. Программное обеспечение дрона распознает, когда захват находится в нужном месте, и активирует электромагнитный механизм, который защелкивается, надежно закрепляя дрон под проводом.

Эта безмоторная конструкция важна, потому что конструкторы не хотели увеличивать вес системы или усложнять её — чем проще, тем меньше вероятность отказа. Когда батареи дрона заряжены, цепь отключает ток, магнит перестает работать, и рукоятка размыкается, освобождая дрона для продолжения полета.

Превращаем дрон в вампира

После того как дрон весом в ~4.2кг прикрепляется к линии электропередачи, настаёт время третей задачи — как использовать линии ЛЭП для зарядки дрона, не превращая тот в огненный шар из металла и пластика. Разумеется, нельзя просто прикрепить коптер к линии, ведь напряжение ЛЭП составляет многие киловольты, оно просто сожжёт коптер, аккумулятор которого рассчитан на условные 9-12в входного напряжения!

В голову технически подкованного читателя уже может прийти в голову решение — индуктивность. Именно ей и воспользовались разработчики, которые разместили в дроне катушку индуктивной зарядки, наподобие тех, что сейчас используются в смартфонах. И от неё уже и идёт зарядка аккумулятора коптера. В зависимости от напряжения дрону требуется подвиснуть под ЛЭП на срок от получаса до 6 часов.

Что в итоге?

У разработчиков ушло порядка 7 лет разработки, чтобы все заработало. Когда дрон обнаруживает, что его аккумулятор емкостью 7000 мАч достиг порогового значения разрядки, коптер переходит в режим поиска и захвата. Камера находит и определяет ближайшую линию электропередачи, дрон подлетает к тому снизу и выдвигает захват.

После того как захват закрывается, фиксируя коптер в подвешенном состоянии под линией электропередачи, запускается индуктивное зарядное устройство и дрон переходит в режим «электрического вампира»

Команда уже провела испытания системы, в ходе которых коптер выполнил пять сеансов подзарядки без какого-либо вмешательства человека. Это дало дрону два часа лётного времени, существенно больше получаса от штатной ёмкости аккумулятора. Теоретически, в таком случае получается, дрон может летать вообще не спускаясь на землю кроме как для профилактического осмотра или ремонта.

Сейчас перед инженерами стоит задача оптимизация системы и тестирование ее долговечности в неблагоприятных погодных условиях. Кроме этого автономность означает работу вдали от оператора, а значит дрон нужно защитить от угона или кражи. Также нужно быть уверенным в прочности и надёжности конструкции.

Разумеется, встаёт вопрос — кто же будет платить за электричество, которое дрон «высасывает» для зарядки? В случае, если дрон используется коммунальными службами или сами оператором линий ЛЭП, то расходы падают на них. И, откровенно говоря, это ничтожные цифры ёмкости относительно объёма потерь при передаче электроэнергии. А если учесть потенциальную экономию, которую сулит такая автономная система инспекции линий электропередач, то вопрос расходов на зарядку можно вообще сбросить со счётов.

Если технология будет отработана, то это открывает огромные перспективы, ведь по всему миру раскиданы миллионы километров линий электропередач, многие из которых находятся в крайне труднодоступных местах. Дрон-«вампир» может отслеживать их состояние 7 дней в неделю, прерываясь лишь на зарядку и какие-то погодные помехи!

Это не первый случай использования дронов для работы в удалённых местах. К примеру, в Бразилии из них выпускают тысячи комаров над джунглями.

В команду инженеров входят: Viet Duong Hoang, Frederik Falk Nyboe, Nicolaj Haarhøj Malle, Emad Ebeid и полная англоязычная статья об этом проекте находится тут.