大型無人機(jī)在復(fù)雜環(huán)境下電力巡檢研究

吳冰瑩++戴禮豪++林朝輝

摘 要：為適應(yīng)復(fù)雜飛行環(huán)境，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、長(zhǎng)航時(shí)的電網(wǎng)輸電線路無人機(jī)巡檢，該文提出大型無人機(jī)電力巡檢系統(tǒng)，以Z-5大型無人直升機(jī)為飛行平臺(tái)，搭載中繼數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)、任務(wù)吊艙系統(tǒng)、三維地面站測(cè)控導(dǎo)航系統(tǒng)、飛行避障系統(tǒng)、缺陷故障智能診斷系統(tǒng)，使系統(tǒng)具備無人機(jī)系統(tǒng)自主起降、三維程控飛行、超視距測(cè)控、預(yù)警避障、可見光＼紅外＼紫外巡視以及電網(wǎng)設(shè)備健康狀況診斷評(píng)估等多項(xiàng)實(shí)用化功能。該系統(tǒng)能夠適應(yīng)有山區(qū)、河流等多種復(fù)雜地形氣候環(huán)境的輸電線路巡檢和防災(zāi)減災(zāi)應(yīng)用，并具有遠(yuǎn)距離、精細(xì)化、安全可靠的突出特點(diǎn)，可切實(shí)提高電網(wǎng)線路巡檢的效率和安全性。該系統(tǒng)已經(jīng)在福建省投入實(shí)用化應(yīng)用，應(yīng)用效果良好。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)巡檢 中繼鏈路 任務(wù)吊艙 三維地面站軟件

中圖分類號(hào)：TM75 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）10（a）-0026-02

傳統(tǒng)的人工巡檢方法不僅工作量大而且條件艱苦，特別是對(duì)山區(qū)和跨越江河的輸電線路的巡檢，以及在冰災(zāi)、水災(zāi)、地震、滑坡等災(zāi)情下巡線檢查，所花時(shí)間長(zhǎng)、人力成本高、難度大、風(fēng)險(xiǎn)高。近年來，為減輕人工巡視的負(fù)擔(dān)，提高巡檢工作效率和電網(wǎng)可靠性，無人機(jī)在電網(wǎng)輸電線路巡檢中的應(yīng)用日益廣泛[1-6]。

目前國(guó)家電網(wǎng)多家單位先后研發(fā)了各自的電網(wǎng)巡視專用飛行巡檢系統(tǒng)，然而這些系統(tǒng)大多基于中小型無人機(jī)平臺(tái)，系統(tǒng)存在航程短、載荷低、清晰度不足、抗風(fēng)能力弱、自動(dòng)化程度低等缺陷，在復(fù)雜地形氣候環(huán)境下難以展開實(shí)用化應(yīng)用。為此，該文重點(diǎn)從適用于復(fù)雜環(huán)境，提高巡視距離、巡檢精細(xì)化和安全性入手，結(jié)合輸電線路巡檢、航空、飛行自動(dòng)控制、通信、地理信息、圖像識(shí)別和處理技術(shù)等多項(xiàng)技術(shù)，研發(fā)了一套大型無人機(jī)輸電線路巡檢系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

根據(jù)應(yīng)用需求以及更遠(yuǎn)、更精、更安全的技術(shù)要求，系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)在中繼數(shù)據(jù)鏈支持下30 km以上超視距飛行巡檢；在70 m外自主跟蹤導(dǎo)線，清晰識(shí)別3 mm銷釘級(jí)設(shè)備缺陷；具有應(yīng)對(duì)各種復(fù)雜環(huán)境的飛行安全控制技術(shù)和保護(hù)策略；避障系統(tǒng)能夠在30～100 m范圍內(nèi)探測(cè)厘米級(jí)設(shè)備或障礙物能力，實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜環(huán)境下自主避讓障礙物安全飛行。同時(shí)，為豐富系統(tǒng)功能，提高系統(tǒng)的實(shí)用性和智能性，系統(tǒng)應(yīng)該能夠?qū)崿F(xiàn)無人機(jī)系統(tǒng)全自主盲飛、任務(wù)吊艙系統(tǒng)全自主執(zhí)行拍攝任務(wù)、自主起降、精確規(guī)劃三維航路、智能化評(píng)估診斷電網(wǎng)設(shè)備健康狀況和故障情況等多項(xiàng)實(shí)用化功能。

按照設(shè)計(jì)原則，將大型無人機(jī)電網(wǎng)巡檢系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為無人機(jī)系統(tǒng)、中繼數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)、任務(wù)吊艙系統(tǒng)、三維地面站測(cè)控導(dǎo)航系統(tǒng)、飛行避障系統(tǒng)、缺陷故障智能診斷系統(tǒng)等六個(gè)分系統(tǒng)。

2 大型無人機(jī)在電網(wǎng)巡檢中的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 無人機(jī)分系統(tǒng)

無人機(jī)分系統(tǒng)是飛行的主體平臺(tái)，主要提供飛行能力和裝載的功能。為滿足遠(yuǎn)距離、長(zhǎng)航時(shí)的飛行，并具有足夠的載荷能力，本系統(tǒng)選用Z-5大型無人機(jī)作為飛行平臺(tái)。

大型Z-5無人機(jī)與中型Z-3無人機(jī)技術(shù)參數(shù)對(duì)比如表1所示。

為了使無人機(jī)的飛行控制能力能夠應(yīng)對(duì)山區(qū)、丘陵、河流等復(fù)雜氣候地形環(huán)境，無人機(jī)配套飛控系統(tǒng)具備飛行安全控制技術(shù)，可全自主盲飛、自主起降、具備一鍵返航、低油量返航、失控返航等多種安全歸航保護(hù)措施。

2.2 中繼數(shù)據(jù)鏈分系統(tǒng)

為解決山峰阻擋、多徑折射衰弱和輸電線路強(qiáng)電磁干擾等帶來的通訊問題，有效拓寬無人機(jī)復(fù)雜地形巡線飛行的測(cè)控通信范圍，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用中繼轉(zhuǎn)發(fā)模式的解決方案。中繼數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)采用地面光/電混合中繼和空中中繼兩種模式，并結(jié)合具體使用情況選擇。

數(shù)據(jù)鏈采用L頻段作為通信頻段，上行控制信號(hào)和下行圖像與遙測(cè)信號(hào)均有120 MHz的總帶寬。每個(gè)方向至少能夠涵蓋10個(gè)數(shù)據(jù)通信帶寬，頻點(diǎn)之間不會(huì)存在相互的干擾；能夠?qū)崿F(xiàn)靈活切換，降低外場(chǎng)頻點(diǎn)干擾，確保無線鏈路的正常通信功能；數(shù)據(jù)鏈時(shí)延低，標(biāo)清圖像傳輸延遲不大于260 ms，高清圖像傳輸延遲不大于300 ms，遙控傳輸延遲不大于130 ms，保證了數(shù)據(jù)鏈路的可靠通訊（見圖1）。

2.3 任務(wù)吊艙分系統(tǒng)

任務(wù)吊艙系統(tǒng)包括可見光攝像機(jī)、紅外熱像儀、紫外成像儀、高分辨率照相機(jī)、穩(wěn)定控制系統(tǒng)、圖像跟蹤系統(tǒng)等（見圖2）。

可見光照相機(jī)/攝像機(jī)所獲圖像可檢測(cè)是否存在物理缺陷，導(dǎo)線是否斷股、線路是否有明顯異物、絕緣子是否破損、防震錘否異常等缺陷；紅外圖像可檢測(cè)設(shè)備是否存在熱缺陷：接頭、線夾、耐張管、接續(xù)管等；紫外圖譜可檢查由于連接不良、絕緣子內(nèi)部缺陷等引起的電暈放電[7]。

穩(wěn)定平臺(tái)的精度是系統(tǒng)的重要技術(shù)指標(biāo)。穩(wěn)定控制系統(tǒng)利用高精度陀螺儀隔離吊艙平臺(tái)的擾動(dòng)，具備水平和垂直兩種大角度自動(dòng)掃描方式，可以解決吊艙抖動(dòng)及視場(chǎng)角受限造成圖像采集不清晰、不全面的難題。

圖像跟蹤系統(tǒng)根據(jù)高壓電線的線狀目標(biāo)特點(diǎn)，運(yùn)用智能的跟蹤算法，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜背景下的線狀目標(biāo)檢出和輸電線路自主跟蹤；通過接受到飛機(jī)平臺(tái)的載機(jī)和桿塔的GPS信息，可在無人機(jī)飛出測(cè)控范圍后，全自主跟蹤導(dǎo)線并瞄準(zhǔn)桿塔拍照；吊艙設(shè)計(jì)桿塔凝視功能，通過綜合計(jì)算得到跟蹤輸電線的方位角，送給穩(wěn)定跟蹤控制系統(tǒng)，使無人機(jī)偏離理論航向的情況下對(duì)前方桿塔進(jìn)行凝視對(duì)準(zhǔn)（見表2）。

2.4 三維地面站測(cè)控導(dǎo)航分系統(tǒng)

三維地面測(cè)控導(dǎo)航系統(tǒng)通過加載地理數(shù)據(jù)、三維電網(wǎng)數(shù)據(jù)開發(fā)與無人機(jī)結(jié)合應(yīng)用系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)全程自主飛行和實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)，大幅提高無人機(jī)飛行精度和安全性。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)三維航線的智能化規(guī)劃功能，可實(shí)現(xiàn)與中繼設(shè)備、中繼飛機(jī)、飛控系統(tǒng)、缺陷診斷系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊，為無人機(jī)在在電力線路巡檢和大范圍防災(zāi)減災(zāi)應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

2.5 飛行避障分系統(tǒng)

無人機(jī)避障系統(tǒng)基于毫米波高分辨率雷達(dá)探測(cè)技術(shù)[8]，包括機(jī)載信號(hào)采集模塊及設(shè)置于飛控系統(tǒng)內(nèi)的機(jī)載避障分析模塊，構(gòu)建了無人機(jī)超低空飛行障礙預(yù)警與規(guī)避支撐理論和實(shí)用化系統(tǒng)。endprint

系統(tǒng)可在前視半球面70 m內(nèi)探測(cè)出26 mm直徑的導(dǎo)線，實(shí)現(xiàn)智能避讓輸電導(dǎo)線、樹木等障礙物，保證了無人機(jī)在復(fù)雜地形條件下與電力線路及其它障礙物的安全距離保持，同時(shí)能夠?yàn)闊o人機(jī)飛行控制系統(tǒng)在飛行狀態(tài)下提供實(shí)時(shí)預(yù)警和避障的安全保障。

2.6 缺陷故障智能診斷分系統(tǒng)

系統(tǒng)采用了算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、圖像處理、模式識(shí)別技術(shù)和數(shù)據(jù)融合技術(shù)等多種技術(shù)，通過對(duì)無人機(jī)巡檢獲取的線路設(shè)備多傳感器視頻及圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，建立高壓線路缺陷特征數(shù)據(jù)圖庫(kù)[9]；應(yīng)用圖像識(shí)別技術(shù)和數(shù)據(jù)融合技術(shù)對(duì)線路設(shè)備缺陷進(jìn)行自動(dòng)輔助檢測(cè)診斷和評(píng)估。

3 實(shí)例應(yīng)用

2012年4月至今，國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司福州供電公司無人機(jī)飛行團(tuán)隊(duì)先后在500 kV福東線、220 kV閩建線等11條線路上進(jìn)行無人機(jī)巡檢飛行，租用福州市閩侯竹歧鎮(zhèn)竹岐民用機(jī)場(chǎng)作為飛行保障基地和主要起降場(chǎng)地。巡檢飛行期間，共巡檢飛行78 h，飛行68架次，巡檢797多公里，發(fā)現(xiàn)隱患故障95處。

通過實(shí)際飛行演練，無人機(jī)巡檢系統(tǒng)逐步建立了在山區(qū)、高溫條件下，無人直升機(jī)的小速度帶懸停巡線飛行模式，建立了空中中繼、雙機(jī)同空飛行作業(yè)流程，充分驗(yàn)證了該套系統(tǒng)的可行性和合理性。

4 結(jié)語(yǔ)

大型無人機(jī)巡檢系統(tǒng)，以Z-5大型無人直升機(jī)為飛行平臺(tái)，搭載中繼數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)、任務(wù)吊艙系統(tǒng)、三維地面站測(cè)控導(dǎo)航系統(tǒng)、飛行避障系統(tǒng)、缺陷故障智能診斷系統(tǒng)，具有不受地形環(huán)境限制的優(yōu)勢(shì)，可實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)線路巡視、設(shè)備巡查和災(zāi)情監(jiān)控的一體化管理，實(shí)現(xiàn)山區(qū)等復(fù)雜氣候地形環(huán)境下遠(yuǎn)距離、長(zhǎng)航時(shí)輸電線路巡檢和防災(zāi)減災(zāi)應(yīng)用，提升電力系統(tǒng)防災(zāi)減災(zāi)和線路運(yùn)行管理水平。在無人機(jī)電力巡檢應(yīng)用中，大型無人機(jī)巡檢系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境下遠(yuǎn)距離、長(zhǎng)航時(shí)的應(yīng)用需求中，具有很大的實(shí)用化應(yīng)用前景。同時(shí)，通過無人機(jī)在電力巡檢系統(tǒng)的研究應(yīng)用，也推動(dòng)了民用無人機(jī)在石油管線巡查、森林防火、勘測(cè)測(cè)繪等領(lǐng)域的發(fā)展，推動(dòng)了國(guó)內(nèi)無人機(jī)、數(shù)據(jù)鏈、光電偵察吊艙等高新技術(shù)的研發(fā)應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1] 林韓，林朝輝，湯明文，等.電力輸電線路無人直升機(jī)巡視的應(yīng)用[J].華東電力，2011，39（10）：1657-1660.

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[9] 何思遠(yuǎn)，闌藺，楊大為，等.基于無人機(jī)的輸電塔檢測(cè)方法研究[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2012，33（8）.endprint

系統(tǒng)可在前視半球面70 m內(nèi)探測(cè)出26 mm直徑的導(dǎo)線，實(shí)現(xiàn)智能避讓輸電導(dǎo)線、樹木等障礙物，保證了無人機(jī)在復(fù)雜地形條件下與電力線路及其它障礙物的安全距離保持，同時(shí)能夠?yàn)闊o人機(jī)飛行控制系統(tǒng)在飛行狀態(tài)下提供實(shí)時(shí)預(yù)警和避障的安全保障。

2.6 缺陷故障智能診斷分系統(tǒng)

系統(tǒng)采用了算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、圖像處理、模式識(shí)別技術(shù)和數(shù)據(jù)融合技術(shù)等多種技術(shù)，通過對(duì)無人機(jī)巡檢獲取的線路設(shè)備多傳感器視頻及圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，建立高壓線路缺陷特征數(shù)據(jù)圖庫(kù)[9]；應(yīng)用圖像識(shí)別技術(shù)和數(shù)據(jù)融合技術(shù)對(duì)線路設(shè)備缺陷進(jìn)行自動(dòng)輔助檢測(cè)診斷和評(píng)估。

3 實(shí)例應(yīng)用

2012年4月至今，國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司福州供電公司無人機(jī)飛行團(tuán)隊(duì)先后在500 kV福東線、220 kV閩建線等11條線路上進(jìn)行無人機(jī)巡檢飛行，租用福州市閩侯竹歧鎮(zhèn)竹岐民用機(jī)場(chǎng)作為飛行保障基地和主要起降場(chǎng)地。巡檢飛行期間，共巡檢飛行78 h，飛行68架次，巡檢797多公里，發(fā)現(xiàn)隱患故障95處。

通過實(shí)際飛行演練，無人機(jī)巡檢系統(tǒng)逐步建立了在山區(qū)、高溫條件下，無人直升機(jī)的小速度帶懸停巡線飛行模式，建立了空中中繼、雙機(jī)同空飛行作業(yè)流程，充分驗(yàn)證了該套系統(tǒng)的可行性和合理性。

4 結(jié)語(yǔ)

大型無人機(jī)巡檢系統(tǒng)，以Z-5大型無人直升機(jī)為飛行平臺(tái)，搭載中繼數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)、任務(wù)吊艙系統(tǒng)、三維地面站測(cè)控導(dǎo)航系統(tǒng)、飛行避障系統(tǒng)、缺陷故障智能診斷系統(tǒng)，具有不受地形環(huán)境限制的優(yōu)勢(shì)，可實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)線路巡視、設(shè)備巡查和災(zāi)情監(jiān)控的一體化管理，實(shí)現(xiàn)山區(qū)等復(fù)雜氣候地形環(huán)境下遠(yuǎn)距離、長(zhǎng)航時(shí)輸電線路巡檢和防災(zāi)減災(zāi)應(yīng)用，提升電力系統(tǒng)防災(zāi)減災(zāi)和線路運(yùn)行管理水平。在無人機(jī)電力巡檢應(yīng)用中，大型無人機(jī)巡檢系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境下遠(yuǎn)距離、長(zhǎng)航時(shí)的應(yīng)用需求中，具有很大的實(shí)用化應(yīng)用前景。同時(shí)，通過無人機(jī)在電力巡檢系統(tǒng)的研究應(yīng)用，也推動(dòng)了民用無人機(jī)在石油管線巡查、森林防火、勘測(cè)測(cè)繪等領(lǐng)域的發(fā)展，推動(dòng)了國(guó)內(nèi)無人機(jī)、數(shù)據(jù)鏈、光電偵察吊艙等高新技術(shù)的研發(fā)應(yīng)用。

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[8] 鄭天茹，王濱海，劉俍，等.電力巡線無人直升機(jī)障礙規(guī)避系統(tǒng)[J].山東電力技術(shù)，2012，185（1）：14-17.

[9] 何思遠(yuǎn)，闌藺，楊大為，等.基于無人機(jī)的輸電塔檢測(cè)方法研究[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2012，33（8）.endprint

系統(tǒng)可在前視半球面70 m內(nèi)探測(cè)出26 mm直徑的導(dǎo)線，實(shí)現(xiàn)智能避讓輸電導(dǎo)線、樹木等障礙物，保證了無人機(jī)在復(fù)雜地形條件下與電力線路及其它障礙物的安全距離保持，同時(shí)能夠?yàn)闊o人機(jī)飛行控制系統(tǒng)在飛行狀態(tài)下提供實(shí)時(shí)預(yù)警和避障的安全保障。

2.6 缺陷故障智能診斷分系統(tǒng)

系統(tǒng)采用了算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、圖像處理、模式識(shí)別技術(shù)和數(shù)據(jù)融合技術(shù)等多種技術(shù)，通過對(duì)無人機(jī)巡檢獲取的線路設(shè)備多傳感器視頻及圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，建立高壓線路缺陷特征數(shù)據(jù)圖庫(kù)[9]；應(yīng)用圖像識(shí)別技術(shù)和數(shù)據(jù)融合技術(shù)對(duì)線路設(shè)備缺陷進(jìn)行自動(dòng)輔助檢測(cè)診斷和評(píng)估。

3 實(shí)例應(yīng)用

2012年4月至今，國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司福州供電公司無人機(jī)飛行團(tuán)隊(duì)先后在500 kV福東線、220 kV閩建線等11條線路上進(jìn)行無人機(jī)巡檢飛行，租用福州市閩侯竹歧鎮(zhèn)竹岐民用機(jī)場(chǎng)作為飛行保障基地和主要起降場(chǎng)地。巡檢飛行期間，共巡檢飛行78 h，飛行68架次，巡檢797多公里，發(fā)現(xiàn)隱患故障95處。

通過實(shí)際飛行演練，無人機(jī)巡檢系統(tǒng)逐步建立了在山區(qū)、高溫條件下，無人直升機(jī)的小速度帶懸停巡線飛行模式，建立了空中中繼、雙機(jī)同空飛行作業(yè)流程，充分驗(yàn)證了該套系統(tǒng)的可行性和合理性。

4 結(jié)語(yǔ)

大型無人機(jī)巡檢系統(tǒng)，以Z-5大型無人直升機(jī)為飛行平臺(tái)，搭載中繼數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)、任務(wù)吊艙系統(tǒng)、三維地面站測(cè)控導(dǎo)航系統(tǒng)、飛行避障系統(tǒng)、缺陷故障智能診斷系統(tǒng)，具有不受地形環(huán)境限制的優(yōu)勢(shì)，可實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)線路巡視、設(shè)備巡查和災(zāi)情監(jiān)控的一體化管理，實(shí)現(xiàn)山區(qū)等復(fù)雜氣候地形環(huán)境下遠(yuǎn)距離、長(zhǎng)航時(shí)輸電線路巡檢和防災(zāi)減災(zāi)應(yīng)用，提升電力系統(tǒng)防災(zāi)減災(zāi)和線路運(yùn)行管理水平。在無人機(jī)電力巡檢應(yīng)用中，大型無人機(jī)巡檢系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境下遠(yuǎn)距離、長(zhǎng)航時(shí)的應(yīng)用需求中，具有很大的實(shí)用化應(yīng)用前景。同時(shí)，通過無人機(jī)在電力巡檢系統(tǒng)的研究應(yīng)用，也推動(dòng)了民用無人機(jī)在石油管線巡查、森林防火、勘測(cè)測(cè)繪等領(lǐng)域的發(fā)展，推動(dòng)了國(guó)內(nèi)無人機(jī)、數(shù)據(jù)鏈、光電偵察吊艙等高新技術(shù)的研發(fā)應(yīng)用。

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