高海拔無(wú)人機(jī)線路巡檢應(yīng)用研究

苗俊李鵬祥李峰王璋呂政揚(yáng)許毅

（1.曲靖供電局，云南曲靖 655000；2.廈門加能電力科技有限公司，福建廈門 361012）

高海拔無(wú)人機(jī)線路巡檢應(yīng)用研究

苗俊1李鵬祥1李峰1王璋1呂政揚(yáng)2許毅2

（1.曲靖供電局，云南曲靖 655000；2.廈門加能電力科技有限公司，福建廈門 361012）

隨著國(guó)家西進(jìn)戰(zhàn)略不斷縱深推進(jìn)，海拔較高對(duì)于線路巡檢人員而言通常存在著低溫、缺氧及輻射高等可能危害健康不利因素，因此使用無(wú)人機(jī)進(jìn)行巡檢極為必要，然而，無(wú)人機(jī)高海拔運(yùn)行也面臨著不小困境，如無(wú)人直升機(jī)使用是燃油發(fā)動(dòng)機(jī)，但在高海拔地區(qū)空氣稀薄會(huì)導(dǎo)致燃油燃燒不充分，會(huì)有動(dòng)力損耗，另外，空氣稀薄還會(huì)影響升力，直升機(jī)在高海拔地區(qū)要通過(guò)更高轉(zhuǎn)速才能獲得和低海拔一樣升力。因此，油機(jī)不適合在云南等較高海拔地區(qū)使用，應(yīng)發(fā)展使用電動(dòng)機(jī)來(lái)進(jìn)行高海拔電網(wǎng)無(wú)人機(jī)巡檢作業(yè)。

高海拔架空線路 無(wú)人機(jī) 無(wú)人機(jī)巡檢

隨著電網(wǎng)的日益擴(kuò)大，巡線工作量日益加大，高海拔地區(qū)的巡檢任務(wù)則更加艱難，曲靖輸電線路區(qū)域絕大部分架空輸電線路都遠(yuǎn)離城鎮(zhèn)和交通干線，分布在崇山峻嶺之間，運(yùn)行條件十分惡劣等特點(diǎn)，傳統(tǒng)的線路運(yùn)行維護(hù)管理模式和常規(guī)作業(yè)方式，多采用肉眼或望遠(yuǎn)鏡人工地面目測(cè)的方法進(jìn)行，巡線方式是人員徒步巡線，巡檢人員到達(dá)這些地區(qū)比較困難，工作效率較低，勞動(dòng)強(qiáng)度大。因此，急需一種高效的高壓線路巡檢方式，保障線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行。而輸電線路無(wú)人機(jī)巡線系統(tǒng)沿桿塔飛行，對(duì)線路通道、桿塔本體及電氣部分進(jìn)行航拍及局部拍照，從而發(fā)現(xiàn)通道隱患及線路缺陷，達(dá)到人員巡視的目的，減輕了人員巡視的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率，為高壓輸電線路巡檢帶來(lái)了極大的便利，無(wú)人直升機(jī)高海拔區(qū)域成功應(yīng)用則是邁向全面發(fā)展的關(guān)鍵一步。

圖1 旋翼系統(tǒng)

圖2 動(dòng)力系統(tǒng)

圖3 巡檢系統(tǒng)

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

架空輸電線路巡檢分正常巡檢、故障巡檢、特殊巡檢三種，檢查包含桿塔、導(dǎo)線、絕緣子、金具、防雷設(shè)施、線路走廊等。因此在無(wú)人機(jī)巡檢系統(tǒng)設(shè)計(jì)可分為三大子系統(tǒng)：無(wú)人機(jī)系統(tǒng)、巡檢系統(tǒng)、通信系統(tǒng)。

1.1 關(guān)于無(wú)人機(jī)系統(tǒng)

無(wú)人機(jī)系統(tǒng)主要包含：旋翼系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)。

1.1.1 無(wú)人機(jī)旋翼系統(tǒng)

旋翼系統(tǒng)中如（圖1）所示，升力大小主要是由槳葉提供的，槳葉的設(shè)計(jì)有氣動(dòng)力方面的要求，同時(shí)還要求有動(dòng)力學(xué)和疲勞方面的技術(shù)。旋翼槳葉是建立在所選用的材料、制作的工藝技術(shù)和旋翼的理論基礎(chǔ)之上。根據(jù)旋翼槳葉的發(fā)展，可分為復(fù)合材料槳葉、金屬槳葉、混合式槳葉三種形式。

圖4 控制系統(tǒng)

圖5 地面系統(tǒng)

圖6 軟件界面

圖7 無(wú)人直升機(jī)油動(dòng)機(jī)

圖8 無(wú)人直升機(jī)電動(dòng)機(jī)

圖9 （效率-電流曲線）

圖10 （不同占空比下電機(jī)機(jī)械特性）

1.1.2 無(wú)人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)

無(wú)人機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)如（圖2）所示，主要是由電動(dòng)或油動(dòng)來(lái)提供能量，直升機(jī)的前進(jìn)動(dòng)力和升力都來(lái)自直升機(jī)的主旋翼，當(dāng)你進(jìn)行細(xì)部觀察時(shí)就會(huì)發(fā)現(xiàn)前進(jìn)的直升機(jī)轉(zhuǎn)到前面和后面的槳葉的槳距是不一樣的，就是葉片傾斜的角度是不一樣的，他們通過(guò)自動(dòng)傾斜器控制。自動(dòng)傾斜器的傾斜會(huì)導(dǎo)致槳葉的槳距發(fā)生周期變化，使得旋翼空氣動(dòng)力不對(duì)稱，槳葉的旋轉(zhuǎn)平面將向所需方向傾斜，旋翼的拉力矢量方向因此發(fā)生改變，這樣就達(dá)到操縱直升機(jī)橫向和縱向飛行的目的。直升機(jī)的俯仰，滾轉(zhuǎn)，當(dāng)然還有前進(jìn)后退都是由槳葉的周期變距操作實(shí)現(xiàn)的。

1.2 關(guān)于巡檢系統(tǒng)

巡檢系統(tǒng)如（圖3）所示，利用無(wú)人直升機(jī)作為載體，裝載可見(jiàn)光照相機(jī)、可見(jiàn)光攝像機(jī)、紅外熱像儀及通信設(shè)備等對(duì)架空輸電線路進(jìn)行巡檢，不僅能代替巡線工人和有人直升機(jī)巡線系統(tǒng)，還可以彌補(bǔ)人工巡線的不足，全方位檢查輸變電線路的情況，并及時(shí)發(fā)現(xiàn)線路故障和隱患，將現(xiàn)場(chǎng)情況傳回地面控制中心。

1.3 關(guān)于通訊系統(tǒng)

無(wú)人機(jī)通訊系統(tǒng)包含：控制系統(tǒng)、地面系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)。

1.3.1 無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)

無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)如（圖4）所示，控制系統(tǒng)包含機(jī)載和地面部分，維持飛機(jī)的穩(wěn)定飛行由機(jī)載部分負(fù)責(zé)并傳輸圖像信號(hào)到地面部分，地面部分根據(jù)無(wú)人機(jī)的狀態(tài)以及得到的圖像信號(hào)作出下一步的任務(wù)信號(hào)，并發(fā)送給機(jī)載部分，為了確保安全飛行，防止飛行機(jī)構(gòu)失控，增加了由飛控手掌握的控制器。機(jī)載部分與地面部分之間有兩條數(shù)據(jù)連接，負(fù)責(zé)傳送圖像和傳送指令和飛行狀態(tài)。地面部分可以分為圖像處理平臺(tái)和地面站部分，地面站與機(jī)載飛行控制器連接，發(fā)送控制命令，獲得飛機(jī)狀態(tài)信息，圖像處理平臺(tái)獲取攝像頭的圖像信號(hào)并處理圖像。

1.3.2 無(wú)人機(jī)地面系統(tǒng)

實(shí)時(shí)顯示直升機(jī)采集的圖像信息，并對(duì)其進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控；圖像信息實(shí)時(shí)錄制，隨時(shí)回放觀看；可以將外部信號(hào)接入地面站進(jìn)行顯示或?qū)⒌孛嬲拘盘?hào)在外接屏幕上顯示如（圖5）所示；

1.3.3 無(wú)人機(jī)軟件系統(tǒng)

無(wú)人機(jī)軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了無(wú)人直升機(jī)地面站系統(tǒng)的導(dǎo)航、空間數(shù)據(jù)處理和三維可視化的功能，基于Java語(yǔ)言編寫整個(gè)地面站軟件系統(tǒng)，嵌入3D GIS，利用Java軟件開發(fā)來(lái)實(shí)現(xiàn)3D GIS導(dǎo)航的過(guò)程。如（圖6）所示。

圖11 無(wú)人直升機(jī)近視角監(jiān)測(cè)桿塔絕緣子、塔材等

2 關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題研究

無(wú)人直升機(jī)根據(jù)動(dòng)力可分為：油動(dòng)無(wú)人直升機(jī)、電動(dòng)無(wú)人直升機(jī)，在低海拔地區(qū)兩者都可以較好地完成任務(wù)，但在高海拔區(qū)域下二者區(qū)別如下：

2.1 關(guān)于油動(dòng)無(wú)人直升機(jī)研究如（圖7）所示

發(fā)動(dòng)機(jī)在高原上工作的適應(yīng)性研究：

2.1.1 氣壓低、缺氧對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

隨著海拔高度的增加，空氣逐漸稀薄，氣壓降低，據(jù)實(shí)測(cè)資料表明，氣壓與海拔高度有下列關(guān)系： PG=PO-CH式中PG某海拔高度的大氣壓力（毫米汞柱），PO海平面處的大氣壓力，PO=760毫米汞柱，H海拔高度（米）大氣中的平均含氧量也是隨著海拔高度的增加而減少的。

在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不變的情況下，非增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的功率Ne是與空氣的比重γ、指示效率η和機(jī)械效率mη成正比。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)在平原與高原上的功率可用下式表達(dá)：

對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)功率影響最大的空氣比重γ，即大氣壓力及進(jìn)入氣缸中的空氣壓力。由于高原地區(qū)空氣稀薄，年平均含氧量低，發(fā)動(dòng)機(jī)在海拔高度每升高1000米時(shí)，其功率就降低百分之10左右，最大扭矩下降的幅度則還要大些，且向高轉(zhuǎn)速方向移動(dòng)。總之，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能下降，性能也隨之變壞。

2.1.2 氣溫對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

隨著海拔高度的增加，氣溫越來(lái)越低。氣溫低會(huì)使啟動(dòng)困難。此外，過(guò)低的溫度會(huì)使金屬及非金屬材料發(fā)生冷脆，并容易斷裂，降低發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命。

2.2 關(guān)于無(wú)人直升機(jī)電動(dòng)機(jī)研究如（圖8）所示

關(guān)于電動(dòng)機(jī)在高原適應(yīng)性的研究：

鑒于云南地處高海拔地區(qū)，具有典型的高原氣候特征，采用聚合物鋰離子電池作為飛機(jī)的動(dòng)力電池作為試研，聚合物鋰離子電池具有以下特點(diǎn)：塑形靈活性；更高的質(zhì)能比（3倍于MH-Ni電池）；完美的安全可靠性；更長(zhǎng)循環(huán)壽命，容量損失少；體積利用率高；廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。

無(wú)人機(jī)所用動(dòng)力電機(jī)為無(wú)刷永磁直流電機(jī)，無(wú)刷電機(jī)取消了由電刷和換向器組成的機(jī)械接觸機(jī)構(gòu)，沒(méi)有機(jī)械摩擦和換向火花，具有效率高、壽命長(zhǎng)、運(yùn)行可靠、無(wú)電磁干攏等優(yōu)勢(shì)。無(wú)刷電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速時(shí)，扭矩及電流計(jì)算公式如下：

式中：I為工作電流，M為扭矩，U為工作電壓，UΔ 為調(diào)速器的導(dǎo)通壓降，n為轉(zhuǎn)速，kv為電機(jī)參數(shù)，r為內(nèi)阻，0I為電機(jī)的空載電流。由以上公式可得，電機(jī)的輸入功率、輸出功率及效率如（圖10）：

根據(jù)以上方法算得效率與實(shí)驗(yàn)對(duì)比如（圖9）所示，在電機(jī)最大工作電流附近相對(duì)誤差為3%-7%，小電流時(shí)為22%。

如（圖10）所示電機(jī)的機(jī)械特性，轉(zhuǎn)速和扭矩隨調(diào)速器控制輸出功率減小而減小。圖中還包含了機(jī)槳在固定轉(zhuǎn)速時(shí)的扭矩-轉(zhuǎn)速曲線，當(dāng)電機(jī)曲線和機(jī)槳的扭矩大于電機(jī)最大扭矩時(shí)，電機(jī)就不能夠驅(qū)動(dòng)螺旋槳啟動(dòng)，這時(shí)應(yīng)該提高輸出的功率，升高電機(jī)的工作電壓。

3 關(guān)于實(shí)地飛行的研究

為證實(shí)之前所述，我們選擇海拔2500m高山地區(qū)，選取一段220KV架空輸電線路，無(wú)人機(jī)系統(tǒng)設(shè)置距離線路約50m，速度4m/s沿線巡檢，并在每級(jí)桿塔懸停觀測(cè)，由于受到高海拔的影響，空氣稀薄（海拔2500米高度時(shí)，空氣含氧量約為低海拔地區(qū)的6成左右），此時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)同樣的吸氣動(dòng)作，實(shí)際吸入的氧氣減少，可供燃燒的氧氣少了，汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出就會(huì)大幅降低，導(dǎo)致無(wú)人直升機(jī)的油動(dòng)發(fā)動(dòng)中的汽油燃燒不完全，加大油門，飛機(jī)不會(huì)往高處飛，達(dá)不到要求的2500米的海拔高度。后將無(wú)人機(jī)的油動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)改成電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，用電池代替汽油作為飛機(jī)的動(dòng)力，起降試驗(yàn)測(cè)試完成，巡檢圖像清晰已經(jīng)能夠滿足對(duì)線路巡檢的要求如（圖11）所示。

經(jīng)過(guò)以上多次試驗(yàn)，證實(shí)電動(dòng)無(wú)人機(jī)更適合于高海拔環(huán)境下的巡檢作業(yè)。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著無(wú)人直升機(jī)技術(shù)的愈趨成熟，其操作系統(tǒng)會(huì)變得更加簡(jiǎn)單，使用性能的優(yōu)越性將會(huì)得到充分的體現(xiàn)，在電力線路巡檢方面將得到更加廣泛的應(yīng)用。

無(wú)人直升機(jī)能夠以自動(dòng)或遙控的方式，通過(guò)預(yù)制定的飛行路線，在衛(wèi)星定位系統(tǒng)的控制和引導(dǎo)下對(duì)高壓輸電線路進(jìn)行巡視，將拍攝和檢測(cè)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸或儲(chǔ)存在硬盤里。從而代替人工對(duì)輸電線路特別是地理環(huán)境惡劣及重要線路進(jìn)行巡檢，及時(shí)發(fā)現(xiàn)桿塔、通道走廊以及運(yùn)行設(shè)備的故障隱患、設(shè)備缺陷等異常現(xiàn)象，減輕工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，降低了巡線的成本，大大提高巡檢的安全保證和自動(dòng)化水平，達(dá)到減負(fù)增效的目的。

［1］張?jiān)骑w.發(fā)動(dòng)機(jī)高原性能研究現(xiàn)狀與展望.《內(nèi)燃機(jī)與配件》雜志，2012［07］： 12-13.

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［3］景巖.無(wú)人機(jī)發(fā)展綜述［J］.《才智》雜志 ，2013［16］：19-21.

［4］飛行器設(shè)計(jì)專業(yè)發(fā)展［A］. 航空科學(xué)技術(shù)學(xué)科發(fā)展報(bào)告（2006-2007）［C］ 2007年：8-9.

［5］陳韜.直升機(jī)在輸電線路運(yùn)檢工作中的技術(shù)研究［D］ 華北電力大學(xué)（北京），2010年：11-12.

As the west strategy has been carried forward， higher for line inspection personnel usually exist in low temperature and hypoxia and the high radiation may endanger health disadvantage， so using unmanned aerial vehicle （uav） for checking is necessary， however， unmanned aerial vehicle （uav） high altitude operation are also facing a big trouble， such as unmanned helicopter is using fuel engine， but at high altitudes thin air will lead to combustion of fuel oil is not sufficient， there will be a power loss， in addition， the thin air can also affect the lift， the helicopter at high altitudes to lift to achieve higher speed and low altitude. As a result， the oil machine is not suitable for use in yunnan higher altitudes， should use motor for high altitude grid drone checking homework.

the high elevation overhead line Unmanned aerial vehicle （uav） Unmanned aerial vehicle （uav） inspection

苗?。?971—），男，本科，研究方向?yàn)檩旊娋€路運(yùn)行、檢查、管理等；李鵬祥（1970—），男，中專，研究方向?yàn)檩旊娋€路運(yùn)行、檢查等；

李峰（1987—），男，本科，研究方向?yàn)檩旊娋€路運(yùn)行、檢查等；王璋（1985—），男，本科，研究方向?yàn)檩旊娋€路運(yùn)行、檢查等；呂政揚(yáng)（1967—），男，本科，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)輸電設(shè)備應(yīng)用研究等；許毅（1987—），男，本科，研究方向?yàn)橹悄軝C(jī)械自動(dòng)化設(shè)計(jì)及應(yīng)用等。