M200多旋翼無人機在電力巡檢中的應(yīng)用

陳鵬飛

（河南崤函電力供應(yīng)有限責(zé)任公司，河南 義馬 472300）

1 無人機選型在電力巡檢中的定位研究

長期以來，我國電力巡檢大多數(shù)以人工巡檢方式進(jìn)行逐點排查，存在效率低、巡檢結(jié)果無法回看追蹤、復(fù)雜地形人員難以到達(dá)等諸多弊端，已難以滿足增長的電力巡檢需求。因此，國內(nèi)外都加大了對新的電力巡檢方式的研究，并取得了突破性進(jìn)展。目前，已經(jīng)投入試運行的主要有固定翼無人機巡檢方式和多旋翼無人機巡檢方式。固定翼無人機巡檢雖然覆蓋范圍廣、巡檢半徑大、續(xù)航時間長，但無法在空中懸停進(jìn)行定點巡視。

M200多旋翼無人機在電力巡檢中的應(yīng)用實現(xiàn)了架空線路及設(shè)備的精細(xì)化巡視，改變了傳統(tǒng)人工巡檢模式，極大地提高了巡檢效率。操作人員通過數(shù)據(jù)反饋，能夠準(zhǔn)確判斷線路、桿塔以及鐵塔的基本狀態(tài)?；跓o人機航拍采集數(shù)據(jù)，搭建基于地理位置坐標(biāo)的實景平臺，并依托該平臺逐步實現(xiàn)無人機巡檢作業(yè)的智能化和輸電設(shè)備的可視化管理。針對線路隱患，開展以無人機為平臺巡檢的專項治理工作，避免了高壓線路非計劃停電，提高了電網(wǎng)運行的安全性和可靠性。

1.1 M200多旋翼無人機智能避障系統(tǒng)研究

大疆經(jīng)緯M200系列配備了大疆智能避障系統(tǒng)，使飛行器具備環(huán)境感知和決策能力。在執(zhí)行輸電線路巡檢工作時，M200能探測飛行器到鐵塔的距離，在可能出現(xiàn)碰撞時自動懸停。此外，RTK集成了厘米級高精度導(dǎo)航定位系統(tǒng)，采用雙天線測向技術(shù)輸出精準(zhǔn)的航向信息，使飛行更穩(wěn)定。

1.2 M200多旋翼無人機飛控平臺研究

M200系列飛行平臺帶有IP43防護(hù)等級，內(nèi)含雙IMU、氣壓計、指南針以及GPS等20個傳感器，而冗余設(shè)計為飛行安全提供了全方位保障。云臺控制器集成于機身，起到了保護(hù)和防止漂移的作用。M200機體前方和下方各有一個立體視覺系統(tǒng)，上方配備紅外感知系統(tǒng)，可實現(xiàn)前方、下方和上方避障。M200系列飛行平臺配備雙電池冗余系統(tǒng)，飛行安全系數(shù)顯著提升，且在輪流更換電池時仍然保持機體供電狀態(tài)。

1.3 M200多旋翼無人機智能飛行功能研究

M200系列飛行平臺支持多款應(yīng)用程序。DJI FlightHub?軟件套裝可遠(yuǎn)程獲取機載影像和對無人機進(jìn)行管理，該軟件與DJI Pilot?相互兼容。通過互聯(lián)網(wǎng)即可實時監(jiān)控緊急救援隊伍在前線的動向，或遠(yuǎn)程對巡檢過程進(jìn)行評估。DJI FlightHub?可以讓用戶規(guī)劃多臺無人機飛行任務(wù)并進(jìn)行追蹤，通過便捷易用的控制中心，實時查看相機視頻并遠(yuǎn)程控制云臺，還能用航點和動態(tài)電子圍欄功能提前規(guī)劃飛行任務(wù)。基于視覺技術(shù)，M200系列飛行平臺實現(xiàn)了多種智能飛行模式，便于用戶根據(jù)自身需求進(jìn)行工作。

鎖定模式。相機跟隨拍攝對象，同時用戶可以對飛行器進(jìn)行自由控制。

興趣點模式。對建筑或物體進(jìn)行平滑環(huán)繞和全方位觀測。

三腳架模式。在狹窄的環(huán)境中微調(diào)位置和角度，實現(xiàn)精準(zhǔn)和安全飛行。

智能跟隨模式。識別拍攝對象，對運動物體進(jìn)行自動跟隨拍攝。

用戶可通過點擊DJI GO app中的相機界面實景圖，指定飛行器需飛往的區(qū)域，飛行器將自行飛往選取的區(qū)域。若光照條件良好，飛行器在自行飛往指點區(qū)域的過程中，可以躲避障礙物或懸停，進(jìn)一步提升飛行安全性。M200電力巡檢無人機具備前視障礙物感知系統(tǒng)，會不間斷掃描飛行器前方環(huán)境。當(dāng)檢測到障礙物處于飛行路徑上時，飛行器會避免與障礙物碰撞。此外，通過加入鎂合金框架，進(jìn)一步加強了機身整體結(jié)構(gòu)的強度，能夠更好地抵消機械振動對機身內(nèi)部各個精密傳感器的影響。

1.4 多旋翼無人機電力巡檢方法研究

在合適位置，無人機起飛（飛行器為中心半徑10 m區(qū)域內(nèi)上空無障礙物、地面平坦）；上升至距離桿塔上空15 m左右、水平距離15 m左右處，保持飛機云臺向前拍攝的角度和桿塔垂直；調(diào)整飛機云臺角度和變焦倍數(shù)，對桿塔的地線金具掛點進(jìn)行拍攝，然后依次對絕緣子掛點及絕緣子串進(jìn)行拍照。具拍攝完成后，升高飛機高度選擇繼續(xù)前往下一個拍攝點或者返回著陸點。飛機需要懸停在線路兩側(cè)屬裝置如避雷器、避雷針等5 m范圍外進(jìn)行拍攝記錄。正常巡檢時拍攝，可根據(jù)實際情況只對可視范圍外的重點部位（塔頭、絕緣子、金具、通道環(huán)境）拍照。拍攝時，在一側(cè)由下至上、另一側(cè)由上至下，其余保持不變。禁止逆光拍攝，容易損壞相機鏡頭且不能正確成像，遵循拍攝由上向下拍攝原則。對于單回耐張塔，總體上待一側(cè)拍攝完畢，從塔上方越至另一側(cè)拍攝。

1.5 無人機操控人員培訓(xùn)

崤函公司安排技術(shù)人員考取了AOPA駕駛員證件，組織各工區(qū)分別針對外線人員進(jìn)行無人機理論知識培訓(xùn)及操控培訓(xùn)，并購置了飛行模擬器軟件、訓(xùn)練遙控器、教練機（穿越機）用于實操培訓(xùn)。而出于成本和使用方便的考慮，無人機普遍使用電動動力系統(tǒng)。電動系統(tǒng)主要由動力電機（外轉(zhuǎn)子電機）、動力電源以及調(diào)速系統(tǒng)三部分組成。

2 多旋翼無人機電力巡檢作業(yè)流程

無人機巡線作為一種新興的高科技巡檢技術(shù)，現(xiàn)處于試驗研究階段，尚無統(tǒng)一規(guī)范的作業(yè)流程和方案。本課題根據(jù)現(xiàn)有的無人機巡線實際應(yīng)用情況，優(yōu)化總結(jié)多旋翼無人機桿塔巡檢作業(yè)流程，主要分為3個部分：作業(yè)前準(zhǔn)備工作，巡線工作，照片分析與故障診斷。

2.1 制定無人機管理辦法

無人機到位后，公司制定《崤函公司無人機使用管理辦法》，適用于河南崤函公司無人機飛行小組人員對線路巡視的正常飛行巡檢作業(yè)。根據(jù)公司巡檢周期，無人機巡檢地點分別使用于中部、東部以及西部電網(wǎng)。正常巡視周期為每個工區(qū)使用3～4天/月。無人機存放地點為生技科，由生技科保管。如需使用，需提前填寫《崤函公司電力巡檢無人機使用申請單》，經(jīng)相關(guān)管理人員批準(zhǔn)后，無人機才可以用于線路巡檢的正常工作范圍。無人機使用時必須由獲得AOPA駕駛證的工作人員操控。遵循由易至難的巡檢順序，避免不必要的損失。巡檢過程中，要記錄飛行軌跡，記錄相關(guān)資料與電力設(shè)備的對應(yīng)關(guān)系，整理保存飛行過程影像資料。

2.2 明確無人機飛控小組工作職責(zé)

崤函公司嘗試按無人機巡檢工作環(huán)節(jié)分工，分為3個工作小組，分別是無人機巡檢小組、無人機數(shù)據(jù)分析小組和無人機檢修應(yīng)急小組。人員根據(jù)專業(yè)進(jìn)行整合，明確工作職責(zé)，將巡視、評價、檢修以及反饋形成閉環(huán)管理，并完成各環(huán)節(jié)的管理標(biāo)準(zhǔn)、工作目標(biāo)及績效考核細(xì)則。出于飛行安全考慮，默認(rèn)開啟飛行限制功能，包括高度和距離限制以及特殊區(qū)域飛行限制。在可安全飛行狀態(tài)下，特殊區(qū)域飛行限制與高度和距離限制共同影響飛行，飛行器可飛行的空域為所有限制空域的交集。飛行器在可半安全飛行狀態(tài)下，僅受高度限制。限高與限低高度用于限制飛行器的飛行高度，最大半徑用于限制飛行器的飛行距離。用戶可以在DJI GO app中設(shè)置。

2.3 基礎(chǔ)飛行

（1）把飛行器放置在平整開闊地面上，用戶面朝機尾；（2）開啟遙控器和智能飛行電池，運行DJI GO 4 app，連接移動設(shè)備與M200，進(jìn)入“相機”界面；（3）等待飛行器狀態(tài)指示燈綠燈慢閃，進(jìn)入可安全飛行狀態(tài)，然后執(zhí)行掰桿動作，啟動電機；（4）往上緩慢推動油門桿，讓飛行器平穩(wěn)起飛，飛行過程中盡量小幅度推桿，以使飛行平穩(wěn)；（5）需要下降時，緩慢下拉油門桿，使飛行器緩慢下降于平整地面；（6）落地后，將油門桿拉到最低位置并保持3 s以上直至電機停止，注意停機后依次關(guān)閉飛行器和遙控器電源，以免造成失控保護(hù)啟動。

2.4 無人機電力線路巡檢內(nèi)容

通過搭載的禪思Z30遠(yuǎn)攝變焦云臺，M200無人機可存儲拍攝巡線照片和視頻。根據(jù)采集的影像信息，工作人員判斷線路狀態(tài)。該方法能夠有效發(fā)現(xiàn)桿塔表面和線路中存在的隱患，如絕緣子破損自爆、閃絡(luò)痕跡、變形、桿塔存在異物、金具脫落、導(dǎo)線斷股、異物懸掛等。對于表面溫度超過周圍環(huán)境的異常發(fā)熱點，無人機搭載紅外熱像儀能夠通過采集其紅外光譜圖像，判斷線路、線夾、接頭和絕緣子等設(shè)備是否有因故障而導(dǎo)致的發(fā)熱。

2.5 無人機電力線路巡檢數(shù)據(jù)管理

通過無人機巡檢作業(yè)建立線路檔案，結(jié)合地理位置，將圖片信息導(dǎo)入位置并添加地理位置坐標(biāo)，對圖片進(jìn)行分析處理，智能化管理設(shè)備；可以有效收集線路金具、絕緣子以及線路重要交叉跨越等線路資料，有利于發(fā)現(xiàn)線路及附件存在的安全隱患，極大地提高了數(shù)據(jù)整理效率及準(zhǔn)確性；為大修、技改工程立項提供有利的依據(jù)，改善線路狀態(tài)水平[1]。

3 實施效果

通過研究分析無人機電力巡檢技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀，結(jié)合大疆M200無人機的技術(shù)功能特點以及實際巡檢需求，總結(jié)歸納合理的無人機巡檢桿塔作業(yè)流程?？商岣哐簿€作業(yè)人員的安全性，降低巡線成本，無人機成本僅為線路巡檢的5%～15%，飛行成本僅為1%～5%。一般來說，每100 km的輸電線路巡檢需要160個工時，意味著如果要在一個工作日完成100 km的線路巡檢，至少需要20名巡檢人員。工資每人100元，車輛油耗300元，野外誤餐補助每人20元，成本合計0.27萬元，即（100+20）×20+300=0.27萬元；而使用M200無人機巡檢線路方案，每天僅需2人即可完成100 km巡線，車輛油耗100元，合計為340元，即（100+20）×2+100=340元?？梢姡?00 km節(jié)約巡檢費用為0.236萬元。崤函公司線路全長360 km，平均每月需進(jìn)行至少2次以上全線巡檢，平均每月完成電力線路通道和樹障巡視約960 km，每月可節(jié)約費用為2.26萬元，即（960÷100）×0.236=2.26萬。若無人機購置成本合計5萬元，正常使用按10年計算，每年設(shè)備折舊0.5萬元，全年可節(jié)約12×2.26-0.5=26.6萬元。同時，解放出外線檢修人員可為崤函公司其他業(yè)務(wù)創(chuàng)收，根據(jù)公司2018年對外業(yè)務(wù)創(chuàng)收指標(biāo)為800萬，外線檢修人員創(chuàng)收比例系數(shù)約為25%，800×0.25=200萬元，即間接產(chǎn)生經(jīng)濟效益200萬元?？鄢?5%所得稅即（26.6+200）×0.75=169.95萬元，通過無人機巡檢線路全年產(chǎn)值合計為169.95萬元。無人機全面無死角巡檢能力得到驗證，對查找一般及以上樹障缺陷、通道和桿塔本體巡檢效率，較傳統(tǒng)以人力為主的巡檢模式總體提高6倍以上?？梢?，常態(tài)化開展無人機電力巡檢工作，經(jīng)濟效益顯著[2]。

4 結(jié) 論

研究運用大疆M200四旋翼無人機巡檢輸電線路，可有效代替落后的人力巡線，通過掌握該機型的功能及特點，熟悉作業(yè)流程和方法，總結(jié)歸納無人機精細(xì)化巡檢方案，優(yōu)化巡檢路徑，便于快速找出線路的薄弱環(huán)節(jié)，提高線路巡檢高效、安全可靠性、降低巡檢成本。在崤函中部供電區(qū)域進(jìn)行試點后，逐步向東、西部供電區(qū)域推廣?？梢姡脽o人機電力巡檢現(xiàn)已成為巡檢輸電線路的一種新方式，為電力行業(yè)下一步智能化巡檢打下了堅實基礎(chǔ)。