無(wú)人機(jī)在高壓線路巡檢中的關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用＊

陳 強(qiáng)，秦飛躍，王麗明

（黃河交通學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，河南 焦作 454950；焦作市黃河流域生態(tài)監(jiān)控智能無(wú)人機(jī)工程技術(shù)研究中心，河南 焦作 454950）

近些年來(lái)，中國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，與此同時(shí)，高壓輸電線路里程也在快速增長(zhǎng)，但是在中國(guó)中西部地區(qū)，高壓架空輸電線路多建設(shè)在人煙稀少的山地、河流、丘陵、草原等地帶，交通不便，這給線路巡檢和維護(hù)提出了更高的要求，傳統(tǒng)的人巡方式已經(jīng)不能適應(yīng)發(fā)展的要求[1-2]。近幾年來(lái)，隨著無(wú)人駕駛飛機(jī)技術(shù)的快速成熟，中國(guó)在民用無(wú)人駕駛飛機(jī)行業(yè)保持著市場(chǎng)和技術(shù)的絕對(duì)領(lǐng)先，除消費(fèi)級(jí)外，工業(yè)級(jí)無(wú)人駕駛飛機(jī)與各行各業(yè)的結(jié)合應(yīng)用也在快速展開(kāi)，其中在高壓架空輸電線路巡檢方面有多方面的應(yīng)用，已經(jīng)成為線路巡檢重要的手段之一，目前形成了“無(wú)人駕駛飛機(jī)巡檢為主，人巡為輔”的模式，并在向完全代替人巡方面發(fā)展，因此研究無(wú)人駕駛飛機(jī)在高壓架空輸電線路中的巡檢應(yīng)用具有現(xiàn)實(shí)意義和價(jià)值。

1 無(wú)人駕駛飛機(jī)的主要分類

無(wú)人駕駛飛機(jī)（Unmanned Aerial Vehicle，UAV，以下簡(jiǎn)稱“無(wú)人機(jī)”），是一種由動(dòng)力驅(qū)動(dòng)、可操控、無(wú)人駕駛卻能攜帶多設(shè)備、執(zhí)行多任務(wù)，并可重復(fù)使用的無(wú)人駕駛航空飛行器[1]。無(wú)人機(jī)系統(tǒng)主要由無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)、任務(wù)載荷、地面站和保障系統(tǒng)組成，飛行平臺(tái)為無(wú)人機(jī)主體，根據(jù)需求的不同一架無(wú)人機(jī)可搭載不同的任務(wù)設(shè)備，地面站可遙控指揮無(wú)人機(jī)同時(shí)接收無(wú)人機(jī)的數(shù)字和圖像信號(hào)。無(wú)人機(jī)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 無(wú)人機(jī)系統(tǒng)示意圖

無(wú)人機(jī)分類方式多樣，按照用途可分為軍用和民用，本文所指無(wú)人機(jī)為民用。按照飛行原理及結(jié)構(gòu)不同，無(wú)人機(jī)可分為直升無(wú)人機(jī)、固定翼式無(wú)人機(jī)、多旋翼式無(wú)人機(jī)、復(fù)合翼式無(wú)人機(jī)等[3]。

大型無(wú)人直升機(jī)多具有垂直起降、定點(diǎn)懸停等多種功能，但是機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)飛手技術(shù)要求較高，目前在線路巡檢中應(yīng)用很少。固定翼無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、飛行速度快、航程遠(yuǎn)，但是該無(wú)人機(jī)起降需要場(chǎng)地，不能實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)懸停，因此目前在長(zhǎng)距離線路巡檢中應(yīng)用較多。多旋翼無(wú)人機(jī)是近幾年來(lái)發(fā)展速度最快、應(yīng)用最廣泛的一種無(wú)人機(jī)，以鋰電池為主要能源，多為四旋翼、六旋翼和八旋翼3 種形式，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、垂直起降、定點(diǎn)懸停、控制方便等諸多優(yōu)點(diǎn)，并被廣泛應(yīng)用，但是其也存在續(xù)航時(shí)間和通訊距離短的缺點(diǎn)。復(fù)合翼無(wú)人機(jī)是一種將多旋翼和固定翼結(jié)合起來(lái)的一種中大型無(wú)人機(jī)，結(jié)合了固定翼續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)、通訊距離長(zhǎng)和多旋翼垂直起降、定點(diǎn)懸停兩者優(yōu)點(diǎn)，近幾年來(lái)應(yīng)用逐漸廣泛。

2 無(wú)人機(jī)巡線優(yōu)勢(shì)

與人工巡檢相比，無(wú)人機(jī)巡檢具有巡檢效率高、成本低、安全性高、效果好的優(yōu)勢(shì)。高壓架空輸電線路架設(shè)在比較復(fù)雜的地理環(huán)境中，傳統(tǒng)的人工巡檢需要巡檢人員步行至輸電線路附近使用望遠(yuǎn)鏡等工具觀察線路情況，耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)、檢測(cè)成本高、效果難以保障；使用無(wú)人機(jī)檢測(cè)，其飛行速度是人員步行的10 倍以上，且人員不需要到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，避免了地形、距離的不利影響，直接操控?zé)o人機(jī)飛行至需檢測(cè)線路，因此檢測(cè)成本更低、時(shí)間更短、更安全[4]。

傳統(tǒng)人工檢測(cè)時(shí)，檢測(cè)效果與檢測(cè)人員的經(jīng)驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境關(guān)系較大，情況復(fù)雜時(shí)不能完全檢測(cè)出線路異常；使用無(wú)人機(jī)進(jìn)行檢測(cè)，無(wú)人機(jī)可手動(dòng)或按照設(shè)定的航線飛行，只要相機(jī)采集到的圖像就可自動(dòng)檢測(cè)，大大提高了檢測(cè)的質(zhì)量。此外，無(wú)人機(jī)巡檢使用圖像識(shí)別技術(shù)可以快速發(fā)現(xiàn)線路異常并將圖像傳輸給檢測(cè)人員，利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行近距離、多角度檢測(cè)，更容易發(fā)現(xiàn)和判斷異常情況。

3 無(wú)人機(jī)巡檢關(guān)鍵技術(shù)

3.1 圖像處理技術(shù)

無(wú)人機(jī)在進(jìn)行線路巡檢時(shí)，所需要的檢測(cè)區(qū)域大，但無(wú)人機(jī)相機(jī)每次所拍攝區(qū)域有限，需要大量多次拍攝然后將圖像進(jìn)行匹配處理組成完整的檢測(cè)區(qū)域影像，但是無(wú)人機(jī)所拍攝的線路圖像具有幾何畸變較大、相鄰圖像重疊高、光照不均勻等特點(diǎn)，致使圖像匹配具有一定難度，也直接影響拼接及三維重建的效果。目前圖像拼接主要以圖像邊緣相似特征以及像素值作為參考進(jìn)行，圖像重疊部分在不同角度下灰度值會(huì)有差別，一般使用圖像融合的方式進(jìn)行處理；此外也有基于高斯曲率尺度空間的航拍圖像匹配算法進(jìn)行拼接，但是復(fù)雜情況下效果也有限。

另外，由于受雨雪天氣影響，無(wú)人機(jī)所拍攝的圖像模糊導(dǎo)致不能真實(shí)反映現(xiàn)場(chǎng)情況或?qū)z測(cè)結(jié)果存在干擾。對(duì)于簡(jiǎn)單的圖像處理，由于霧雨在圖像上明亮清晰，可以使用像素過(guò)濾值的方法去除；對(duì)于運(yùn)動(dòng)的視頻，需要建立相關(guān)雨雪模型，然后通過(guò)背景分離的方法將雨雪圖像和需檢測(cè)圖像分離，再根據(jù)圖像的明亮程度將雨雪圖像去除[5]。

3.2 巡檢通信技術(shù)

在使用無(wú)人機(jī)對(duì)高壓架空輸電線路進(jìn)行檢測(cè)時(shí)需要地面站和巡檢無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)雙向通信，地面站向無(wú)人機(jī)發(fā)射指令，無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)將飛行數(shù)據(jù)和圖像信息傳輸?shù)降孛嬲疽员氵M(jìn)行下一步指令。無(wú)人機(jī)通訊距離直接限制了單次高壓架空輸電線路檢測(cè)的距離和檢測(cè)效率，目前大疆無(wú)人機(jī)采用OcuSync 圖傳技術(shù)，通訊距離可達(dá)10 km，但是對(duì)于高壓架空輸電線路檢測(cè)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。目前無(wú)人機(jī)遠(yuǎn)距離通信技術(shù)主要有衛(wèi)星通信、5G 通信和中繼通訊（固定中繼、空中中繼）等方式。

衛(wèi)星通信方式具有不受傳輸距離限制的優(yōu)點(diǎn)，能夠支持無(wú)人機(jī)執(zhí)行長(zhǎng)距離的飛行任務(wù)，但是衛(wèi)星通訊天線質(zhì)量大、通訊成本高，主要適用于大型工業(yè)無(wú)人機(jī)[6]。利用5G 移動(dòng)通信技術(shù)在無(wú)人機(jī)上裝載移動(dòng)通信芯片模組，使之成為網(wǎng)聯(lián)無(wú)人機(jī)，該通訊方式可為無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)中長(zhǎng)距離、超視距飛行提供通信鏈路保障，其覆蓋高度可達(dá)3 000 m，距離延伸可達(dá)1 000 km 以上，抗干擾能力強(qiáng)，滿足4K 高清圖像傳輸，延遲時(shí)間短。中繼通信是通過(guò)中間通訊的方法來(lái)增加通信范圍，主要為地面中繼基站通信及無(wú)人機(jī)空中中繼，其中無(wú)人機(jī)空中中繼作為地面中繼基站通信在距離不足時(shí)的補(bǔ)充。

3.3 避障技術(shù)

部分高壓架空輸電線路架設(shè)在環(huán)境復(fù)雜的地區(qū)，無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中容易撞擊障礙物導(dǎo)致墜毀事故，如何躲避障礙物是無(wú)人機(jī)的一個(gè)重要技術(shù)。目前無(wú)人機(jī)避障的主要實(shí)現(xiàn)方式是通過(guò)超聲波、激光雷達(dá)、視覺(jué)傳感器采集數(shù)據(jù)建立障礙物三維模型，在進(jìn)行自主路線規(guī)劃時(shí)繞開(kāi)障礙物飛行；但輸電線較細(xì)，超聲波、激光雷達(dá)傳感器不能很好的識(shí)別，視覺(jué)傳感器的圖像識(shí)別技術(shù)容易受到天氣和周圍環(huán)境的影響[7]。無(wú)人機(jī)避障流程如圖2所示。

圖2 無(wú)人機(jī)避障流程圖

近幾年也在探索新型避障檢測(cè)方法，如將需要巡檢的線路坐標(biāo)輸入飛控系統(tǒng)，使用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)多傳感器數(shù)據(jù)融合方法，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)對(duì)架空輸電線路的自主避障導(dǎo)航；此外，也有人提出輸電線路本身會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)，距離線路越近電場(chǎng)越強(qiáng)的理論，利用距離與電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系，無(wú)人機(jī)感知與導(dǎo)線的位置關(guān)系，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)三維差分避障巡檢帶電導(dǎo)線[8]。

3.4 圖像識(shí)別技術(shù)

早期將無(wú)人機(jī)應(yīng)用于高壓架空輸電線路巡檢時(shí)，主要是使用可見(jiàn)光相機(jī)拍攝圖像，然后再人工查看圖片識(shí)別異常和缺陷，其效率低而且效果受人識(shí)別經(jīng)驗(yàn)影響較大。

目前無(wú)人機(jī)巡檢技術(shù)也朝著智能化方向發(fā)展，飛行平臺(tái)可以搭載可見(jiàn)光相機(jī)、雙光熱成像相機(jī)和激光掃描儀，對(duì)高壓架空輸電線路、塔桿等拍攝照片或視頻，圖3 為使用熱成像相機(jī)檢測(cè)線路塔桿。無(wú)人機(jī)通過(guò)大數(shù)據(jù)對(duì)高壓架空輸電線路異常和缺陷進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，在巡檢過(guò)程中可智能化分辨出線路的異常和缺陷特征、位置等，大大提高檢測(cè)精度和效果，其應(yīng)用范圍更加多樣，在復(fù)雜情況下也能保持較好的檢測(cè)效果。

圖3 熱成像相機(jī)拍攝的塔桿

4 無(wú)人機(jī)在線路巡檢中的主要應(yīng)用

目前，在高壓架空輸電線路巡檢中固定翼無(wú)人機(jī)和多旋翼無(wú)人機(jī)應(yīng)用較廣泛，固定翼無(wú)人機(jī)由于航程遠(yuǎn)、飛行速度快、起飛降落需要場(chǎng)地等特點(diǎn)，主要用于長(zhǎng)距離巡檢；多旋翼無(wú)人機(jī)可垂直起降、定點(diǎn)懸停、飛行時(shí)間短，主要用于定點(diǎn)精細(xì)化巡檢。無(wú)人機(jī)在線路巡檢中的主要應(yīng)用具體包括以下幾個(gè)方面。

4.1 長(zhǎng)距離沿線巡檢

在進(jìn)行長(zhǎng)距離高壓架空輸電線路巡檢時(shí)，固定翼無(wú)人機(jī)根據(jù)高壓架空輸電線路位置坐標(biāo)規(guī)劃飛行航線，飛行過(guò)程中依靠無(wú)人機(jī)配置的超聲波、雷達(dá)等傳感器采集環(huán)境信息，借助避障功能實(shí)現(xiàn)沿高壓架空輸電線路的飛行，使用可見(jiàn)光和紅外相機(jī)采集線路及塔桿的圖像和視頻信息，同時(shí)對(duì)異常情況進(jìn)行檢查、分析，標(biāo)注出異常點(diǎn)位置，最后形成巡檢報(bào)告。

4.2 精細(xì)化巡檢

多旋翼無(wú)人機(jī)主要用于短距離巡檢以及對(duì)固定翼無(wú)人機(jī)檢測(cè)的異常點(diǎn)進(jìn)行精細(xì)化巡檢，無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中圍繞塔桿飛行，通過(guò)圖像的實(shí)時(shí)傳輸功能，使用可見(jiàn)光相機(jī)發(fā)現(xiàn)異物時(shí)可拉近距離或使用變焦相機(jī)對(duì)異物拍攝視頻或圖像。

高壓輸電線路的塔桿主要有直線塔桿和耐張塔桿2 種，對(duì)塔桿進(jìn)行識(shí)別主要有直線特征的提取、篩選分類、圖像的分塊和塔桿區(qū)域判斷、判斷圖像區(qū)域是否存在塔桿4 步；在對(duì)塔桿進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，如果有鳥(niǎo)巢、風(fēng)箏、塑料膜等異物，則圖像內(nèi)塔桿的直線沒(méi)有連續(xù)性，從而識(shí)別異物的位置。

絕緣子是架空線路重要組成部分，長(zhǎng)期暴露在空氣中會(huì)出現(xiàn)自爆、掉串、裂紋破損和異物等問(wèn)題，使用機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對(duì)絕緣子進(jìn)行定位并進(jìn)行缺陷識(shí)別，如圖4所示。

圖4 無(wú)人機(jī)可見(jiàn)光相機(jī)高壓架空輸電線路塔桿巡檢異常

4.3 可視化走廊

使用無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)或者搭載的三維激光雷達(dá)系統(tǒng)，無(wú)人機(jī)按照預(yù)先設(shè)置的航線飛行時(shí)，獲取線路、塔桿以及周圍植被的點(diǎn)云，構(gòu)建線路走廊的三維模型，如圖5所示。在三維模型中，導(dǎo)線與導(dǎo)線、導(dǎo)線與樹(shù)木的距離以及導(dǎo)線的弧垂變化都可以測(cè)量，同時(shí)可以模擬在不同風(fēng)速、溫度及樹(shù)木生長(zhǎng)情況下對(duì)線路的影響情況[9]。

圖5 高壓架空輸電線路可視化走廊

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，已經(jīng)融合到很多行業(yè)的應(yīng)用中，另外無(wú)人機(jī)在圖像處理、通訊傳輸、避障和圖像識(shí)別等關(guān)鍵技術(shù)中不斷突破，高壓架空輸電線路巡檢的要求也越來(lái)越高，無(wú)人機(jī)在巡線中的應(yīng)用也會(huì)更加廣泛，并且朝著飛行平臺(tái)智能化、巡檢智能化、數(shù)據(jù)分析智能化以及與大數(shù)據(jù)融合等方面發(fā)展。