無(wú)人機(jī)巡檢技術(shù)研究與應(yīng)用

李寧

（廣州南方衛(wèi)星導(dǎo)航儀器有限公司 廣東省廣州市 510000）

隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，它們?cè)诩芸蛰旊娋€路上的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，發(fā)揮出了越來(lái)越大的作用。為了提升架空輸電線路的運(yùn)行效率和質(zhì)量，以滿足當(dāng)今社會(huì)對(duì)安全可靠的要求，線路運(yùn)檢人員應(yīng)該積極探索和利用無(wú)人機(jī)技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)日常巡檢的有效監(jiān)控，從而推動(dòng)行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。隨著科技的迅猛發(fā)展，無(wú)人機(jī)技術(shù)已經(jīng)取得了巨大的成就，并被廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域[1]。無(wú)人機(jī)的硬件和軟件設(shè)備也日益完善，特別是在輸電線路的檢測(cè)方面，它們可以有效地克服傳統(tǒng)檢測(cè)方式的局限性，及時(shí)發(fā)現(xiàn)線路運(yùn)行中的潛在危險(xiǎn)，特別是在惡劣的天氣狀況和復(fù)雜的地形環(huán)境下，能夠迅速收集現(xiàn)場(chǎng)信息，減少維護(hù)人員的損失，極大地提升了檢測(cè)的效率。

1 巡檢無(wú)人機(jī)系統(tǒng)要求

1.1 使用環(huán)境要求

無(wú)人機(jī)巡檢系統(tǒng)應(yīng)滿足如下要求：

（1）起飛海拔高度：1000m ～3000m 符合GB/T20626.1 的規(guī)定；

（2）實(shí)用升限：3500m；

（3）工作溫度：-15℃～+55℃；

（4）相對(duì)濕度：≤95%（+25℃）；

（5）在極端的降雨（雪）天氣中，飛機(jī)可以安全地短暫停留；

（6）防潮濕、防鹽霧、防霉菌設(shè)計(jì)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

1.2 固定翼無(wú)人機(jī)性能要求

（1）有效載荷重量：≥1kg；

（2）最大續(xù)航時(shí)間：≥1h；

（3）最小作業(yè)真高：100m；

（4）巡航速度：≥70km/h；

（5）航程：≥70km；

（6）抗風(fēng)性能最低要求：10m/s（距地面2m 以上，瞬時(shí)風(fēng)速）；

（7）飛行中水平位置控制精度：≤5m，飛行中垂直位置控制精度：≤10m；

（8）電磁兼容性符合GB/T17626.5 的規(guī)定；

（9）應(yīng)能承受正常操作、發(fā)射、回收、飛行中所遇到的振動(dòng)、沖擊、加速度。

1.3 起降方式要求

（1）宜采用垂直方式起飛，可采用滑跑、彈射、車載等方式起飛。

（2）采用彈射方式起飛的固定翼無(wú)人機(jī)應(yīng)能承受彈射時(shí)受到的沖擊，彈射架應(yīng)便于操作和運(yùn)輸，重量不宜過(guò)大。

（3）降落時(shí)應(yīng)采用垂直方式，可以通過(guò)滑行、機(jī)腹擦地、傘降和撞網(wǎng)等方式實(shí)現(xiàn)。

（4）固定翼無(wú)人機(jī)在降落時(shí)，機(jī)腹擦地處應(yīng)當(dāng)采用耐磨材料，以確保任務(wù)載荷、測(cè)控通信設(shè)備（包括天線）、發(fā)動(dòng)機(jī)、電池等關(guān)鍵零部件能夠得到有效的保護(hù)，避免受到外力的直接沖擊。

（5）固定翼無(wú)人機(jī)在傘降過(guò)程中，必須采取有效的防護(hù)措施，以確保任務(wù)載荷、測(cè)控通信設(shè)備（包括天線）、發(fā)動(dòng)機(jī)、電池等關(guān)鍵部件免受外力的沖擊。

（6）固定翼無(wú)人機(jī)在撞網(wǎng)降落時(shí)，機(jī)身結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)采用后置螺旋槳，以確保任務(wù)載荷、測(cè)控通信設(shè)備（包括天線）、發(fā)動(dòng)機(jī)、電池等關(guān)鍵零部件能夠得到有效的保護(hù)和維護(hù)。

1.4 任務(wù)載荷性能要求

1.4.1 可見(jiàn)光相機(jī)性能要求

（1）有效像素：≥2400 萬(wàn)；

（2）當(dāng)作業(yè)高度達(dá)到200m 時(shí)，成像質(zhì)量可以準(zhǔn)確識(shí)別航線兩側(cè)各100m 范圍內(nèi)的0.5m*0.5m 的靜態(tài)目標(biāo)，從而確保航行安全。

1.4.2 可見(jiàn)光攝像機(jī)性能要求

（1）有效像素：≥1280（H）×720(V)；

（2）光學(xué)變焦倍數(shù)：≥10；

（3）當(dāng)作業(yè)高度達(dá)到200m 時(shí)，能夠準(zhǔn)確地捕捉到航線垂直方向上兩側(cè)各100m 范圍內(nèi)的3m*3m 的靜態(tài)目標(biāo)，從而獲得優(yōu)質(zhì)的影像。

1.4.3 紅外熱像儀性能要求

（1）分辨率：≥640（H）×480（V）；

（2）熱靈敏度：≤65mK；

（3）幀率：≥25fps；

（4）視頻輸出格式：PAL；

（5）空間分辨率：優(yōu)于1.5mrad。

1.5 測(cè)控通信設(shè)備性能要求

（1）通視條件下，測(cè)控通信距離：≥20km；

（2）圖像傳輸速率：≥2Mbps；

（3）誤碼率：≤10-6；

（4）通視條件下，測(cè)控通信響應(yīng)時(shí)間，上行時(shí)延≤20ms，下行時(shí)延≤400ms。

1.6 地面站性能要求

（1）體積：≤500mm（L）×400mm（W）×250mm（H）；

（2）重量：≤15kg；

（3）額定功率：≤80W；

（4）在額定功率下，電池供電的工作時(shí)間應(yīng)該超過(guò)5h；

（5）在待機(jī)狀態(tài)下，電池供電的運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)應(yīng)超過(guò)10h；

（6）整體防護(hù)等級(jí)：不低于IP64 符合GB/T4208的規(guī)定。

1.7 電磁兼容性要求

（1）根據(jù)GB/T17626.5 的要求，電磁兼容性設(shè)計(jì)必須滿足500kV 及更高的交直流輸電線路的100m 范圍內(nèi)的安全性和可靠性；

（2）為了保證電纜的安全性，建議使用雙層屏蔽同軸電纜，并使用雙絞線來(lái)傳輸控制信息；

（3）具有良好雷擊浪涌抗擾度能力[1]。

1.8 可靠性要求

（1）可靠性工作的項(xiàng)目和要求符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定；

（2）可靠性設(shè)計(jì)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定；

（3）飛行控制系統(tǒng)平均無(wú)故障時(shí)間：>150h；

（4）發(fā)動(dòng)機(jī)平均無(wú)故障時(shí)間：>150h；

（5）發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命：>1000h；

（6）動(dòng)力電池充放電次數(shù)：≥300 次；

（7）由于其優(yōu)異的導(dǎo)通性和穩(wěn)定的連接，動(dòng)力電池接頭的外部絕緣強(qiáng)度也得到了顯著提升；

（8）軟件安全性措施方面應(yīng)符合機(jī)載軟件安全性相關(guān)規(guī)定。

1.9 操作性要求

（1）系統(tǒng)展開(kāi)時(shí)間應(yīng)小于20min；

（2）系統(tǒng)撤收時(shí)間應(yīng)小于10min；

（3）為了避免混淆，電氣連接必須清晰地標(biāo)示；

（4）零部件更換應(yīng)方便、快捷。

1.10 維修性要求

（1）為了確保工作效率，應(yīng)該提供合適的工作區(qū)域和操作空間，以便于訪問(wèn)；

（2）應(yīng)盡量采用標(biāo)準(zhǔn)件和模塊化設(shè)計(jì)，提高設(shè)備、組件的互換性[2]；

（3）應(yīng)盡可能降低維修技能要求，除少數(shù)故障需要專業(yè)人員外，其它故障均可由用戶完成維修；

（4）其它維修性要求符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

2 巡檢無(wú)人機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成

隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，能夠完成復(fù)雜任務(wù)的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展出了多個(gè)分支機(jī)構(gòu)[2]，其中包括：

（1）無(wú)人機(jī)由多個(gè)部件組成，包括機(jī)身、推進(jìn)系統(tǒng)、操縱和維護(hù)設(shè)施。

（2）該任務(wù)設(shè)備包括：戰(zhàn)斗監(jiān)控、電子防御、通信中繼、攻擊指揮、電子偵查、核生化探測(cè)、戰(zhàn)場(chǎng)測(cè)繪和靶標(biāo)設(shè)備。

（3）通過(guò)無(wú)線電遙控/遙測(cè)技術(shù)、信息傳輸技術(shù)和中繼轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)控和信息傳輸?shù)娜婀芾怼?/p>

（4）飛行控制與管理系統(tǒng)由多種功能組成，包括：實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)顯示、地形圖、航線軌跡、任務(wù)安排、記錄、重現(xiàn)、情報(bào)分析、數(shù)據(jù)傳輸，還有各種數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)交換接口。

（5）發(fā)射與回收系統(tǒng)由多個(gè)部件組成，其中包括發(fā)射車、發(fā)射箱、助推器、起落架、回收傘、攔阻網(wǎng)等，這些部件的協(xié)同工作使得發(fā)射與降落的過(guò)程能夠順利進(jìn)行。

（6）維修系統(tǒng)包括基層級(jí)和基地級(jí)，旨在保障設(shè)備的正常運(yùn)行。

無(wú)人機(jī)系統(tǒng)是一種用于執(zhí)行特定任務(wù)的機(jī)器，它能夠通過(guò)遙控和遙測(cè)技術(shù)來(lái)接收信息并將其傳送到目標(biāo)地點(diǎn)[3]。

3 無(wú)人機(jī)自主巡檢技術(shù)應(yīng)用

3.1 反無(wú)人機(jī)GPS欺騙技術(shù)

目前應(yīng)對(duì)無(wú)人機(jī)的最常見(jiàn)手段包括：利用雷達(dá)、無(wú)線電頻譜探測(cè)器、光學(xué)設(shè)備、干擾機(jī)以及GPS 等設(shè)備[3]，來(lái)實(shí)現(xiàn)有效的監(jiān)控、檢測(cè)、攻擊、干擾以及欺騙等，如圖1 所示。但是目前普遍存在的問(wèn)題在于：

圖1：無(wú)人機(jī)GPS 欺騙誘捕方法與流程

（1）無(wú)人機(jī)飛控系統(tǒng)已經(jīng)逐漸引入反GPS 欺騙算法，GPS 誘騙難度逐漸增高[4]；

（2）對(duì)無(wú)人機(jī)飛手定難、抓捕難的問(wèn)題始終沒(méi)有解決。

3.2 圖像預(yù)處理技術(shù)

（1）圖像預(yù)處理：對(duì)無(wú)人機(jī)傾斜攝影獲取的圖像進(jìn)行切分、去噪、糾正等預(yù)處理操作，提高后續(xù)處理的準(zhǔn)確度和效率[5]。

（2）特征點(diǎn)提?。豪糜?jì)算機(jī)視覺(jué)算法提取出每張圖像中的特征點(diǎn)，并對(duì)其進(jìn)行匹配，以實(shí)現(xiàn)三維建模。

（3）點(diǎn)云處理：將無(wú)人機(jī)傾斜攝影獲取的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成點(diǎn)云格式，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、去除噪點(diǎn)、采樣、配準(zhǔn)、重建等處理操作。

（4）模型生成：利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成三維建模模型，可采用多種方法，如多視圖立體匹配、三角網(wǎng)格生成、體素填充等。

（5）后處理：對(duì)生成的三維模型進(jìn)行后處理，包括紋理映射、網(wǎng)格優(yōu)化、貼圖等操作，以提高模型質(zhì)量和視覺(jué)效果。

（6）分析與應(yīng)用：根據(jù)需求對(duì)三維模型進(jìn)行分析和應(yīng)用，如計(jì)算體積、提取特征、導(dǎo)入到GIS 系統(tǒng)中等。

3.3 無(wú)人機(jī)航跡規(guī)劃技術(shù)

通過(guò)對(duì)任務(wù)目標(biāo)的精確定位和優(yōu)化，航跡規(guī)劃可以為無(wú)人機(jī)提供一個(gè)完美的、符合約束條件的飛行路徑，這也是其最重要的組成部分[6]。采用GPS/INS 組合導(dǎo)航系統(tǒng)，無(wú)人機(jī)可以有效地規(guī)劃出最優(yōu)的飛行路線，從而減少地圖誤差和隨機(jī)環(huán)境的干擾，同時(shí)還能夠?qū)崿F(xiàn)自主調(diào)整，有效地防止遭遇敵對(duì)目標(biāo)，從而確保安全地完成指定的任務(wù)[7]。通過(guò)分析周圍的環(huán)境因素，如風(fēng)場(chǎng)、敵方雷達(dá)掃描范圍、導(dǎo)彈高炮打擊威脅區(qū)以及地形，可以制定出最佳的無(wú)人機(jī)航跡規(guī)劃方案，這需要考慮到多種因素，如飛行器的約束條件、航跡規(guī)劃器和自動(dòng)駕駛儀。

3.4 數(shù)據(jù)安全防護(hù)技術(shù)

3.4.1 載荷安全防護(hù)

通過(guò)采取軟件檢測(cè)方法，能夠有效地識(shí)別出無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的載荷，從而確保其完整性、可靠性，并且采取相應(yīng)的措施，如加強(qiáng)慣性傳感器和GPS 傳感器的防護(hù)[8]，從而提高無(wú)人機(jī)的安全性。

通過(guò)調(diào)整控制常量，能夠更準(zhǔn)確地了解無(wú)人機(jī)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，因?yàn)樗鼈兪艿綗o(wú)人機(jī)的物理特征的影響，包括重量、軸心距、底層控制算法、慣性和重力。如果無(wú)人機(jī)的航跡超出了其規(guī)定的范圍[9]，那么可以斷定它遭遇了欺詐性的攻擊。由于無(wú)人機(jī)載荷眾多，IMU 和GPS傳感器容易受到欺騙攻擊，因此，研究和開(kāi)發(fā)有效的防護(hù)技術(shù)顯得尤為重要，以確保無(wú)人機(jī)的安全性和可靠性。隨著新一代攻擊手段的不斷涌現(xiàn)，光流、雷達(dá)、ADS-B等載荷也面臨著更大的威脅，因此，開(kāi)發(fā)有效的防護(hù)技術(shù)，以確保載荷的安全性，已經(jīng)成為當(dāng)今研究領(lǐng)域的一個(gè)重要課題。

3.4.2 軟件安全防護(hù)

在工業(yè)控制領(lǐng)域，漏洞檢測(cè)通常采用灰盒技術(shù)或黑匣子技術(shù)。通過(guò)灰盒方法，可以在充分理解目標(biāo)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行二進(jìn)制插樁、動(dòng)態(tài)污染源檢測(cè)、漏洞檢測(cè)以及其他相關(guān)技術(shù)；通過(guò)使用黑盒技術(shù)，可以在沒(méi)有充分信息的情況下進(jìn)行漏洞檢查，這是一種常見(jiàn)的模糊測(cè)試技術(shù)。無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的漏洞檢測(cè)和防御技術(shù)類似于工業(yè)生產(chǎn)，一般會(huì)使用黑匣子或灰匣子的方法，這些方法包括控制流完整性、模糊測(cè)試（Fuzzing）、內(nèi)存隔離等，旨在提高系統(tǒng)的安全性和可靠性。

3.5 霍夫變換效果

霍夫變換可以用來(lái)精確地描述和預(yù)測(cè)斷點(diǎn)的邊緣特征。該方法利用將二維圖像從原始狀態(tài)轉(zhuǎn)換為參考狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)直線和曲線的有效擬合。如Hough 所述，圖像空間x-y 中，斜率為a，在y 軸截距為b 的直線方程為：y=ax+b。

3.6 智能優(yōu)化路徑規(guī)劃算法

3.6.1 啟發(fā)式尋優(yōu)搜索

啟發(fā)式搜索可以幫助更快地找到目標(biāo)，它可以通過(guò)評(píng)估狀態(tài)空間中的搜索結(jié)果，找出最優(yōu)解，并且可以節(jié)省搜索時(shí)間，提高效率就是其中之一。

3.6.2 遺傳算法

遺傳算法（GA）被廣泛應(yīng)用于解決復(fù)雜問(wèn)題，它以其高效率和穩(wěn)健的特點(diǎn)而聞名。這種算法利用染色體的重組、轉(zhuǎn)錄和變異來(lái)創(chuàng)建一系列新的基因組，然后根據(jù)這些基因組的表現(xiàn)來(lái)評(píng)估它們的性能，以達(dá)到最佳的結(jié)果。

3.7 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法

Hopfield 網(wǎng)絡(luò)借鑒“能量函數(shù)”的理念，通過(guò)采用特殊的非線性動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)，使得它能夠在達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，將能量降至最低，從而有效地解決優(yōu)化等技術(shù)難題。可以將地形信息轉(zhuǎn)化為可用于航跡規(guī)劃的參數(shù)，并利用擴(kuò)展的Hopfield 模型和無(wú)人機(jī)約束條件來(lái)實(shí)現(xiàn)安全和合理的航跡規(guī)劃。這種方法可以幫助更好地跟蹤和避開(kāi)地形，從而提高航行效率[10]。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的電力企業(yè)正在采用無(wú)人機(jī)來(lái)完成架空輸電線路的巡檢，而不再依賴傳統(tǒng)的手工操作，從而實(shí)現(xiàn)智能化的飛行。在探索線路的過(guò)程中，為了達(dá)成最佳效果，必須先讓無(wú)人機(jī)飛至指定的高度，并且根據(jù)實(shí)際情況精確地調(diào)節(jié)拍攝角度。海量數(shù)據(jù)處理、巡檢缺陷圖像自動(dòng)識(shí)別等前沿技術(shù)的不斷進(jìn)步，無(wú)人機(jī)巡檢的應(yīng)用將得到極大的提升，從而有效地解決實(shí)際生產(chǎn)中的問(wèn)題，確保輸電線路的安全可靠運(yùn)行。