固定翼無(wú)人機(jī)巡檢輸電線路探討

陳西廣，董 罡，王濱海，田 兵，喬耀華

（1.山東電力研究院 國(guó)家電網(wǎng)公司電力機(jī)器人技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250002；2.山東電力集團(tuán)公司，山東 濟(jì)南 250000；3.山東魯能智能技術(shù)有限公司，山東 濟(jì)南 250002；4.山東電力集團(tuán)公司超高壓公司，山東 濟(jì)南 250002）

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展對(duì)我國(guó)電力工業(yè)提出了越來(lái)越高的要求。為了安全、可靠的供電，巡線維護(hù)自動(dòng)化和現(xiàn)代化已日益顯示出其迫切性。傳統(tǒng)的人工巡檢方法工作量大、條件艱苦，特別是對(duì)于山區(qū)和大江大河的輸電線路巡檢存在很大困難，甚至一些巡檢項(xiàng)目靠常規(guī)方法是難以完成的。歐美各國(guó)在20世紀(jì)50年代開(kāi)始研究并使用直升機(jī)完成巡線、帶電作業(yè)和線路施工［1-3］，20世紀(jì)80年代開(kāi)始，我國(guó)也開(kāi)始研究利用直升機(jī)巡線的技術(shù)［4-7］，近年來(lái)，我國(guó)在有人直升機(jī)巡線和無(wú)人直升機(jī)巡線方面進(jìn)行了較為廣泛的研究，并取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。

截至2009年我國(guó)110 kV以上輸電線路已達(dá)到55.3萬(wàn)km，500 kV線路已成為各大電力系統(tǒng)的骨架和跨省區(qū)的聯(lián)絡(luò)線，面對(duì)如此龐大的輸電網(wǎng)絡(luò)，要完成高效率的輸電線路的巡檢任務(wù)，需要航程大于100 km的無(wú)人駕駛智能巡檢飛機(jī)進(jìn)行電網(wǎng)系統(tǒng)全天候、全地貌巡檢，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)線路的隱患，并實(shí)時(shí)地將情況傳回基地，同時(shí)與無(wú)人直升機(jī)短程局部重點(diǎn)巡檢相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)巡檢與局部重點(diǎn)巡檢（包括空中作業(yè)）有機(jī)結(jié)合，以便快速、正確判斷及時(shí)排除線路故障，從而不斷提高線路巡檢的效率和精度。

無(wú)人直升機(jī)具有起降靈活，可自由懸停等諸多優(yōu)點(diǎn)，但現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)大載荷無(wú)人直升機(jī)技術(shù)還不成熟，國(guó)外成熟產(chǎn)品又處于對(duì)華禁售的狀態(tài)，無(wú)人直升機(jī)要進(jìn)行長(zhǎng)航時(shí)、長(zhǎng)航程的輸電線路巡查還存在技術(shù)難度，而固定翼無(wú)人機(jī)可長(zhǎng)時(shí)間滯空的特點(diǎn)能彌補(bǔ)這方面的不足，不但可以對(duì)線路、桿塔局部進(jìn)行精細(xì)巡檢，又可以對(duì)線路走廊全局進(jìn)行快速普查，從而滿足現(xiàn)階段電網(wǎng)對(duì)無(wú)人機(jī)巡線的要求。

近年來(lái)江西電力、云南電力、廣西電力、海南電力已開(kāi)始采用固定翼無(wú)人機(jī)進(jìn)行電力巡線的嘗試，固定翼無(wú)人機(jī)巡線已開(kāi)始引起人們的重視。

1 固定翼無(wú)人機(jī)巡檢系統(tǒng)功能定位

固定翼無(wú)人機(jī)具有速度快、滯空時(shí)間長(zhǎng)、飛行半徑大等優(yōu)勢(shì)，可主要應(yīng)用以下幾個(gè)方面：

1）輸電線路、桿塔機(jī)械故障、熱缺陷和局部放電等故障檢測(cè)；

2）基建線路選址，可替代人工實(shí)地查看，提高線路選址效率；

3）輸電線路走廊的整體普查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)線路走廊內(nèi)違章建筑和高大樹(shù)木；

4）災(zāi)后應(yīng)急評(píng)估，可為救災(zāi)搶險(xiǎn)提供第一手的現(xiàn)場(chǎng)資料，為決策部署提供事實(shí)依據(jù)。

明確固定翼無(wú)人機(jī)巡檢系統(tǒng)的功能定位可與有人直升機(jī)和無(wú)人直升機(jī)形成功能互補(bǔ)，滿足不同現(xiàn)場(chǎng)的功能應(yīng)用，是輸電領(lǐng)域智能化建設(shè)的集中體現(xiàn)。

2 固定翼無(wú)人機(jī)巡檢系統(tǒng)整體架構(gòu)

固定翼無(wú)人機(jī)巡檢系統(tǒng)主要有固定翼無(wú)人機(jī)分系統(tǒng)、檢測(cè)分系統(tǒng)、無(wú)線通訊分系統(tǒng)、數(shù)據(jù)智能管理分析分系統(tǒng)等四大部分。整體框架結(jié)構(gòu)圖如圖1。

固定翼無(wú)人機(jī)分系統(tǒng)是固定翼無(wú)人機(jī)巡檢系統(tǒng)的飛行載體，負(fù)責(zé)執(zhí)行飛行巡檢任務(wù)，機(jī)上搭載飛行控制系統(tǒng)，其主要由機(jī)載傳感器、機(jī)載飛行控制計(jì)算機(jī)、驅(qū)動(dòng)裝置，功能是根據(jù)固定翼無(wú)人機(jī)的實(shí)時(shí)飛行狀態(tài)將地面站發(fā)出的飛行任務(wù)解算成為控制指令，并驅(qū)動(dòng)舵機(jī)以控制固定翼無(wú)人機(jī)。

圖1 系統(tǒng)整體框架結(jié)構(gòu)圖

檢測(cè)分系統(tǒng)包括光電吊艙、可見(jiàn)光檢測(cè)設(shè)備、紫外檢測(cè)設(shè)備、紅外檢測(cè)設(shè)備和三維激光掃描設(shè)備。增穩(wěn)吊艙需根據(jù)飛機(jī)不同的姿態(tài)自動(dòng)調(diào)整吊艙的方位和俯仰角度，要求重量輕，體積小，符合無(wú)人機(jī)攜帶和安裝；可見(jiàn)光檢測(cè)設(shè)備用來(lái)獲取可見(jiàn)光視頻和高清晰度可見(jiàn)光照片，發(fā)現(xiàn)線路、桿塔和線路走廊內(nèi)的異常情況；紫外檢測(cè)設(shè)備用來(lái)完成對(duì)電暈放電信息的采集，并通過(guò)紫外圖像與可見(jiàn)光視頻的融合，對(duì)缺陷部位進(jìn)行定位；紅外檢測(cè)設(shè)備，能完成對(duì)設(shè)備的溫度信息采集，在紅外圖像上能直觀地發(fā)現(xiàn)高溫設(shè)備區(qū)域；三維激光掃描設(shè)備可對(duì)輸電線路相間距離，交跨線間距離、導(dǎo)線與建筑物、導(dǎo)線與地面植被間的距離進(jìn)行測(cè)量，安全快速，數(shù)據(jù)精確可靠，避免了傳統(tǒng)人工上線作業(yè)的危險(xiǎn)性和人為因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，數(shù)據(jù)成果更加客觀、真實(shí)，從而為輸電線路可靠運(yùn)行提供決策支持。

通訊分系統(tǒng)包括數(shù)傳模塊和圖傳模塊，負(fù)責(zé)進(jìn)行地面控制部分與空中飛行平臺(tái)的控制指令與圖像信號(hào)的傳輸。

數(shù)據(jù)智能管理分析分系統(tǒng)采用機(jī)器視覺(jué)、數(shù)據(jù)庫(kù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)模型管理等技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)后臺(tái)巡檢數(shù)據(jù)的智能化管理和輸電線路實(shí)時(shí)跟蹤。

3 固定翼無(wú)人機(jī)巡線系統(tǒng)組成

3.1 固定翼無(wú)人機(jī)分系統(tǒng)

固定翼無(wú)人機(jī)分系統(tǒng)主要包括固定翼飛行器平臺(tái)、發(fā)動(dòng)機(jī)、電氣和導(dǎo)航飛控4個(gè)子系統(tǒng)，組成框圖如圖2。

無(wú)人機(jī)的氣動(dòng)外形采用常規(guī)氣動(dòng)布局。發(fā)動(dòng)機(jī)安裝位置在無(wú)人機(jī)的中后部，為后推式，與前拉式布置相比，可有效防止油漬污染檢測(cè)設(shè)備。在機(jī)翼上設(shè)有副翼，控制無(wú)人機(jī)的橫側(cè)向運(yùn)動(dòng)；尾翼采用雙尾撐雙尾翼形式，在水平尾翼上設(shè)有升降舵，用于控制無(wú)人機(jī)的縱向運(yùn)動(dòng)，在尾翼上設(shè)有方向舵，控制無(wú)人機(jī)的橫向運(yùn)行。固定翼無(wú)人機(jī)外形如圖3。

圖2 固定翼無(wú)人機(jī)分系統(tǒng)組成框圖

圖3 固定翼無(wú)人機(jī)外形圖

為適應(yīng)實(shí)際巡線的需要，固定翼無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)需具備一鍵式自主滑跑起飛和降落，具備前飛、爬升、俯沖和盤(pán)旋等功能，能按照事先規(guī)劃的路線進(jìn)行三維全自主飛行，主要參數(shù)如表1。

表1 固定翼無(wú)人機(jī)主要性能參數(shù)

為保證無(wú)人機(jī)按照一定的姿態(tài)角機(jī)動(dòng)飛行和按照預(yù)定設(shè)計(jì)的航路實(shí)施程控飛行，導(dǎo)航飛控系統(tǒng)需具備以下功能：

1）在復(fù)雜的氣流擾動(dòng)中保持飛機(jī)姿態(tài)穩(wěn)定；

2）保持飛機(jī)按給定的高度平穩(wěn)飛行；

3）保持飛機(jī)按給定的航向角平穩(wěn)飛行；

4）自動(dòng)控制飛機(jī)飛向預(yù)定的目的地；

5）按給定的姿態(tài)角進(jìn)行爬升、俯沖和左右盤(pán)旋等機(jī)動(dòng)動(dòng)作；

6）采集飛機(jī)的飛行姿態(tài)參數(shù)以及空間位置信息，并通過(guò)遙測(cè)系統(tǒng)發(fā)送至地面顯示；

7）實(shí)時(shí)地發(fā)出控制指令，控制飛機(jī)做出相應(yīng)的動(dòng)作；

8）具有應(yīng)急處理功能，保證飛機(jī)的飛行安全；

9）具有自主地按預(yù)設(shè)航路起飛、空中飛行和滑行降落功能；

10）根據(jù)地面人員控制指令，控制任務(wù)設(shè)備。

3.2 檢測(cè)分系統(tǒng)

檢測(cè)分系統(tǒng)包括機(jī)載部分和地面站兩部分，機(jī)載部分可搭載于固定翼無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)，用于檢測(cè)110～1 000 kV輸電線路、桿塔故障，主要有機(jī)載光電吊艙、可見(jiàn)光檢測(cè)設(shè)備、紫外檢測(cè)設(shè)備、紅外檢測(cè)設(shè)備、三維激光掃描設(shè)備等組成；地面站部分可對(duì)機(jī)載檢測(cè)部分獲得的信息進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)決策系統(tǒng)的智能化，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 檢測(cè)分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2.1 機(jī)載檢測(cè)部分

無(wú)人機(jī)載巡線專用光電吊艙通過(guò)配備高精度陀螺穩(wěn)定平臺(tái)使得成像傳感器（可見(jiàn)光、紅外、紫外）瞄準(zhǔn)線在機(jī)載高振動(dòng)環(huán)境下保持高精度穩(wěn)定，并利用視頻跟蹤原理，使瞄準(zhǔn)線自動(dòng)跟蹤地面目標(biāo)，完成對(duì)輸電線路、桿塔等設(shè)備的搜索、觀察和拍攝等工作任務(wù)。

可見(jiàn)光檢測(cè)主要包括檢測(cè)桿塔的損壞、變形、被盜、異物懸掛、線路走廊巡查、災(zāi)后線路走廊普查。

紫外檢測(cè)需在不受太陽(yáng)光影響下對(duì)劣化絕緣子（陶瓷、復(fù)合、玻璃絕緣子）的表面放電以及運(yùn)行中復(fù)合絕緣子及其護(hù)套電蝕進(jìn)行檢測(cè)；對(duì)線路運(yùn)行過(guò)程中外部損傷、斷股、散股等原因產(chǎn)生的電暈放電進(jìn)行檢測(cè)。

紅外檢測(cè)由于導(dǎo)線斷股、絕緣子破損、壓接管連接不良等原因引起的局部熱點(diǎn)等缺陷。

三維激光掃描設(shè)備需檢測(cè)輸電線路相間距離，交跨線間距離、導(dǎo)線與建筑物、導(dǎo)線與地面植被間的距離進(jìn)行三維測(cè)量。

3.2.2 地面站檢測(cè)部分

地面檢測(cè)部分是一套基于圖像識(shí)別技術(shù)的電網(wǎng)狀態(tài)診斷與評(píng)估系統(tǒng)，為電網(wǎng)狀態(tài)維修決策提供有效支持。此套系統(tǒng)是通過(guò)分析、處理和識(shí)別飛行器機(jī)載圖像獲取設(shè)備 （可見(jiàn)光相機(jī)、紅外熱像儀、紫外成像儀、三維激光掃描儀）所獲得的不同光源圖像，自動(dòng)診斷架空輸電線路設(shè)備故障。可見(jiàn)光圖像、紅外圖像和紫外視頻可通過(guò)圖像傳輸系統(tǒng)實(shí)時(shí)傳輸?shù)降孛妫到y(tǒng)在獲取實(shí)時(shí)圖像的同時(shí)，對(duì)獲得的圖像進(jìn)行預(yù)處理和分析，提取圖像特征，并根據(jù)圖像特征來(lái)判斷設(shè)備是否出現(xiàn)異常。主要判斷的故障包括：鐵塔變形和破損、絕緣子破損、防震錘脫落或移位、導(dǎo)線斷裂或斷股設(shè)備結(jié)點(diǎn)過(guò)熱、電暈放電等。

由于激光掃描設(shè)備獲得的數(shù)據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)量巨大，無(wú)法實(shí)時(shí)傳回地面，需在飛機(jī)落地后將采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到專用數(shù)據(jù)處理服務(wù)器上進(jìn)行處理，經(jīng)建模匹配后得到線路走廊的三維圖像，從而可以得到精確的線路走廊中輸電線路相間距離，交跨線間距離、導(dǎo)線與建筑物、導(dǎo)線與地面植被間的距離。

3.3 無(wú)線通訊分系統(tǒng)

無(wú)線通訊系統(tǒng)包含數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和圖像傳輸系統(tǒng)，數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)主要完成固定翼無(wú)人機(jī)飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)的下行傳輸，以及地面控制站控制指令的上行傳輸，從而保證地面站對(duì)固定翼無(wú)人機(jī)的實(shí)時(shí)控制；圖像傳輸系統(tǒng)主要完成可見(jiàn)光視頻、紅外視頻、紫外視頻的下行傳輸，以及云臺(tái)控制指令及狀態(tài)數(shù)據(jù)的上、下行傳輸，從而保證各檢測(cè)設(shè)備圖像的實(shí)時(shí)傳輸及地面站操作人員對(duì)云臺(tái)的實(shí)時(shí)操控。

為滿足固定翼無(wú)人機(jī)100 km的有效控制半徑，無(wú)線通訊分系統(tǒng)需架設(shè)中繼子系統(tǒng)。中繼子系統(tǒng)是接收固定翼無(wú)人機(jī)（地面站）無(wú)線發(fā)射設(shè)備的無(wú)線信號(hào)，并根據(jù)接收到的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)和處理，最后生成自身發(fā)射信號(hào)的裝置。它可以完成差錯(cuò)控制、功率調(diào)整、信道測(cè)量、干擾協(xié)調(diào)等功能。

無(wú)線通訊分系統(tǒng)需具備如下特點(diǎn)：

1）穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸能力。在移動(dòng)的環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)和地面站之間穩(wěn)定可靠的無(wú)線通訊。

2）較強(qiáng)的繞射和穿透能力。在城區(qū)、城郊、建筑物內(nèi)等非通視和有阻擋的環(huán)境中應(yīng)用，無(wú)線通訊系統(tǒng)要能表現(xiàn)出卓越的繞射和穿透能力。

3）較強(qiáng)的抗干擾能力。無(wú)人機(jī)進(jìn)行電力巡線時(shí)，其對(duì)高壓線及高壓設(shè)備產(chǎn)生的電磁干擾要有很強(qiáng)的抗干擾能力。

4）實(shí)時(shí)性要好，以便后臺(tái)操控人員及時(shí)觀察電力巡線的現(xiàn)場(chǎng)情況。

5）誤碼率低，提高地面站接收?qǐng)D像的質(zhì)量，減少圖像中馬賽克出現(xiàn)的幾率。

數(shù)據(jù)/圖像傳輸系統(tǒng)可采用最新的編碼正交頻分復(fù)用技術(shù)，利用其較強(qiáng)的抗電磁干擾和繞障能力，地面站與固定翼無(wú)人機(jī)之間通過(guò)中繼子系統(tǒng)建立無(wú)線通訊鏈路，中繼子系統(tǒng)可架設(shè)于無(wú)人機(jī)、飛艇或山坡上，盡可能與地面站、無(wú)人機(jī)保持通視狀態(tài)，最大程度延長(zhǎng)通訊距離。數(shù)據(jù)/圖像傳輸系統(tǒng)物理連接框圖如圖5所示。

3.4 據(jù)智能管理分析分系統(tǒng)

數(shù)據(jù)智能管理分析分系統(tǒng)主要有三部分組成，分別是圖像與桿塔自動(dòng)匹配模塊、缺陷自動(dòng)識(shí)別模塊和圖像自動(dòng)拼接模塊。

圖5 無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)物理連接框圖

數(shù)據(jù)智能管理分析分系統(tǒng)主要功能是在離線狀況下，先由圖像導(dǎo)入子模塊將機(jī)載檢測(cè)設(shè)備中的圖像導(dǎo)入到數(shù)據(jù)庫(kù)中，通過(guò)圖像中時(shí)間、GPS信息與數(shù)據(jù)庫(kù)已有數(shù)據(jù)進(jìn)行比照，從而將圖像與桿塔一一進(jìn)行匹對(duì)，從而確定圖像與桿塔的對(duì)應(yīng)關(guān)系，再由圖像分析子模塊對(duì)圖像進(jìn)行智能分析，發(fā)現(xiàn)缺陷并生成缺陷報(bào)告。將拍攝圖片根據(jù)桿塔模型自動(dòng)進(jìn)行拼接，最終生成整個(gè)線路走廊的高清晰圖像。通過(guò)以上3個(gè)模塊可有效的提高后臺(tái)檢測(cè)的效率，提高檢測(cè)精度，有利于對(duì)故障缺陷的集中管理和查詢。

4 固定翼無(wú)人機(jī)巡線系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

4.1 適合巡線飛行模式的研究

制定針對(duì)不同的巡檢要求，制定不同的巡檢模式，如巡線模式、巡塔模式、線路走廊巡視模式。以有利的巡航高度、速度和有利的航線飛抵任務(wù)區(qū)域上空，對(duì)所要巡檢的線路、塔等實(shí)施長(zhǎng)距離、連續(xù)巡檢。

4.2 平飛高度穩(wěn)定性的研究

平飛高度穩(wěn)定性是影響巡線質(zhì)量的關(guān)鍵問(wèn)題之一，在無(wú)人飛行器巡線過(guò)程中希望無(wú)人飛行器離輸電線路的距離維持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的水平上，既可以減少飛行器進(jìn)行不必要的機(jī)動(dòng)動(dòng)作，也可以有效提高檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)效果，也可以提高機(jī)體和機(jī)載設(shè)備的安全性。

4.3 檢測(cè)系統(tǒng)巡線清晰度的研究

固定翼無(wú)人機(jī)飛行速度一般都大于100 km/h，且無(wú)法進(jìn)行懸停，在高速運(yùn)動(dòng)的情況下如何保證動(dòng)態(tài)圖像和靜態(tài)圖像的清晰是需要解決的問(wèn)題。在不能降低飛行速度的情況下，需尋找適合高度運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下進(jìn)行工作的攝像機(jī)和照相機(jī)，以便能拍攝出清晰的圖像，方便后續(xù)的圖像處理和故障識(shí)別，提高故障診斷的精度。

4.4 固定翼無(wú)人機(jī)巡線系統(tǒng)保障問(wèn)題的研究

人員保障也是無(wú)人機(jī)巡線系統(tǒng)保障問(wèn)題需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題，固定翼無(wú)人機(jī)巡線系統(tǒng)需要專業(yè)人員來(lái)進(jìn)行操作和維護(hù)，建設(shè)一支技術(shù)過(guò)硬的無(wú)人機(jī)保障隊(duì)伍，是能夠高效、安全完成巡線任務(wù)的關(guān)鍵所在。

固定翼無(wú)人機(jī)起飛方式主要有火箭助推、彈射和滑跑起飛三種方式。降落則主要有傘降和滑跑降落兩種方式。可根據(jù)實(shí)際需求選擇不同起降方式的無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)電力線路巡檢功能，但設(shè)定幾個(gè)固定的起飛場(chǎng)地，對(duì)固定翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的安全應(yīng)用有著重要保障的作用。

對(duì)于安全保障措施主要包括人員安全措施、線路安全措施、飛行安全措施、防火安全措施和緊急狀況預(yù)案等。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文闡述了一種用于的輸電線路巡視的固定翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)，包括固定翼無(wú)人機(jī)分系統(tǒng)、檢測(cè)分系統(tǒng)、無(wú)線通訊分系統(tǒng)、數(shù)據(jù)智能管理分析分系統(tǒng)等四大部分，并分別對(duì)各分系統(tǒng)組成、功能等方面進(jìn)行了技術(shù)探討。同時(shí)，還對(duì)固定翼無(wú)人機(jī)巡線系統(tǒng)的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了梳理，這為固定翼無(wú)人機(jī)巡線系統(tǒng)在電力行業(yè)的應(yīng)用提供了應(yīng)用指導(dǎo)。

固定翼無(wú)人機(jī)在輸電線路巡檢中的應(yīng)用也將會(huì)為固定翼無(wú)人機(jī)在電力行業(yè)的其他領(lǐng)域應(yīng)用做打下一個(gè)良好的基礎(chǔ)。