大型無人機在復雜環境下電力巡檢研究

吳冰瑩++戴禮豪++林朝輝

摘 要：為適應復雜飛行環境，實現遠距離、長航時的電網輸電線路無人機巡檢，該文提出大型無人機電力巡檢系統，以Z-5大型無人直升機為飛行平臺，搭載中繼數據鏈系統、任務吊艙系統、三維地面站測控導航系統、飛行避障系統、缺陷故障智能診斷系統，使系統具備無人機系統自主起降、三維程控飛行、超視距測控、預警避障、可見光＼紅外＼紫外巡視以及電網設備健康狀況診斷評估等多項實用化功能。該系統能夠適應有山區、河流等多種復雜地形氣候環境的輸電線路巡檢和防災減災應用，并具有遠距離、精細化、安全可靠的突出特點，可切實提高電網線路巡檢的效率和安全性。該系統已經在福建省投入實用化應用，應用效果良好。

關鍵詞：無人機巡檢 中繼鏈路 任務吊艙 三維地面站軟件

中圖分類號：TM75 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）10（a）-0026-02

傳統的人工巡檢方法不僅工作量大而且條件艱苦，特別是對山區和跨越江河的輸電線路的巡檢，以及在冰災、水災、地震、滑坡等災情下巡線檢查，所花時間長、人力成本高、難度大、風險高。近年來，為減輕人工巡視的負擔，提高巡檢工作效率和電網可靠性，無人機在電網輸電線路巡檢中的應用日益廣泛[1-6]。

目前國家電網多家單位先后研發了各自的電網巡視專用飛行巡檢系統，然而這些系統大多基于中小型無人機平臺，系統存在航程短、載荷低、清晰度不足、抗風能力弱、自動化程度低等缺陷，在復雜地形氣候環境下難以展開實用化應用。為此，該文重點從適用于復雜環境，提高巡視距離、巡檢精細化和安全性入手，結合輸電線路巡檢、航空、飛行自動控制、通信、地理信息、圖像識別和處理技術等多項技術，研發了一套大型無人機輸電線路巡檢系統。

1 系統設計原則

根據應用需求以及更遠、更精、更安全的技術要求，系統設計應能夠實現在中繼數據鏈支持下30 km以上超視距飛行巡檢；在70 m外自主跟蹤導線，清晰識別3 mm銷釘級設備缺陷；具有應對各種復雜環境的飛行安全控制技術和保護策略；避障系統能夠在30～100 m范圍內探測厘米級設備或障礙物能力，實現各種復雜環境下自主避讓障礙物安全飛行。同時，為豐富系統功能，提高系統的實用性和智能性，系統應該能夠實現無人機系統全自主盲飛、任務吊艙系統全自主執行拍攝任務、自主起降、精確規劃三維航路、智能化評估診斷電網設備健康狀況和故障情況等多項實用化功能。

按照設計原則，將大型無人機電網巡檢系統設計分為無人機系統、中繼數據鏈系統、任務吊艙系統、三維地面站測控導航系統、飛行避障系統、缺陷故障智能診斷系統等六個分系統。

2 大型無人機在電網巡檢中的系統設計

2.1 無人機分系統

無人機分系統是飛行的主體平臺，主要提供飛行能力和裝載的功能。為滿足遠距離、長航時的飛行，并具有足夠的載荷能力，本系統選用Z-5大型無人機作為飛行平臺。

大型Z-5無人機與中型Z-3無人機技術參數對比如表1所示。

為了使無人機的飛行控制能力能夠應對山區、丘陵、河流等復雜氣候地形環境，無人機配套飛控系統具備飛行安全控制技術，可全自主盲飛、自主起降、具備一鍵返航、低油量返航、失控返航等多種安全歸航保護措施。

2.2 中繼數據鏈分系統

為解決山峰阻擋、多徑折射衰弱和輸電線路強電磁干擾等帶來的通訊問題，有效拓寬無人機復雜地形巡線飛行的測控通信范圍，本系統設計采用中繼轉發模式的解決方案。中繼數據鏈系統采用地面光/電混合中繼和空中中繼兩種模式，并結合具體使用情況選擇。

數據鏈采用L頻段作為通信頻段，上行控制信號和下行圖像與遙測信號均有120 MHz的總帶寬。每個方向至少能夠涵蓋10個數據通信帶寬，頻點之間不會存在相互的干擾；能夠實現靈活切換，降低外場頻點干擾，確保無線鏈路的正常通信功能；數據鏈時延低，標清圖像傳輸延遲不大于260 ms，高清圖像傳輸延遲不大于300 ms，遙控傳輸延遲不大于130 ms，保證了數據鏈路的可靠通訊（見圖1）。

2.3 任務吊艙分系統

任務吊艙系統包括可見光攝像機、紅外熱像儀、紫外成像儀、高分辨率照相機、穩定控制系統、圖像跟蹤系統等（見圖2）。

可見光照相機/攝像機所獲圖像可檢測是否存在物理缺陷，導線是否斷股、線路是否有明顯異物、絕緣子是否破損、防震錘否異常等缺陷；紅外圖像可檢測設備是否存在熱缺陷：接頭、線夾、耐張管、接續管等；紫外圖譜可檢查由于連接不良、絕緣子內部缺陷等引起的電暈放電[7]。

穩定平臺的精度是系統的重要技術指標。穩定控制系統利用高精度陀螺儀隔離吊艙平臺的擾動，具備水平和垂直兩種大角度自動掃描方式，可以解決吊艙抖動及視場角受限造成圖像采集不清晰、不全面的難題。

圖像跟蹤系統根據高壓電線的線狀目標特點，運用智能的跟蹤算法，可以實現復雜背景下的線狀目標檢出和輸電線路自主跟蹤；通過接受到飛機平臺的載機和桿塔的GPS信息，可在無人機飛出測控范圍后，全自主跟蹤導線并瞄準桿塔拍照；吊艙設計桿塔凝視功能，通過綜合計算得到跟蹤輸電線的方位角，送給穩定跟蹤控制系統，使無人機偏離理論航向的情況下對前方桿塔進行凝視對準（見表2）。

2.4 三維地面站測控導航分系統

三維地面測控導航系統通過加載地理數據、三維電網數據開發與無人機結合應用系統，實現無人機全程自主飛行和實時狀態監測，大幅提高無人機飛行精度和安全性。

系統設計三維航線的智能化規劃功能，可實現與中繼設備、中繼飛機、飛控系統、缺陷診斷系統的數據通訊，為無人機在在電力線路巡檢和大范圍防災減災應用提供基礎數據支撐。

2.5 飛行避障分系統

無人機避障系統基于毫米波高分辨率雷達探測技術[8]，包括機載信號采集模塊及設置于飛控系統內的機載避障分析模塊，構建了無人機超低空飛行障礙預警與規避支撐理論和實用化系統。endprint

系統可在前視半球面70 m內探測出26 mm直徑的導線，實現智能避讓輸電導線、樹木等障礙物，保證了無人機在復雜地形條件下與電力線路及其它障礙物的安全距離保持，同時能夠為無人機飛行控制系統在飛行狀態下提供實時預警和避障的安全保障。

2.6 缺陷故障智能診斷分系統

系統采用了算機技術、網絡通信技術、圖像處理、模式識別技術和數據融合技術等多種技術，通過對無人機巡檢獲取的線路設備多傳感器視頻及圖像數據進行處理，建立高壓線路缺陷特征數據圖庫[9]；應用圖像識別技術和數據融合技術對線路設備缺陷進行自動輔助檢測診斷和評估。

3 實例應用

2012年4月至今，國網福建省電力有限公司福州供電公司無人機飛行團隊先后在500 kV福東線、220 kV閩建線等11條線路上進行無人機巡檢飛行，租用福州市閩侯竹歧鎮竹岐民用機場作為飛行保障基地和主要起降場地。巡檢飛行期間，共巡檢飛行78 h，飛行68架次，巡檢797多公里，發現隱患故障95處。

通過實際飛行演練，無人機巡檢系統逐步建立了在山區、高溫條件下，無人直升機的小速度帶懸停巡線飛行模式，建立了空中中繼、雙機同空飛行作業流程，充分驗證了該套系統的可行性和合理性。

4 結語

大型無人機巡檢系統，以Z-5大型無人直升機為飛行平臺，搭載中繼數據鏈系統、任務吊艙系統、三維地面站測控導航系統、飛行避障系統、缺陷故障智能診斷系統，具有不受地形環境限制的優勢，可實現電網線路巡視、設備巡查和災情監控的一體化管理，實現山區等復雜氣候地形環境下遠距離、長航時輸電線路巡檢和防災減災應用，提升電力系統防災減災和線路運行管理水平。在無人機電力巡檢應用中，大型無人機巡檢系統在復雜環境下遠距離、長航時的應用需求中，具有很大的實用化應用前景。同時，通過無人機在電力巡檢系統的研究應用，也推動了民用無人機在石油管線巡查、森林防火、勘測測繪等領域的發展，推動了國內無人機、數據鏈、光電偵察吊艙等高新技術的研發應用。

參考文獻

[1] 林韓，林朝輝，湯明文，等.電力輸電線路無人直升機巡視的應用[J].華東電力，2011，39（10）：1657-1660.

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[5] 厲秉強，王騫，王濱海，等.利用無人直升機巡檢輸電線路[J].山東電力技術，2010，172（1）：1-4.

[6] 陳曉兵，馬玉林，徐組艦.無人飛機輸電線路巡線技術探討[J].南方電網技術，2008，2（6）：56-61.

[7] 牛姣蕾，林世忠，陳國強.圖像融合與拼接算法在無人機電力巡檢系統中的應用[J].電光與控制，2014（3）：88-91.

[8] 鄭天茹，王濱海，劉俍，等.電力巡線無人直升機障礙規避系統[J].山東電力技術，2012，185（1）：14-17.

[9] 何思遠，闌藺，楊大為，等.基于無人機的輸電塔檢測方法研究[J].儀器儀表學報，2012，33（8）.endprint

系統可在前視半球面70 m內探測出26 mm直徑的導線，實現智能避讓輸電導線、樹木等障礙物，保證了無人機在復雜地形條件下與電力線路及其它障礙物的安全距離保持，同時能夠為無人機飛行控制系統在飛行狀態下提供實時預警和避障的安全保障。

2.6 缺陷故障智能診斷分系統

系統采用了算機技術、網絡通信技術、圖像處理、模式識別技術和數據融合技術等多種技術，通過對無人機巡檢獲取的線路設備多傳感器視頻及圖像數據進行處理，建立高壓線路缺陷特征數據圖庫[9]；應用圖像識別技術和數據融合技術對線路設備缺陷進行自動輔助檢測診斷和評估。

3 實例應用

2012年4月至今，國網福建省電力有限公司福州供電公司無人機飛行團隊先后在500 kV福東線、220 kV閩建線等11條線路上進行無人機巡檢飛行，租用福州市閩侯竹歧鎮竹岐民用機場作為飛行保障基地和主要起降場地。巡檢飛行期間，共巡檢飛行78 h，飛行68架次，巡檢797多公里，發現隱患故障95處。

通過實際飛行演練，無人機巡檢系統逐步建立了在山區、高溫條件下，無人直升機的小速度帶懸停巡線飛行模式，建立了空中中繼、雙機同空飛行作業流程，充分驗證了該套系統的可行性和合理性。

4 結語

大型無人機巡檢系統，以Z-5大型無人直升機為飛行平臺，搭載中繼數據鏈系統、任務吊艙系統、三維地面站測控導航系統、飛行避障系統、缺陷故障智能診斷系統，具有不受地形環境限制的優勢，可實現電網線路巡視、設備巡查和災情監控的一體化管理，實現山區等復雜氣候地形環境下遠距離、長航時輸電線路巡檢和防災減災應用，提升電力系統防災減災和線路運行管理水平。在無人機電力巡檢應用中，大型無人機巡檢系統在復雜環境下遠距離、長航時的應用需求中，具有很大的實用化應用前景。同時，通過無人機在電力巡檢系統的研究應用，也推動了民用無人機在石油管線巡查、森林防火、勘測測繪等領域的發展，推動了國內無人機、數據鏈、光電偵察吊艙等高新技術的研發應用。

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系統可在前視半球面70 m內探測出26 mm直徑的導線，實現智能避讓輸電導線、樹木等障礙物，保證了無人機在復雜地形條件下與電力線路及其它障礙物的安全距離保持，同時能夠為無人機飛行控制系統在飛行狀態下提供實時預警和避障的安全保障。

2.6 缺陷故障智能診斷分系統

系統采用了算機技術、網絡通信技術、圖像處理、模式識別技術和數據融合技術等多種技術，通過對無人機巡檢獲取的線路設備多傳感器視頻及圖像數據進行處理，建立高壓線路缺陷特征數據圖庫[9]；應用圖像識別技術和數據融合技術對線路設備缺陷進行自動輔助檢測診斷和評估。

3 實例應用

2012年4月至今，國網福建省電力有限公司福州供電公司無人機飛行團隊先后在500 kV福東線、220 kV閩建線等11條線路上進行無人機巡檢飛行，租用福州市閩侯竹歧鎮竹岐民用機場作為飛行保障基地和主要起降場地。巡檢飛行期間，共巡檢飛行78 h，飛行68架次，巡檢797多公里，發現隱患故障95處。

通過實際飛行演練，無人機巡檢系統逐步建立了在山區、高溫條件下，無人直升機的小速度帶懸停巡線飛行模式，建立了空中中繼、雙機同空飛行作業流程，充分驗證了該套系統的可行性和合理性。

4 結語

大型無人機巡檢系統，以Z-5大型無人直升機為飛行平臺，搭載中繼數據鏈系統、任務吊艙系統、三維地面站測控導航系統、飛行避障系統、缺陷故障智能診斷系統，具有不受地形環境限制的優勢，可實現電網線路巡視、設備巡查和災情監控的一體化管理，實現山區等復雜氣候地形環境下遠距離、長航時輸電線路巡檢和防災減災應用，提升電力系統防災減災和線路運行管理水平。在無人機電力巡檢應用中，大型無人機巡檢系統在復雜環境下遠距離、長航時的應用需求中，具有很大的實用化應用前景。同時，通過無人機在電力巡檢系統的研究應用，也推動了民用無人機在石油管線巡查、森林防火、勘測測繪等領域的發展，推動了國內無人機、數據鏈、光電偵察吊艙等高新技術的研發應用。

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[9] 何思遠，闌藺，楊大為，等.基于無人機的輸電塔檢測方法研究[J].儀器儀表學報，2012，33（8）.endprint