電力巡線無人機穩定性飛行研究

郭雷崗　孫帥　張瑜

【摘 要】傳統巡線檢查方式工作量巨大，而且條件困難，特別是山區、江河等輸電線路的巡檢更加困難，有些檢查項目用常規方法很難完成。使用柔翼無人機巡線可以降低巡線工作人員的工作量和工作強度，使高壓線路的維護成本大大降低。柔性翼無人機機身較輕，配備了先進的航空勘測系統，并且受多云多霧等極端天氣的影響較小。本文主要對點電力巡航無人機穩定飛行進行了研究。

【關鍵詞】巡線檢查;無人機巡線;柔性翼無人機;穩定飛行

中圖分類號： TM755;V279 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）29-0045-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.29.020

0 引言

輸電線路有著廣泛的分布，并且大多數處于比較惡劣的環境中，由于受到自然環境的影響較大，電線桿以及電力線受到持續的機械張力、大風雷電、風化和人為影響而發生損壞，如塔架傾倒、鋼絞線斷裂、磨損、腐蝕、應力等，因此必須要進行及時的更換和修復。此外，還存在遭雷擊損壞、線路底部樹木生長頂到纜線、桿塔被盜等事故，一旦發生這種情況要及時進行處理。傳統的人工檢查要耗費巨大的人力、物力和財力，特別在檢查偏遠地區以及跨江跨河的線路時，以及在大風、雨雪等極端惡劣的天氣下，需要的人工時間等更大。

柔性翼無人機是主要是由于無線遙控裝置和程序控制裝置組成。柔性翼無人機輸電線路巡檢的研究需要多種專業聯合合作，需要更高的研究深度和水平，這是一項新技術，最近幾年研究剛剛起步，其研究成果已經在南方電網等相關單位進行了應用。與傳統的人工檢測方法相比，該項技術更加有效先進，并且能夠保證通電線路的穩定運行。其中電力巡線機拍攝的桿塔如圖1所示。

圖1 飛行器對桿塔整體和局部放大進行拍攝

1 現代無人機性能簡介

現代無人機是集航空、圖像識別、地理偵查以及電子電力等為一體的復雜集成系統，其中涉及領域較多，包括大地檢測、紅外成像、地理GPS、自動化技術以及電子通訊等高端專業領域。由于其飛行距離遠、精度高以及人工操作便捷的特點，目前在很多領域進行了應用，包括體育賽事、運動攝影、抗震救災、軍事偵查等，并且取得了良好的應用效果。并且隨著科學技術的不斷發展和創新，可以進行遙感數據鏈控制、地理匹配控制和全球定位系統衛星電位控制。現代無人機操作簡單，系統運行穩定，經濟效益也較為優越，通過無人機進行作業與載人飛機相比能夠節省十分之一的成本，并且無人機受自然環境的影響較小，工作效率使載人飛機的10倍以上。目前，無人飛行器基本取代了載人飛機，在各個領域也都表現出了卓越的性能。

一般現在無人飛行器的功能和性能都較為卓越，通常具備如下指標：

1）飛行控制：一般遙控距離在5km左右，但性能較為卓越的控制距離能夠達到30km，并且GPS導航系統以及地理匹配巡航系統已經成為無人機的標配功能。

2）起飛條件和巡航速度：在20米以上無明顯顛簸的道路，小于12m/s的風速，以及天氣小雨的狀態，均能夠正常起飛和運行;無人機額巡航速度根據性能不同，速度也在50km/h-110km/h范圍內不相同。

3）飛行氣候條件：一般無人機能夠在12m/s風速以下起飛，性能卓越的能夠達到20m/s風速下起飛，天氣在中雨以下。

4）升限：無人機能夠在低空平穩飛行，同時飛行海拔高度又能達到2千米以上。

5）載重：由于電力小號的原因，無人機載重一般不大，但也能夠達到10千克以上。

6）續航時間和距離：續航時間根據飛行器的性能30min到5h不等;續航距離一般情況下為30km，其中性能卓越的無人機能夠達到500km的飛行距離。

2 巡線無人機穩定飛行技術

要使柔性翼無人機進行全天候高壓線路巡邏和穩定飛行，使柔性翼無人機在線路巡邏中切實可行，需要以下關鍵技術。

2.1 巡視興趣點

無人機巡邏方法是在無人機平臺的控制臺上固定一個或多個小型攝像機，觀察和拍攝輸電線路上的重要設施。巡線無人機沿輸電線路以一定速度移動，并在運動過程中檢測興趣點，通過高分辨率的CCD攝像機捕捉相片，實時傳輸到地面監測點，地面操作人員根據傳輸過來的圖像進行判斷路線是否安全。

2.2 常見障礙物

在野外輸電線路中，線路沿線威脅輸電線路安全運行的所有其他物體，包括動植物、建筑設施等。除了共同感興趣的檢查點之外，都是共同的障礙。輸電線路常見的障礙物主要是建筑物、樹木、人工設施等，以及人造異物（風箏）。對于這種物體，其特征是可以檢查其外觀，因此主要通過目視檢查來監控。

2.3 自動化飛行

我國的野外輸電線路存在以下特點：長度一般在100公里左右，距離公路較遠（10-15公里左右），因此對于無人機的遙控距離要求達到15公里以上。無人機上的數據鏈路能夠實時的將巡查的圖像和視頻傳到地面，地面控制系統的相關工作人員對傳輸的圖像和視頻進行查看與檢查;并且無人機搭載GPS導航系統、自主巡航系統、電線跟蹤系統等，無人機的自動化飛行已經實現，這樣能大大減少線路的巡視時間，巡視一根線路僅需要3小時左右。

2.4 機體飛行拍攝

柔性翼無人機飛行穩定，不晃動，具有承載能力穩定的攝像平臺，可以通過可見光以及紅外熱成像技術進行圖像傳輸，并且能夠自動攝像，能夠形成高分辨率的航空影像。

2.5 線路桿塔自動跟蹤識別

無人機搭載先進的測繪控制系統，能夠使無人機快速識別圖像并且及時曝光，生成圖片視頻等，對于地面塔、線路、木材、絕緣體、配件等能夠形成高清晰度可見光和紅外圖像，并且有些無人機已經具備傳輸網絡故障識別功能。

3 無人機巡線的技術指標

無人機巡線的最簡單方式是在機艙內安裝小型攝像機。拍攝電線和絕緣子串時，只需要1個操作人員進行操控，當無人機返回地面時能夠及時的分析辨別線路情況。但是部分無人機機身抖動不穩，導致攝像機的聚焦不準確，形成的圖像也較為模糊，雖然能夠從這些圖像中分析和觀察出塔架、電線的傾斜、斷裂、纏繞、與周圍構筑物搭接等明顯現象，但是更深一步的線路污損、線路開裂、線路老化以及絕緣部件老化脫落等，還是沒有辦法識別控制，這是無人機下一步需要研究的重點內容。

其中柔翼無人機飛行穩定，能夠保持攝像平臺不抖動，并且能夠更好地聚焦曝光，同時安裝了可見光以及紅外成像設備自動控制攝像，能夠對地面和線桿的老化、污損等問題有效解決。柔翼無人機（圖2所示）技術須具備相關功能，因此應該具備以下技術指標。

系統重量：■80kg;起飛重量：■120kg（載重40kg）;發動機：180四沖程發動機，功率20hp;翼傘面積：30㎡;遙控距離：15km;留空時間：5h;最大速度：50km/h;最大飛行高度：3000m。

圖2 柔翼無人機

4 結語

柔翼無人機巡線提高了作業質量和作業效率，給線路巡航人員減輕了負擔，也提高了科學管理水平，為國家輸電系統提供堅實的基礎，為社會能夠創造更高的社會經濟效益。隨著對輸電性能要求的不斷提高，柔翼無人機也需要跟隨時代腳步的發展，不斷更新換代，無人機所具備功能的優勢也逐漸體現在各行各業，相信隨著國家電網對輸電指標的進一步提升，柔翼無人機必將會成為快速、可靠、有效的檢測途徑。

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