架空線路無人機巡線技術的相關思考

陳利博

摘要：介紹架空電力線路巡線用無人機分類和各類無人機巡線的特點及國內外無人機巡線的研究現狀，探討巡線無人機視覺跟蹤、故障探測等關鍵技術、發展趨勢和應用前景。

關鍵詞：架空電力線路;無人機;視覺跟蹤;故障探測

架空電力線路的覆蓋區域廣、穿越區域的地形復雜。為了掌握線路的運行狀況和及時排除線路的潛在隱患，每年都要花費巨大的人力和物力資源進行巡線工作?，F階段運用最廣泛的巡線方法是人工定期巡線，這種方法不僅勞動強度大，而且耗時長，效率低下，有些線路段受制于地形因素甚至無法接受巡檢。無人機技術的發展為架空電力線路的巡線提供了新的移動平臺。利用無人機搭載巡檢設備進行巡線，能提高巡線效率，降低巡線成本、不會造成人員傷亡。這種高效、經濟、安全的巡線方法已經開始成為研究的熱點。

1、巡線無人機的分類及巡線特點

無人機（unmannedaerialvehicle，UAV）是一種由無線電遙控設備或自身程序控制裝置操縱的無人駕駛飛行器¨]。用于巡線的無人機主要包括3類：固定翼無人機，無人直升機和小型旋翼機。

1.1、固定翼無人機

固定翼無人機的飛行速度比較快，達到100—200km/h，并且續航時間長，很適合進行長距離巡線，用來巡檢電力線路的總體狀況。固定翼無人機不能懸停，巡線時，沿線路進行單方向快速巡檢。一般置于線路的正上方，以俯視的角度巡線拍攝（圖1），也可根據實際需要降低巡線速度和高度，沿線路做低空慢速巡檢。

1.2、小型旋翼機

小型旋翼機重量小、結構簡單，靠無線電遙控飛行，能夠定點起飛、降落和空中懸停。其飛行速度較慢，而且續航時間極短，只能作短距離的巡線。一般是在已確定故障段，用小型旋翼機懸停于故障段，低速、定點地進行細節觀察。小型旋翼機最大的劣勢就是載重過小，只有1—2kg，只能搭載單一、輕型的巡線設備。由于重量輕，動力小，抗風能力明顯不足，3級以上的風力就會對起降和飛行帶來較大的影響。

1.3、無人直升機

與固定翼無人機相比，無人直升機能夠定點起飛、降落，空中懸停，但是飛行速度不如固定翼無人機，大多數在100km/h以內，且續航時間也較短，不適合用于長距離巡線。與小型旋翼機相比，其最大的優勢是載重更大，巡線時可以搭載更多的檢測設備，取得更全面的巡檢效果，但是價格比小型旋翼機要高。一般用來進行中、短距離的巡線或者對已確定的故障段進行懸停式細節檢測。

1.4、無人機組合巡線

無人機進行架空線路的巡線使用固定翼無人機搭配無人直升機的方式或固定翼無人機搭配小型旋翼機的方式進行。固定翼無人機用于定期、長距離巡檢電力線路的總體情況，無人直升機和小型旋翼機用于已確定故障段的情況下，進行更加接近線路的懸停式檢測，仔細、全面地觀察線路細節。這樣的配置方式有利于合理利用無人機資源，實現機型的互補使用，同時也使巡線更加全面、精確，減少了巡線時的遺漏。鑒于無人直升機的巡檢效果更好并且能夠進行中距離的巡線，在資金充裕的情況下，以固定翼無人機搭配無人直升機進行巡線為最佳。

2、國內外研究現狀

無人機巡線技術是最近十幾年才開始發展的一門新興技術，融合了航空、電子、電力、通信、圖像識別等多個高尖技術領域，實現起來難度比較大。世界范圍內研究無人機巡線技術的并不多，而且主要集中在無人機技術先進的發達國家。最早利用無人機巡線的是英國的威爾士大學和EA電力咨詢公司，使用的機型為無人直升機。已經進行的無人機巡線研究大部分都是以無人直升機為搭載平臺，主要原因是無人直升機具有懸停功能并且巡線速度適中。固定翼無人機和小型旋翼機是最近幾年才應用于巡線的。

國內關于無人機巡線研究的報道比較少。國家電網公司電力機器人實驗室進行過無人直升機的巡線研究，取得了階段性的成果。研究人員利用無人直升機搭載高清相機和紅外熱成像儀對線路進行了巡線實驗。在巡線拍攝的可見光圖像上，桿塔和導線上的物理缺陷都能被鑒別出來;紅外圖像上，熱缺陷導致的發熱點也比較明顯。

3、無人機巡線的關鍵技術

3.1、電力線路視覺跟蹤技術

無人機巡線時的導航、障礙物規避等功能的實現都依賴于對線路桿塔的視覺跟蹤技術。這項技術雖然在實驗中獲得了成功，但是在實際的應用當中還不是絕對的可靠。無人機巡線時機體產生振動，會影響巡線圖像的質量，再加上圖像中導線很細，與背景的視覺差異很小，給視覺跟蹤帶來了難度。另外巡線時如果遇到了與線路類似的直線型結構，比如鐵路或者其他的電力導線，有可能會導致跟蹤錯誤，帶來嚴重的后果。文獻[9]介紹了一種較簡單的基于霍夫變換的跟蹤算法，能同時對3條導線進行跟蹤，算法能夠把無人機橫向和縱向的位移提供給控制系統。即使圖像的背景非常的雜亂，這種算法依舊能夠實現對線路的跟蹤。文獻[10]利用向量梯度的霍夫變換實現對線路的視覺跟蹤，但是這種方法只能同時跟蹤1條導線。

3.2、位置控制技術

無人機巡線時離線路較近，又常常受強風、降雨等氣候因素的影響。為了保證無人機和線路的安全，位置的控制就顯得尤其重要。文獻（11]介紹了一種無人機位置控制系統。該系統利用LQG控制器實現飛機俯仰翻轉姿態的控制，利用PID控制器進行偏行控制。系統的高魯棒性已經得到驗證，當無人直升機空中懸停時，用繩索強行拉動機體，控制系統仍然可以正常的工作。

3.3、無線通迅技術

無線傳輸模塊完成地面基站和無人機之間的雙向數據傳輸。包括無人機拍攝的實時視頻、圖像，線路檢測傳感器數據，無人機位置狀態和由地面基站發出的各種飛行控制命令等，要求具有距離遠、抗干擾能力強等特點。

3.4、線路故障探測技術

（1）視覺探測，也就是可見光探測。利用無人機搭載高清相機和高清攝像機，拍攝巡線圖片和視頻，實時傳輸到地面基站或存儲下來，再由基站工作人員根據圖像和視頻中線路的外觀確定是否發生故障。視覺探測能有效發現線路表面的顯性故障，例如導線的斷股、異物懸掛、桿塔的變形、金具松脫和絕緣子的破損、閃絡等故障。其精度和準確度取決于圖像的質量。

（2）紅外和紫外探測技術，是利用無人機搭載紅外熱成像儀和紫外成像儀進行巡線。紅外熱成像儀能夠攝取表面溫度超過周圍環境溫度的異常溫升點的紅外光譜圖像，從圖像上可以判斷出線路、接頭、線夾、絕緣子等設備是否存在故障所導致的發熱點u。紫外成像儀能夠接收線路設備因放電產生的紫外訊號，并形成圖像顯示在屏幕上，從圖像上可以確定電暈的位置和強度u引。通過紫外成像，能夠有效探測出導線外傷、絕緣子放電、污染等存在放電現象的線路故障。

（3）激光雷達探測技術的主要優勢在于其精確的定量測量。利用激光測距儀，可以精確地測得線下植被、建筑到線路的距離，從而科學地制定樹木砍伐計劃和處理違章建筑。激光雷達巡線技術還可以掃描線路走廊，得到大量的高精度的激光點云數據，再配合高分辨率的航空數碼影像，可以進行線路走廊地形的三維建模。不過由于載重的限制，現階段在無人機上搭載激光雷達巡線系統的還比較少。

4、結語

無人機巡線具有廣闊的應用前景。與其他巡線方式相比，其獨特的優勢有：（1）無人駕駛，不會造成人員傷亡;（2）不受地理條件限制;（3）攜帶方便，便于投入現場;（4）只需一次投入，后續費用低。但是，空域管制、載重較小、氣侯影響等因素也在制約著其發展。無人機巡線有2個值得關注的發展趨勢：（1）多傳感巡線無人機。1架無人機集合多種故障探測儀器，同時實現多種巡檢方式。這要求無人機具有更大的載重，但不可避免地會帶來體積較大及控制過于復雜的缺點。（2）微型單傳感巡線無人機。通過多個攜帶不同故障探測儀器的微型無人機協調配合，也能完成巡線工作。由于機體很小，可以更加接近線路，獲取更清晰的巡線圖像。

參考文獻

[1]李宏剛.架空線路無人機巡線技術的相關探討[J].山東工業技術，2016（23）：241-241.

[2]朱安石，路平.無人機機載電子電氣設備檢測系統設計[J].無線電工程，2010，40（11）：59—61.

[3]付昱瑋，李字明，姜洪.無人機巡線的發展和應用研究[J].黑龍江科技信息，2014（3）：25-27.