基于多旋翼無人機(jī)平臺(tái)的高性能電力綜合巡檢系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李 寧，李 波，陳 煒，康 瑞，楊少賓

（國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司檢修公司，寧夏銀川 750011）

近年來，我國(guó)的電網(wǎng)建設(shè)取得了迅速的發(fā)展。從特高壓輸電到主動(dòng)配電網(wǎng)均獲得了較大的發(fā)展，也逐漸改變了能源的供應(yīng)方式，提升了能源的供應(yīng)效率[1]。但日益擴(kuò)大的電網(wǎng)規(guī)模需要花費(fèi)更多的人力、物力去維護(hù)，由此也產(chǎn)生了較高的運(yùn)維檢修費(fèi)用；同時(shí)由于大部分的輸電線路和高壓變電站地理分布較為復(fù)雜，通常需要穿越高山、冰區(qū)及無人區(qū)等[2]。這不僅增加了運(yùn)維檢修成本，且存在較大的安全隱患。因此，利用無人機(jī)進(jìn)行電力巡檢成為一種可靠的解決方案。在近年來，隨著無人機(jī)技術(shù)與性能的不斷提升，極大地減少了電力設(shè)備巡檢的工作量和危險(xiǎn)性[3-5]。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)無人機(jī)電力設(shè)備巡檢系統(tǒng)和硬件均作了較大的改進(jìn)。文獻(xiàn)[6]對(duì)無人機(jī)的電力線路巡檢中關(guān)鍵技術(shù)作了全面的論述；文獻(xiàn)[7]對(duì)微型四旋翼無人機(jī)在電力巡檢中的應(yīng)用開發(fā)了較靈活、實(shí)用的系統(tǒng)。國(guó)外由于巡檢系統(tǒng)結(jié)構(gòu)已較為完善，其研究主要集中于提升無人機(jī)的續(xù)航能力[8]、操作靈活性[9]以及圖像識(shí)別[10]等方面，旨在開發(fā)出一種高性能、準(zhǔn)確度高的無人機(jī)電力巡檢軟硬件平臺(tái)。

綜上所述，雖然無人機(jī)電力巡檢已被應(yīng)用于電力系統(tǒng)的設(shè)備巡檢中。但受制于無人機(jī)的性能和續(xù)航能力、圖像識(shí)別、數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確性等，尚存在較多可提升的方面，具有較大的研究潛力及意義。

1 無人機(jī)巡檢系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能

1.1 整體方案

典型的無人機(jī)巡檢系統(tǒng)主要分為5 個(gè)部分[11]，包括無人機(jī)本體、導(dǎo)航、跟蹤、云平臺(tái)及地面信息平臺(tái)。其主要構(gòu)成與聯(lián)系如圖1 所示。

圖1 無人機(jī)巡檢系統(tǒng)構(gòu)成

無人機(jī)巡檢系統(tǒng)中的無人機(jī)系統(tǒng)是電力巡檢的主要載體，也是最重要的部分，保障無人機(jī)系統(tǒng)的安全、可靠運(yùn)行是通過無人機(jī)進(jìn)行電力巡檢的基礎(chǔ)。無人機(jī)系統(tǒng)主要是指無人機(jī)內(nèi)部的控制系統(tǒng)，用于自平衡、自動(dòng)調(diào)整飛行角度、故障保護(hù)等。導(dǎo)航系統(tǒng)作為無人機(jī)電力巡檢平臺(tái)的定位手段，借助GPS[12]和北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)[13]可以較準(zhǔn)確地定位無人機(jī)的位置。同時(shí)通過云平臺(tái)返回其方位和所拍攝圖形的位置，以便巡檢人員判斷無人機(jī)與電力設(shè)備所在的具體位置。航點(diǎn)跟蹤系統(tǒng)作為無人機(jī)失靈時(shí)的保護(hù)系統(tǒng)，在目前無人機(jī)可靠性有限的情況下具有較重要的作用。云平臺(tái)系統(tǒng)和地面信息系統(tǒng)是處理無人機(jī)拍攝成果的主要渠道，無人機(jī)將拍攝的圖片、視頻、地理位置等其他信息上傳至云平臺(tái)，進(jìn)而傳輸至地面信息處理站點(diǎn)。地面信息處理站通過圖像識(shí)別或人為判斷，可以判斷該處電力設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。地面信息系統(tǒng)可同時(shí)向無人機(jī)發(fā)送控制指令，方便操作人員更全面地查看某電力設(shè)備[14]。

1.2 四旋翼無人機(jī)本體設(shè)計(jì)

四旋翼無人機(jī)是無人機(jī)電力巡檢最關(guān)鍵的設(shè)備，其飛機(jī)本體上搭載有通信設(shè)備和飛行控制系統(tǒng)。其中飛行控制系統(tǒng)是無人機(jī)系統(tǒng)的核心，關(guān)系著無人機(jī)飛行的穩(wěn)定性和控制的靈活性[15]。

飛行控制系統(tǒng)應(yīng)具備的功能有：

1）在不同的環(huán)境因素（溫度、風(fēng)速）下保持飛行器的穩(wěn)定性；

2）根據(jù)操作員的指令調(diào)整飛行；

3）與地面信息站和云平臺(tái)進(jìn)行信息交換與傳遞；

4）具備一定的二次開發(fā)功能。

1.3 定位設(shè)計(jì)

無人機(jī)巡檢系統(tǒng)的定位設(shè)計(jì)主要是通過測(cè)量飛行器所處位置，利用組合定位技術(shù)對(duì)多種物體進(jìn)行測(cè)量，進(jìn)而根據(jù)測(cè)量值之間的比較，得出相對(duì)誤差并修正參數(shù)。位置信息可分為GPS 數(shù)據(jù)和INS 數(shù)據(jù)。在這一問題上，卡爾曼濾波法通常被認(rèn)為是較好的解決方式。

結(jié)合卡爾曼濾波，通過GPS、INS 的位置信息探測(cè)結(jié)果，得到相對(duì)準(zhǔn)確的定位信息。其具體原理如圖2 所示。

圖2 差分GPS/INS組合定位原理

2 系統(tǒng)軟硬件環(huán)境搭建

2.1 Onboard系統(tǒng)設(shè)計(jì)

Onboard[16]系統(tǒng)由傳感、計(jì)算及通信等設(shè)備組成，該系統(tǒng)具有豐富、全面的功能，包含較多的飛行模式選擇、飛行數(shù)據(jù)獲取和自主巡航等能力，而且具備二次開發(fā)性。其具體構(gòu)成關(guān)系如圖3 所示。

圖3 云平臺(tái)檢測(cè)系統(tǒng)

其軟件實(shí)現(xiàn)過程和命令的過程如下：

1）無人機(jī)飛行狀態(tài)與云平臺(tái)控制；

2）無人機(jī)搭載相機(jī)拍攝圖像指令控制；

3）無人機(jī)搭載相機(jī)拍攝視頻指令控制；

4）設(shè)備與云平臺(tái)數(shù)據(jù)交換控制；

5）無人機(jī)飛行路徑控制（圓弧或矩形）；

6）獲取無人機(jī)各個(gè)系統(tǒng)的詳細(xì)數(shù)據(jù)。

2.2 硬件環(huán)境

定位基站的發(fā)送信號(hào)與接收信號(hào)分布在不同的模塊，其通過串口與云平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，然后通過信息傳送設(shè)備將圖像、視頻等傳輸至地面信息站。

3 多旋翼無人機(jī)控制算法及改進(jìn)

3.1 航線控制算法

無人機(jī)航線控制算法主要由系統(tǒng)巡檢平臺(tái)搭載和實(shí)現(xiàn)。對(duì)于激光雷達(dá)無人機(jī)采集的高精度數(shù)據(jù)和關(guān)鍵點(diǎn)，比如桿塔周圍、線路沿線及變壓器等，鐵塔一般需要根據(jù)其線路回?cái)?shù)取不同的采集點(diǎn)。無人機(jī)主要懸浮位置如圖4 所示。

圖4 無人機(jī)巡檢主要懸浮位置

根據(jù)巡檢需要，無人機(jī)的巡檢路線和停留懸浮關(guān)鍵點(diǎn)需滿足式（1）的要求：

式（1）中，y1、y2分別為在一定的磁場(chǎng)干擾下，無人機(jī)保持既定路線的距離。實(shí)際使用中，需要根據(jù)式（1）與不同的應(yīng)用場(chǎng)景綜合制定關(guān)鍵點(diǎn)的采集位置，由此得出無人機(jī)的最優(yōu)巡檢、懸浮路線，保證四旋翼無人機(jī)的穩(wěn)定、高效工作。

3.2 圖像識(shí)別處理

圖像的信息識(shí)別是各行各業(yè)開展無人工作的研究重點(diǎn)，識(shí)別信息的準(zhǔn)確性直接決定了所采集信息是否能夠被使用。該文基于四旋翼無人機(jī)的高性能電力綜合巡檢平臺(tái)，采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為圖像識(shí)別的方法。該方法結(jié)合梯度下降算法進(jìn)行訓(xùn)練，且需要收集大量的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練、提取特征和分類。收集數(shù)據(jù)輸入至卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)中，最終形成合格的圖形識(shí)別流程和模式，并對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行智能訓(xùn)練分析。

卷積神徑網(wǎng)絡(luò)原理如圖5 所示。

圖5 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入輸出關(guān)系如式（2）所示。

式（2）中，Wi為權(quán)值向量；f(·)為激勵(lì)函數(shù)；Hi為特征圖。

下采樣層的主要功能一方面是對(duì)所采取的數(shù)據(jù)進(jìn)行降維處理，另一方面需要保持關(guān)鍵特征值不變。假設(shè)Hi是下采樣層，則：

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)映射后的數(shù)學(xué)模型為：

式（4）中，W和b為可變參數(shù)。設(shè)η為殘差控制傳播強(qiáng)度，則有：

該文所建立的無人機(jī)巡檢系統(tǒng)是基于上述卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法進(jìn)行的。在多次的訓(xùn)練后，能夠生成智能特征提取模型。在處理數(shù)據(jù)后，還需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)和改正，整理誤差數(shù)據(jù)并形成操作報(bào)告。這種做法正是在大量數(shù)據(jù)找規(guī)律的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，顯著提升了處理效率和準(zhǔn)確性。

3.3 遙控距離增程

在無人機(jī)內(nèi)部飛控主板引一條36 V 供電焊點(diǎn)，通過5 V 降壓模塊連接到2.3 W 的2.4/5.8 雙頻功率放大芯片。將兩個(gè)信號(hào)接發(fā)端口與無人機(jī)原有端口連接，提升無人機(jī)收發(fā)信號(hào)的強(qiáng)度。具體結(jié)構(gòu)如圖6、圖7 所示。

圖6 天線接口示意圖

圖7 無人機(jī)遙控器功率放大接線

3.4 電池續(xù)航

我國(guó)無人機(jī)電力巡檢的主要瓶頸在于無人機(jī)的性能，比如無人機(jī)續(xù)航能力、飛行穩(wěn)定性等因素。國(guó)內(nèi)外目前正在開發(fā)石墨烯電池，但并未實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破。氫燃料電池雖然續(xù)航能力強(qiáng)，但成本過高，而且穩(wěn)定性、安全性和小型化等因素始終是阻礙民用無人機(jī)技術(shù)應(yīng)用的重要原因。

該文以DJI Mavic 2 無人機(jī)為例，其采用智能鋰聚合物電池，提高其續(xù)航能力的方案如下：

第一步，并聯(lián)增容，使用EV2300 將無人機(jī)智能電池連接至PC 電腦USB 接口處。利用BQ30Z50 電池狀態(tài)調(diào)參軟件將無人機(jī)智能電池固件備份，以防電池鎖住。

第二步，更改電機(jī)濾波器算法，將無人機(jī)拆解，找到電調(diào)與飛控連接焊點(diǎn)處。使用電烙鐵將其拆解開，然后將兼容Betaflight-Configurator 軟件的飛控重新焊接至電調(diào)上。將數(shù)據(jù)線的一端與飛控連接，另一端連接PC 的USB 接口。打開Betaflight-Configurator 軟件，使用電機(jī)極數(shù)將ERPM 轉(zhuǎn)換為RPM。RPM 濾波是一組36 陷波濾波器，用于陀螺儀和Dterm（可選）。Dterm 使用RPM 遙測(cè)數(shù)據(jù)，以預(yù)定精度去除電機(jī)噪聲。以上操作完成后，通過飛控命令欄保存電調(diào)參數(shù)。

4 系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)踐

根據(jù)上述原理，建立四旋翼無人機(jī)電力巡檢平臺(tái)并進(jìn)行應(yīng)用實(shí)踐。測(cè)試所使用的無人機(jī)型號(hào)為大疆精靈Phantom 4 RTK，采用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，測(cè)試對(duì)象為23 km 的同塔雙回110 kV 線路。

實(shí)踐結(jié)果表明，該高性能無人機(jī)平臺(tái)顯著提升了電力巡檢的準(zhǔn)確性和效率，減少了電力巡檢尤其是輸電線路巡檢的危險(xiǎn)性，保證了作業(yè)質(zhì)量。詳細(xì)作業(yè)指標(biāo)參數(shù)對(duì)比如表1 所示。

表1 作業(yè)關(guān)鍵指標(biāo)參數(shù)對(duì)比

該文所述的高性能電力綜合巡檢系統(tǒng)大幅度提升了四旋翼無人機(jī)的續(xù)航里程和圖形識(shí)別精度。在經(jīng)濟(jì)性方面，110 kV 線路1 km 成本從500 元降低至100 元；巡檢線路故障準(zhǔn)確性由95%提升至98%；工作效率由20 min/km 降低至5 min/km；續(xù)航平均時(shí)長(zhǎng)由15 min 提升至22 min。在保證精度和提升效率的前提下，顯著降低了電力巡檢的經(jīng)濟(jì)性，并提升了電力巡檢的安全性。

5 結(jié)束語

目前智能電網(wǎng)的發(fā)展較為迅速，研究者結(jié)合泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的概念，對(duì)電力設(shè)備的無人機(jī)自動(dòng)巡檢系統(tǒng)進(jìn)行了大量的探索。作為實(shí)現(xiàn)智能化巡檢的載體，對(duì)無人機(jī)高性能電力綜合巡檢平臺(tái)的研究尤為重要。該文基于現(xiàn)有四旋翼無人機(jī)，對(duì)其續(xù)航能力和數(shù)據(jù)處理準(zhǔn)確性進(jìn)行了改進(jìn)。結(jié)合無人機(jī)精確控制算法，使無人機(jī)能夠自主捕捉觀測(cè)關(guān)鍵點(diǎn)。結(jié)果表明，文中所建立的無人機(jī)高性能電力綜合巡檢系統(tǒng)平臺(tái)能夠?qū)﹄娏υO(shè)備進(jìn)行準(zhǔn)確、高效的檢測(cè)，且不存在安全風(fēng)險(xiǎn)。