多旋翼無人機在線路巡檢中的應用研究

王新陽

（國網南陽供電公司輸電運檢中心，河南 南陽 473000）

輸電線路覆蓋區域廣，穿越區域地形復雜，自然環境惡劣，從而增加了輸電線路運維管理的難度。輸電線路傳統巡檢方式為人工巡檢，存在特殊地形和氣象條件下巡檢困難、不易發現瓶口及以上部位缺陷、巡檢效率低等問題[1]，且人員登桿巡視勞動強度大、不夠安全、依賴人員經驗、容易造成誤判。

20世紀50年代初期，國外已經開展載人直升機線路巡檢、帶電作業等。1995年，英國威爾士大學和EA電力咨詢公司聯合研制了專用于輸電線路巡檢的小型旋翼無人機，并驗證了其可行性。美國電科院采用成熟的無人機平臺搭載攝像機進行了巡線試驗，能夠分辨大尺寸線路設備。中國在20世紀80年代開始相關試驗研究，但受當時技術水平和空中交通管制等因素的制約，未取得明顯效果[2]。

2008年起，國內開始探索架空輸電線路無人機巡檢應用[3]。國家電網公司于2015年在公司范圍內全面推廣小型多旋翼和固定翼無人機巡檢，旨在提高線路精益化運維水平。

電力巡檢用無人機分為無人直升機、固定翼無人機和多旋翼無人機3類。目前，無人直升機已較少被應用在電力巡檢領域，所以不再闡述；固定翼無人機通常負責大范圍、有較高航程要求的任務，但需要跑道，不能懸停；多旋翼無人機由多個旋翼產生升力，通過改變各個旋翼的轉速控制飛行器的姿態，具有小巧靈活、垂直起降、精準懸停、隨時懸停的優點，在架空線路巡檢中，多旋翼無人機可承擔精細化巡檢任務[4]。

本文首先介紹南陽電網常用的某型號四旋翼無人機，對其各構件的功能進行說明。根據作業人員長期應用四旋翼無人機進行線路巡檢的經歷，總結出了一些旋翼無人機拍攝技巧。應用某型號四旋翼無人機對南陽地區部分220 kV線路進行巡檢試驗，簡要分析了無人機在線路巡檢中的應用。

1 線路巡檢用四旋翼無人機

一般具有3個或3個以上旋翼的無人機被稱為多旋翼無人機或多軸無人機。旋翼指提供動力的螺旋槳，軸指為旋翼提供動力的旋轉軸。按軸數和槳數來命名幾軸幾旋翼無人機，依電機排布，分為共軸雙槳和單軸單槳。多軸無人機中效率最高的是四軸無人機，常用的多旋翼無人機很多都是四軸的。

首先簡單介紹一下作業人員常用的某型號單軸單槳四旋翼無人機（以下簡稱“四旋翼無人機”）。該型號無人機主要包括飛行器本體、云臺相機、遙控器、充電器和標配電池。

飛行器本體是前視視覺系統、下視視覺系統、頂部紅外感知系統的承載本體，這些主要功能模塊都布局于飛行器本體中，分別實現無人機在飛行過程中的前方障礙物距離感知功能、飛行速度測量和高度測量功能、頂部障礙物距離感知功能。該款無人機配套的云臺相機具有變焦功能，可以拍攝出高清影像。另外，該款無人機的遙控器配套有可視平板，通過平板觀察云臺相機呈現的拍攝畫面，使拍攝更具有目的性。

2 四旋翼無人機拍攝技巧簡述

將多旋翼無人機技術運用[5]在輸電線路巡檢中，可以拍攝出清晰、質量高的照片，能從照片中排查金具部分的銷釘級缺陷，如連接螺栓上的銷子缺失情況。

不同型號旋翼無人機的影像拍攝經驗，尤其是搭載有常規可見光鏡頭的無人機機型的拍攝經驗都是共通的。所以，文中以某型號四旋翼無人機為研究對象，并結合作業人員長期的飛行實踐，除去風速等客觀因素，初步總結出影響四旋翼無人機拍攝照片質量高低的3個因素為距離、云臺相機、光線條件。

距離因素指在無風或風速較小（小于5級）的情況下，無人機越接近拍攝物，越容易拍到質量高的照片。云臺相機因素指云臺相機性能的高低可直接影響拍攝出來照片的質量，由于無人機安裝有云臺相機，通過手持遙控器調節云臺鏡頭方向，俯視角度拍攝可以讓更多的元素進入畫面中，產生一種縱觀全局的視覺效果，而且拍攝時顯示的圖像亮度高，拍攝物體的上表面時有更廣闊的視野，發現更多的目標元素。在某些場合，如進行缺陷排查時，需用仰視角度才可以拍攝到物體的下表面，并適當運用曝光補償。

云臺相機可在﹣90°～50°間進行調整，俯視角度為負值，在拍攝桿塔較小的局部時，鏡頭角度一般以﹣10°～10°范圍為宜，這樣可以減小鏡頭調節的幅度，保證飛行安全。在拍攝一個主體時，可以嘗試選擇不同的角度去拍攝。

光線條件因素指自然光照情況下，云臺相機所拍攝照片體現出的一種亮度特征，光線條件對于拍攝曝光度的選取至關重要，該型號無人機的曝光度調節范圍為﹣2.7～+2.7，正值為增加曝光度。在晴天、光照均勻的情況下，俯視拍攝桿塔較小局部時，如果順光應調低曝光度，如果逆光應調高曝光度，曝光度在﹣0.3～1.0間比較合適；從仰視角度拍攝桿塔較小局部時，如光線暗應調高曝光度，進行曝光補償，曝光度在1.0～2.0間比較合適；從平視角度拍攝桿塔較小局部時，通過觀察手持顯示屏幕，以清晰顯示出圖像為宜，曝光度一般在0～1間進行選取。

3 無人機精細化巡檢作業流程簡述

目前，無人機自主巡檢剛起步，技術尚不成熟，線路的精細化巡檢作業仍很大程度上依賴作業人員的經驗和能力，根據現今無人機發展狀況，從人工操控無人機巡檢作業角度出發，需要制定一套規范的作業流程。作業流程分為作業前準備、作業中飛行拍照和作業后分析歸總。

3.1 作業前準備

密切關注天氣形勢，無人機巡檢作業應在天氣狀況良好的情況下開展，這里的良好天氣狀況是指：低于5級風速、能見度高于500 m、無雨雪雹、酷熱嚴寒等極端氣象條件。根據飛行任務中需要巡檢的線塔基數，確定作業人員人數、攜帶的無人機數量、電池數量、配件數量。

3.2 作業中飛行拍照

按照拍照順序進行拍攝，對于單回直線塔，先拍攝一邊相地線掛點，照片顯示清晰地線線夾、防震錘、銷釘和螺栓；接著拍攝這側一邊相絕緣子掛點，然后拍攝導線掛點；拍攝中相絕緣子掛點、導線掛點；拍攝另一邊相地線，接著拍攝這一邊相絕緣子掛點，然后拍攝導線掛點；最后對桿塔塔頭及基礎進行拍攝。對于雙回直線塔，先拍攝一邊相地線掛點，然后依次分別拍攝這邊上中下各相絕緣子掛點、導線掛點；拍攝桿塔基礎；后拍攝另一邊相地線 掛點，然后依次分別拍攝這邊上中下各相絕緣子掛點、導線掛點。所拍照片應能清晰顯示均壓環、掛點銷釘、橫擔螺栓、線夾及電氣部分金具等目標點位。飛行中密切注意飛機與人身安全。

3.3 作業后分析歸總

作業結束后，將所拍照片存至電腦中，并進行歸檔，將每基桿塔所有照片放到一個文件夾內，標明線路名稱、桿塔編號。分類完成后，對每張照片進行審閱，發現問題照片后，及時標注名稱和缺陷說明，并在圖中進行標注，將缺陷照片全放至缺陷文件夾內。

4 四旋翼無人機巡檢應用分析

選取文中描述的某型號四旋翼無人機，在為期半年的時間內，對南陽地區部分220 kV線路進行巡檢。

在檢查某相豎直串導線懸垂線夾、聯板等金具銷釘時，需采用俯視角度進行拍攝，俯視角度選為﹣7°，同時減少曝光度至﹣0.3，在距離輸電拍照目的區域7.3 m、4倍光學變焦的情況下，拍攝的輸電桿塔局部照片如圖1（a）所示。在檢查某相平串掛點螺栓、聯板等金具銷釘時，需采用仰視角度進行拍攝，仰視角度選為8°，同時增大曝光度至2.0，在距離輸電拍照目的區域7.5 m、4倍光學變焦的情況下，拍攝的輸電桿塔照片如圖1（b）所示。

圖1 俯視和仰視角度下拍攝的輸電桿塔局部照片

從圖1（a）中可以清晰地看到，圓圈區域內的螺栓上缺失鎖緊銷子，需及時處理該缺陷，否則會因為導線微振動，致使螺帽脫落，嚴重時會造成該相導線掉落。從圖1（b）中可以清晰地看到，圓圈區域內的螺栓上缺失鎖緊銷子，屬于需盡快處理的缺陷，照片比較清晰。

對拍攝的輸電線路缺陷照片進行統計[6]，無人機所拍攝的缺陷照片大致可以分為9大類，基本可以囊括巡檢線塔中發現的問題，具有條目清晰、歸納合理的特點，缺陷類型分為桿塔、大尺寸金具、小尺寸金具、導地線、絕緣子、基礎、附屬設施、接地裝置、通道環境。桿塔類缺陷分為銹蝕、缺螺栓、塔身裂紋、缺塔材、塔材變形、橫擔傾斜和其他桿塔類缺陷；絕緣子類缺陷分為瓷質絕緣子釉表面灼傷、瓷質絕緣子破損、復合絕緣子傘裙破損、鋼腳鋼帽銹蝕、均壓環損壞、均壓環移位、均壓環反裝、均壓環灼傷、均壓環銹蝕、均壓環脫落和其他絕緣子類缺陷；其他7類缺陷則按照大類進行劃分，也可以根據實際情況進一步細分。對所拍照片進行缺陷類型歸類，統計結果如圖2所示。

圖2 無人機拍攝的缺陷照片數目統計

國家電網于2018年分別進行了多旋翼無人機和直升機電力巡檢航拍圖像人工智能處理技術驗證工作，2次技術驗證均采用基于深度學習的目標檢測算法，檢測目標為8～9類常見且典型的架空線路缺陷，使用的數據集僅包含正樣本（即含有缺陷的圖像），算法檢測的最好成績為30%～89%，不同類型缺陷的檢測成績有較大差異：對絕緣子、金具等幾何特征相對顯著的缺陷，檢測效果較好；通道環境、接地裝置和異物類缺陷由于樣本數較少，且缺陷表現特征多樣化，檢測效果不佳[4]。

從當前研究看，深度學習技術在檢測準確率及算法適用性方面都優于人工設計特征的機器學習方法，但距離實際應用還需很長時間。有大量數據支撐才能保證深度學習技術在該領域得到持續發展，目前，還是需要人工來有效識別缺陷照片。

由于飛控手培訓周期長、要求高，制約了無人機巡檢作業的推廣。人工巡檢存在所拍照片型式標準不統一、照片質量參差不齊、巡檢效率低等問題。應用智能化巡檢技術可大幅提高作業效率。

許保瑜[7]提出了一種基于多機協同作業的不間斷自主桿塔巡檢方法，建立了A、B車交替不間斷巡檢的作業方式，基于計算機視覺技術和高精度RTK輔助定位技術，構建了基于輸電線路移動式不間斷自動精益化智能巡檢系統，有效提升了自動巡檢與降落的精準度，提高了管理決策質量及作業效率。

5 結束語

應用多旋翼無人機對輸電線路進行巡檢，省時省力高效，可以發現輸電線塔上存在非常細微的缺陷，對于排查輸電線塔上的隱患可發揮巨大作用。目前，旋翼無人機亦可以搭載許多專業類擴展云臺鏡頭，譬如激光云臺可以實現線路通道及線塔三維建模，紅外功能云臺可以對線路電氣部分開展實時測溫、紅外拍攝等。

開展多旋翼無人機精細化巡檢作業對作業人員的要求較高，作業人員不僅要具備精湛的飛行技能水平，還要具備扎實的理論知識，目前，多旋翼無人機專業作業人員缺口巨大。多旋翼無人機裝備更新迭代速度非常快，續航能力強，云臺相機功能強大，更加專業細分的無人機機型不斷地運用到電力巡檢作業中，將會產生海量的影像照片，這給后期缺陷照片的審閱造成很大的壓力。

綜上所述，多旋翼無人機今后會越來越廣泛地運用于輸電線路巡檢中，而人員技能培訓、專業高效的數據處理能力提升則是電網部門的發展重點和著力點。