無人機巡檢技術研究與應用

李寧

（廣州南方衛星導航儀器有限公司 廣東省廣州市 510000）

隨著無人機技術的飛速發展，它們在架空輸電線路上的應用越來越廣泛，發揮出了越來越大的作用。為了提升架空輸電線路的運行效率和質量，以滿足當今社會對安全可靠的要求，線路運檢人員應該積極探索和利用無人機技術，以實現對日常巡檢的有效監控，從而推動行業的可持續發展。隨著科技的迅猛發展，無人機技術已經取得了巨大的成就，并被廣泛應用于各種領域[1]。無人機的硬件和軟件設備也日益完善，特別是在輸電線路的檢測方面，它們可以有效地克服傳統檢測方式的局限性，及時發現線路運行中的潛在危險，特別是在惡劣的天氣狀況和復雜的地形環境下，能夠迅速收集現場信息，減少維護人員的損失，極大地提升了檢測的效率。

1 巡檢無人機系統要求

1.1 使用環境要求

無人機巡檢系統應滿足如下要求：

（1）起飛海拔高度：1000m ～3000m 符合GB/T20626.1 的規定；

（2）實用升限：3500m；

（3）工作溫度：-15℃～+55℃；

（4）相對濕度：≤95%（+25℃）；

（5）在極端的降雨（雪）天氣中，飛機可以安全地短暫停留；

（6）防潮濕、防鹽霧、防霉菌設計符合相關標準規定。

1.2 固定翼無人機性能要求

（1）有效載荷重量：≥1kg；

（2）最大續航時間：≥1h；

（3）最小作業真高：100m；

（4）巡航速度：≥70km/h；

（5）航程：≥70km；

（6）抗風性能最低要求：10m/s（距地面2m 以上，瞬時風速）；

（7）飛行中水平位置控制精度：≤5m，飛行中垂直位置控制精度：≤10m；

（8）電磁兼容性符合GB/T17626.5 的規定；

（9）應能承受正常操作、發射、回收、飛行中所遇到的振動、沖擊、加速度。

1.3 起降方式要求

（1）宜采用垂直方式起飛，可采用滑跑、彈射、車載等方式起飛。

（2）采用彈射方式起飛的固定翼無人機應能承受彈射時受到的沖擊，彈射架應便于操作和運輸，重量不宜過大。

（3）降落時應采用垂直方式，可以通過滑行、機腹擦地、傘降和撞網等方式實現。

（4）固定翼無人機在降落時，機腹擦地處應當采用耐磨材料，以確保任務載荷、測控通信設備（包括天線）、發動機、電池等關鍵零部件能夠得到有效的保護，避免受到外力的直接沖擊。

（5）固定翼無人機在傘降過程中，必須采取有效的防護措施，以確保任務載荷、測控通信設備（包括天線）、發動機、電池等關鍵部件免受外力的沖擊。

（6）固定翼無人機在撞網降落時，機身結構應當采用后置螺旋槳，以確保任務載荷、測控通信設備（包括天線）、發動機、電池等關鍵零部件能夠得到有效的保護和維護。

1.4 任務載荷性能要求

1.4.1 可見光相機性能要求

（1）有效像素：≥2400 萬；

（2）當作業高度達到200m 時，成像質量可以準確識別航線兩側各100m 范圍內的0.5m*0.5m 的靜態目標，從而確保航行安全。

1.4.2 可見光攝像機性能要求

（1）有效像素：≥1280（H）×720(V)；

（2）光學變焦倍數：≥10；

（3）當作業高度達到200m 時，能夠準確地捕捉到航線垂直方向上兩側各100m 范圍內的3m*3m 的靜態目標，從而獲得優質的影像。

1.4.3 紅外熱像儀性能要求

（1）分辨率：≥640（H）×480（V）；

（2）熱靈敏度：≤65mK；

（3）幀率：≥25fps；

（4）視頻輸出格式：PAL；

（5）空間分辨率：優于1.5mrad。

1.5 測控通信設備性能要求

（1）通視條件下，測控通信距離：≥20km；

（2）圖像傳輸速率：≥2Mbps；

（3）誤碼率：≤10-6；

（4）通視條件下，測控通信響應時間，上行時延≤20ms，下行時延≤400ms。

1.6 地面站性能要求

（1）體積：≤500mm（L）×400mm（W）×250mm（H）；

（2）重量：≤15kg；

（3）額定功率：≤80W；

（4）在額定功率下，電池供電的工作時間應該超過5h；

（5）在待機狀態下，電池供電的運行時長應超過10h；

（6）整體防護等級：不低于IP64 符合GB/T4208的規定。

1.7 電磁兼容性要求

（1）根據GB/T17626.5 的要求，電磁兼容性設計必須滿足500kV 及更高的交直流輸電線路的100m 范圍內的安全性和可靠性；

（2）為了保證電纜的安全性，建議使用雙層屏蔽同軸電纜，并使用雙絞線來傳輸控制信息；

（3）具有良好雷擊浪涌抗擾度能力[1]。

1.8 可靠性要求

（1）可靠性工作的項目和要求符合相關標準規定；

（2）可靠性設計符合相關標準規定；

（3）飛行控制系統平均無故障時間：>150h；

（4）發動機平均無故障時間：>150h；

（5）發動機使用壽命：>1000h；

（6）動力電池充放電次數：≥300 次；

（7）由于其優異的導通性和穩定的連接，動力電池接頭的外部絕緣強度也得到了顯著提升；

（8）軟件安全性措施方面應符合機載軟件安全性相關規定。

1.9 操作性要求

（1）系統展開時間應小于20min；

（2）系統撤收時間應小于10min；

（3）為了避免混淆，電氣連接必須清晰地標示；

（4）零部件更換應方便、快捷。

1.10 維修性要求

（1）為了確保工作效率，應該提供合適的工作區域和操作空間，以便于訪問；

（2）應盡量采用標準件和模塊化設計，提高設備、組件的互換性[2]；

（3）應盡可能降低維修技能要求，除少數故障需要專業人員外，其它故障均可由用戶完成維修；

（4）其它維修性要求符合相關標準規定。

2 巡檢無人機系統構成

隨著無人機技術的不斷進步，能夠完成復雜任務的無人機系統已經發展出了多個分支機構[2]，其中包括：

（1）無人機由多個部件組成，包括機身、推進系統、操縱和維護設施。

（2）該任務設備包括：戰斗監控、電子防御、通信中繼、攻擊指揮、電子偵查、核生化探測、戰場測繪和靶標設備。

（3）通過無線電遙控/遙測技術、信息傳輸技術和中繼轉發技術，可以實現對測控和信息傳輸的全面管理。

（4）飛行控制與管理系統由多種功能組成，包括：實時的數據顯示、地形圖、航線軌跡、任務安排、記錄、重現、情報分析、數據傳輸，還有各種數據傳輸和數據交換接口。

（5）發射與回收系統由多個部件組成，其中包括發射車、發射箱、助推器、起落架、回收傘、攔阻網等，這些部件的協同工作使得發射與降落的過程能夠順利進行。

（6）維修系統包括基層級和基地級，旨在保障設備的正常運行。

無人機系統是一種用于執行特定任務的機器，它能夠通過遙控和遙測技術來接收信息并將其傳送到目標地點[3]。

3 無人機自主巡檢技術應用

3.1 反無人機GPS欺騙技術

目前應對無人機的最常見手段包括：利用雷達、無線電頻譜探測器、光學設備、干擾機以及GPS 等設備[3]，來實現有效的監控、檢測、攻擊、干擾以及欺騙等，如圖1 所示。但是目前普遍存在的問題在于：

圖1：無人機GPS 欺騙誘捕方法與流程

（1）無人機飛控系統已經逐漸引入反GPS 欺騙算法，GPS 誘騙難度逐漸增高[4]；

（2）對無人機飛手定難、抓捕難的問題始終沒有解決。

3.2 圖像預處理技術

（1）圖像預處理：對無人機傾斜攝影獲取的圖像進行切分、去噪、糾正等預處理操作，提高后續處理的準確度和效率[5]。

（2）特征點提取：利用計算機視覺算法提取出每張圖像中的特征點，并對其進行匹配，以實現三維建模。

（3）點云處理：將無人機傾斜攝影獲取的數據轉換成點云格式，對點云數據進行濾波、去除噪點、采樣、配準、重建等處理操作。

（4）模型生成：利用點云數據生成三維建模模型，可采用多種方法，如多視圖立體匹配、三角網格生成、體素填充等。

（5）后處理：對生成的三維模型進行后處理，包括紋理映射、網格優化、貼圖等操作，以提高模型質量和視覺效果。

（6）分析與應用：根據需求對三維模型進行分析和應用，如計算體積、提取特征、導入到GIS 系統中等。

3.3 無人機航跡規劃技術

通過對任務目標的精確定位和優化，航跡規劃可以為無人機提供一個完美的、符合約束條件的飛行路徑，這也是其最重要的組成部分[6]。采用GPS/INS 組合導航系統，無人機可以有效地規劃出最優的飛行路線，從而減少地圖誤差和隨機環境的干擾，同時還能夠實現自主調整，有效地防止遭遇敵對目標，從而確保安全地完成指定的任務[7]。通過分析周圍的環境因素，如風場、敵方雷達掃描范圍、導彈高炮打擊威脅區以及地形，可以制定出最佳的無人機航跡規劃方案，這需要考慮到多種因素，如飛行器的約束條件、航跡規劃器和自動駕駛儀。

3.4 數據安全防護技術

3.4.1 載荷安全防護

通過采取軟件檢測方法，能夠有效地識別出無人機系統的載荷，從而確保其完整性、可靠性，并且采取相應的措施，如加強慣性傳感器和GPS 傳感器的防護[8]，從而提高無人機的安全性。

通過調整控制常量，能夠更準確地了解無人機的運動規律，因為它們受到無人機的物理特征的影響，包括重量、軸心距、底層控制算法、慣性和重力。如果無人機的航跡超出了其規定的范圍[9]，那么可以斷定它遭遇了欺詐性的攻擊。由于無人機載荷眾多，IMU 和GPS傳感器容易受到欺騙攻擊，因此，研究和開發有效的防護技術顯得尤為重要，以確保無人機的安全性和可靠性。隨著新一代攻擊手段的不斷涌現，光流、雷達、ADS-B等載荷也面臨著更大的威脅，因此，開發有效的防護技術，以確保載荷的安全性，已經成為當今研究領域的一個重要課題。

3.4.2 軟件安全防護

在工業控制領域，漏洞檢測通常采用灰盒技術或黑匣子技術。通過灰盒方法，可以在充分理解目標的基礎上，進行二進制插樁、動態污染源檢測、漏洞檢測以及其他相關技術；通過使用黑盒技術，可以在沒有充分信息的情況下進行漏洞檢查，這是一種常見的模糊測試技術。無人機系統的漏洞檢測和防御技術類似于工業生產，一般會使用黑匣子或灰匣子的方法，這些方法包括控制流完整性、模糊測試（Fuzzing）、內存隔離等，旨在提高系統的安全性和可靠性。

3.5 霍夫變換效果

霍夫變換可以用來精確地描述和預測斷點的邊緣特征。該方法利用將二維圖像從原始狀態轉換為參考狀態，從而實現對直線和曲線的有效擬合。如Hough 所述，圖像空間x-y 中，斜率為a，在y 軸截距為b 的直線方程為：y=ax+b。

3.6 智能優化路徑規劃算法

3.6.1 啟發式尋優搜索

啟發式搜索可以幫助更快地找到目標，它可以通過評估狀態空間中的搜索結果，找出最優解，并且可以節省搜索時間，提高效率就是其中之一。

3.6.2 遺傳算法

遺傳算法（GA）被廣泛應用于解決復雜問題，它以其高效率和穩健的特點而聞名。這種算法利用染色體的重組、轉錄和變異來創建一系列新的基因組，然后根據這些基因組的表現來評估它們的性能，以達到最佳的結果。

3.7 神經網絡方法

Hopfield 網絡借鑒“能量函數”的理念，通過采用特殊的非線性動態結構，使得它能夠在達到穩定狀態時，將能量降至最低，從而有效地解決優化等技術難題。可以將地形信息轉化為可用于航跡規劃的參數，并利用擴展的Hopfield 模型和無人機約束條件來實現安全和合理的航跡規劃。這種方法可以幫助更好地跟蹤和避開地形，從而提高航行效率[10]。

4 結語

隨著技術的發展，越來越多的電力企業正在采用無人機來完成架空輸電線路的巡檢，而不再依賴傳統的手工操作，從而實現智能化的飛行。在探索線路的過程中，為了達成最佳效果，必須先讓無人機飛至指定的高度，并且根據實際情況精確地調節拍攝角度。海量數據處理、巡檢缺陷圖像自動識別等前沿技術的不斷進步，無人機巡檢的應用將得到極大的提升，從而有效地解決實際生產中的問題，確保輸電線路的安全可靠運行。