不同類型無人機在電力巡檢中的應(yīng)用

為了促進無人機系統(tǒng) （Unmanned Aircraft System， UAS）應(yīng)用的快速發(fā)展，使無人機應(yīng)用帶來的經(jīng)濟效益最大化，在當前無人機多樣化任務(wù)需求的牽引下，迫切需要突破相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)，并克服監(jiān)管、政策、技術(shù)、社會、環(huán)境等方面所面臨的挑戰(zhàn)。

電力巡檢是電力供應(yīng)公司的一項重要任務(wù)，對電力系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用。電力線路覆蓋區(qū)域廣且穿越地域的地形復雜，在惡劣天氣下易受到侵害，容易出現(xiàn)斷股、腐蝕、絕緣子破損、桿塔傾斜等故障，若不及時維修會導致嚴重事故。傳統(tǒng)的巡檢方法是人工定期巡檢，這種方法勞動強度大、效率低、風險高。因此，需要新的高度專業(yè)化的機器來提高電力巡檢工作的整體質(zhì)量和安全性。

隨著無人機技術(shù)的日趨成熟，無人機技術(shù)的發(fā)展為電力線路的巡線提供了新的移動平臺。近年來，國內(nèi)對無人機電力巡檢的認同度逐漸提升，使用無人機搭載巡檢設(shè)備進行電力巡檢運營費用大大降低、不受地理條件限制、操作安全、減輕人力投入、巡檢效率快，并且能夠?qū)撛谖ｋU進行排查，應(yīng)用日益擴大。國家電網(wǎng)系統(tǒng)已經(jīng)將一定數(shù)量的四旋翼無人機、無人直升機、固定翼直升機投入使用，在視覺探測與紅外探測技術(shù)方面取得了顯著成果。

但是，國內(nèi)對無人機電力巡檢的研究仍然比較少，與發(fā)達國家相比，技術(shù)上沒有進一步的提高。國內(nèi)對于無人機的研究還處于硬件開發(fā)階段，一些發(fā)達國家已經(jīng)關(guān)注于視覺跟蹤、故障探測、圖像處理、飛行姿態(tài)控制等技術(shù)的研究。

無人機是利用無線電遙控設(shè)備和自備程序控制裝置操縱的不載人飛行器，按照荷載和飛行航時一般可分為小型無人機、中型無人機和大型無人機，見表1。電力巡檢中使用的無人機主要分為固定翼無人機、多旋翼無人機、無人直升機三類機型，融合了航空、電子、電力、控制、通信、圖像識別等多種高新技術(shù)。其中，使用多旋翼無人機進行線路巡檢時，通常采用小型旋翼機。

固定翼無人機的優(yōu)點和缺點

固定翼無人機是最早出現(xiàn)的無人機機型，一般靠螺旋槳或者渦輪發(fā)動機產(chǎn)生的推力動力，主要的升力來自機翼與空氣的相對運動。因此，固定翼飛機必須要有一定的無空氣的相對速度才會有升力來飛行。固定翼無人機基本采用手拋式起飛、機腹著陸的方式起降。隨著無人機尺寸的增大，掛載設(shè)備后重量提升，就有了另外一種常見的固定翼無人機起飛方法：彈射起飛。

近幾年，固定翼無人機通過機身結(jié)構(gòu)設(shè)計創(chuàng)新，具備了新的垂直起降能力。其原理是將多旋翼機特有的旋翼系統(tǒng)疊加到固定翼機身上，構(gòu)成獨立的起飛系統(tǒng)，提供升空動力。但是，當從垂飛模式改為巡航模式及固定翼模式后，旋翼系統(tǒng)便失去了作用，增加了額外重量，因此，在電力巡檢中的應(yīng)用性不高。

固定翼無人機飛行速度很快，可以達到100～200km/h，巡航半徑大，續(xù)航時間長，能夠快速、持續(xù)和穩(wěn)定的盤旋飛行，可以在固定的位置盤旋。在沒有電源時，具備天然的滑翔能力，對駕駛與技術(shù)失誤的魯棒性更強，對降落具有良好的控制能力。固定翼無人機荷載能力強，能夠在電力巡檢過程中搭載更多的巡檢設(shè)備。因此適合成為監(jiān)視平臺，同時又能保持高速、可操縱、長時間的飛行能力。

但是，固定翼無人機的起降方式存在一些使用上的限制，如需要空曠的道路作為起飛降落場，還需要配備彈射裝置，而且機腹式著陸也增加了機身損壞的可能性。此外，固定翼無人機無法懸停，無法對故障具體位置長時間拍攝。

因此，固定翼無人機適合作為監(jiān)視平臺進行電力線路跟蹤作業(yè)。良好的電線跟蹤對視覺位置控制和導航很重要。在巡檢中，GPS誤差或風力等因素造成飛行姿態(tài)不穩(wěn)定，會影響圖像質(zhì)量。電力巡檢中如果無人機與電線過近，會產(chǎn)生磁場干擾信號，導致無人機檢測出現(xiàn)偏差，無法完成巡檢任務(wù)，所以自動地與測量電力線路保持一定的安全距離也是自動線路跟蹤技術(shù)的一個技術(shù)點。

基于哈里斯角檢測、卡爾曼濾波和馬爾科夫隨機字段的分割算法，跟蹤導線，能夠在測量方差一致的情況下從一系列存在測量噪聲的源數(shù)據(jù)中估計動態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)。利用電力線的特定知識建立模型，以實現(xiàn)預測和連續(xù)的參數(shù)選擇，從而為改變場景選擇最佳的閾值。

多旋翼無人機的優(yōu)點和缺點

多旋翼無人機是一種多軸或多螺旋槳、能夠?qū)崿F(xiàn)垂直起降、空中懸停、自主導航等功能的無人駕駛飛行器。多旋翼無人機按照旋翼數(shù)目可分為三旋翼、四旋翼、六旋翼和八旋翼等無人機；按照機身布局又可分為共軸式和非共軸式無人機。其中，四旋翼、六旋翼無人機應(yīng)用最為廣泛。

多旋翼無人機的重量普遍較輕，多在1～15kg范圍內(nèi)，能夠懸停和低速飛行，靈活性和實時性高，可以完成精細化巡檢工作，能為故障獲取提供充足的時間。因為旋翼機能夠垂直起降，六旋翼以上機型在單個旋翼或?qū)ΨQ位置的兩個旋翼損壞仍能安全降落，所需的無人機跑道要求低，一般不需要安裝專門的起飛裝置。旋翼機的抗風能力較強，比其他類型無人機的工作環(huán)境要求低。旋翼機的性能價格比很高，性能優(yōu)越，價格便宜，約為同量級直升機的1/5～1/10，故障率也較低。另外，多旋翼無人機使用方便，維修簡單，所需后期費用較低。

多旋翼無人機由于每個飛行動作都需要動力維持，導致其續(xù)航時間短，尤其是在冬天氣溫低、電池性能不穩(wěn)定的情況下，會增加墜機危險，且其負載能力較弱，無法搭載過多的巡檢設(shè)備。

多旋翼無人機的獨特性能使其非常適于對重點區(qū)域進行多角度拍攝，對故障處進行定點巡查，從而最大限度地獲取故障信息，并將信息保存或傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控平臺。對于一個基于視覺的電力線檢測系統(tǒng)，從雜亂的背景中檢測電力線是最重要和最具挑戰(zhàn)性的任務(wù)之一。

圖像處理技術(shù)的主要理論依據(jù)是霍夫變換，其原理是利用圖像空間和霍夫參數(shù)空間的點-線對偶性，把圖像空間中的檢測問題轉(zhuǎn)換到參數(shù)空間。在霍夫轉(zhuǎn)換之前，利用一種脈沖式的神經(jīng)過濾器，消除背景噪聲，通過迭代計算產(chǎn)生邊緣地圖。將霍夫變換進一步改進，在霍夫的空間中進行了基于知識的集群，從而改進檢測結(jié)果。

無人直升機的優(yōu)點和缺點

傳統(tǒng)無人直升機通過控制直升機的傾斜盤、油門、尾舵等，控制飛機轉(zhuǎn)彎、爬升、俯沖、橫滾等動作。常見的無人直升機有單旋翼直升機和共軸雙旋翼直升機，包括燃油動力和電動力兩類，市場上的無人直升機多為燃油動力。

無人直升機在各類型無人機中機動性能最好，具備更好的氣動效率、負載能力、續(xù)航時間等性能指標。它能夠定點起飛、降落，對起降場地的條件要求不高，通過無線電遙控或機載計算機實現(xiàn)程控飛行。這種平臺抗風能力較強，最大可抗8級風，飛控距離較遠，而且載重優(yōu)勢明顯，能夠搭載較多檢查設(shè)備，可對線路進行全面巡檢。

與固定翼無人機相比，無人直升機續(xù)航時間較短、速度較慢（小于100km/h），不適合長距離巡線。與多旋翼無人機相比，無人直升機飛行操作較為困難，攜帶、維護不便。無人直升機的結(jié)構(gòu)相對來說比較復雜，體積、質(zhì)量較大，操控難度也較大，技術(shù)門檻高，動力系統(tǒng)易抖動影響圖像傳輸質(zhì)量，且價格較高，所以種類不多，實際應(yīng)用也比較少。

多機種聯(lián)合作業(yè)

單架無人機的系統(tǒng)集成度越來越高，功能越來越強大，各種類型無人機特點見表2。各種巡檢方式都有其一定的適用范圍，任何一種巡檢模式都難以對輸電線路進行全面的巡視檢查。

為彌補單架無人機的局限性，無人機應(yīng)以機群的方式協(xié)同工作，這樣，既能最大限度地發(fā)揮無人機的優(yōu)勢，又能避免單架無人機執(zhí)行任務(wù)效果不佳或失敗影響到作業(yè)效果，從而提高系統(tǒng)可靠性。多旋翼無人機與固定翼無人機相結(jié)合，既能近距離精細檢查輸電線路，又能大規(guī)模作業(yè)。

多機種協(xié)同巡檢模式同時兼顧了高效外觀巡視和設(shè)備精細化巡視，可形成功能互補、協(xié)同工作的多維度智能巡檢作業(yè)系統(tǒng)。通過協(xié)同巡檢可以克服單一巡線模式的片面性，從電壓、地形、環(huán)境、周期等方面合理安排所要采取的巡線協(xié)同模式，實現(xiàn)線路穩(wěn)定運行。多機種無人機協(xié)同巡檢方式能夠擴大線路巡查范圍，有效提高作業(yè)效率，降低勞動強度和線路運維成本，豐富電網(wǎng)運行維護作業(yè)手段，有效提升電網(wǎng)運行的可靠性和安全性。

（責任編輯：劉玲蕊）