無人機(jī)電力線路安全巡檢的關(guān)鍵技術(shù)

蔡文霞

（石家莊學(xué)院 物理學(xué)院 機(jī)電學(xué)院，河北 石家莊 050035）

0 引 言

我國地域遼闊，不同地方的地形地貌、水文信息、氣候環(huán)境及地質(zhì)構(gòu)造等存在很大的差異。由于輸電線路長期曝露在室外，受到風(fēng)雪雷電等自然災(zāi)害的影響，輸電線路的桿塔可能出現(xiàn)下沉、電氣設(shè)備絕緣體破裂及輸電線路斷開等問題，導(dǎo)致電力故障，造成大范圍停電事故。因此，為了確保輸電線路安全有序運(yùn)行，需要定期或者不定期對線路進(jìn)行巡視，防止線路出現(xiàn)故障問題。由于輸電線路運(yùn)行范圍廣、運(yùn)行環(huán)境負(fù)責(zé)，不利于電力線路巡檢工作的開展。將無人機(jī)應(yīng)用在電力線路安全巡檢過程中，利用無人機(jī)的體積小、不容易受到地形環(huán)境影響、操作方便等特點(diǎn)，可以提高電力線路巡檢的工作效率，降低巡檢人員的工作強(qiáng)度。

1 無人機(jī)巡檢技術(shù)

無人機(jī)巡檢是將可見光紅外熱像儀、遙感設(shè)備及數(shù)碼相機(jī)等設(shè)備搭載在無人機(jī)內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)對輸電線路巡視檢查的新型巡檢技術(shù)。無人機(jī)巡檢系統(tǒng)由無人機(jī)分系統(tǒng)、任務(wù)搭載系統(tǒng)及綜合保障系統(tǒng)三部分構(gòu)成。其中，無人機(jī)分系統(tǒng)由無人機(jī)駕駛航空器、地面站及通信系統(tǒng)構(gòu)成，向無人機(jī)發(fā)布遙控指令完成飛行任務(wù)；任務(wù)搭載系統(tǒng)主要完成信息采集、記錄和檢測等功能，主要由光電吊艙、云臺及地面控制裝置等構(gòu)成；綜合保障系統(tǒng)主要是無人機(jī)的工作站設(shè)備，包括供電設(shè)備、動力設(shè)備及儲運(yùn)車輛等[1]。與傳統(tǒng)的人工巡檢相比，無人機(jī)巡檢技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)。第一，無人機(jī)可以垂直起飛和降落，不需要任何輔助設(shè)置，不需要鋪設(shè)專門的跑到和機(jī)場，在野外可以隨時起飛和降落，方便隨時對線路進(jìn)行巡視。第二，無人機(jī)飛行的精度比較高，可以根據(jù)巡檢要求，隨時調(diào)整無人機(jī)的角度，可以讓無人機(jī)進(jìn)行前飛、后飛及側(cè)飛等各種飛行模式，從而全方位對線路進(jìn)行檢查。一旦發(fā)現(xiàn)問題，無人機(jī)可以及時將采集的數(shù)據(jù)信息發(fā)送到控制中心，便于控制中心對問題線路進(jìn)行分析，并采取有效的措施，防止故障的發(fā)生。無人機(jī)巡檢技術(shù)彌補(bǔ)了人工巡檢在復(fù)雜地形巡視不足。第三，無人機(jī)具有智能控制技術(shù)，可以根據(jù)巡檢的要求，調(diào)整無人機(jī)的飛行高度、飛機(jī)飛行的方向和航線，具有較強(qiáng)的容錯性能，適應(yīng)野外負(fù)責(zé)的飛行任務(wù)。第四，無人具有一定的空間，可以在無人機(jī)內(nèi)部搭載紅外熱像儀、高清攝像頭等設(shè)備。紅外線成像儀可以監(jiān)測輸電線路的溫度，如果輸電線路的溫度存在異常情況，可以及時發(fā)現(xiàn)并分析問題的原因，并及時處理。高清攝像頭可以拍攝選檢線路的電力設(shè)備運(yùn)行情況，并將拍攝的視頻和圖片發(fā)送到數(shù)據(jù)中心，便于數(shù)據(jù)中心對視頻、圖像進(jìn)行分析[2]。

2 無人機(jī)電力線路安全巡檢的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 通信技術(shù)

通信技術(shù)是無人機(jī)電力線路安全巡檢的關(guān)鍵技術(shù)，無人機(jī)發(fā)布飛行命令、調(diào)整飛行線路、控制飛行高度，并將無人機(jī)巡檢過程中拍攝的圖像視頻信息發(fā)送到數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析，及時發(fā)現(xiàn)電力線路中存在的問題。因此，通信技術(shù)直接關(guān)系到無人機(jī)飛行任務(wù)的完成。目前，通信技術(shù)主要有光纖通信技術(shù)、電力電纜通信技術(shù)以及無線通信技術(shù)。電力電纜通信技術(shù)是利用電力傳輸線作為信號傳輸通道，將信號加載到電力線上，實(shí)現(xiàn)語音、數(shù)據(jù)等信息的高速傳輸。這種通信技術(shù)相對比較成熟，安全性高。光纖通信技術(shù)指用光波作為傳輸載波，將光纖作為傳輸媒介實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的傳輸。光纖通信系統(tǒng)由光發(fā)信機(jī)、光收信機(jī)、光纖或者光纜、中繼器、耦合器以及光纖連接器等構(gòu)成。光纖通信技術(shù)具有通信容量大、傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾性好、保密性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。無線通信技術(shù)主要分為微波通信技術(shù)和移動通信技術(shù)[3]。微波通信技術(shù)是利用數(shù)字中繼器進(jìn)行數(shù)據(jù)信息交換，將數(shù)據(jù)信息加載到微波載體上并通過電波空間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。移動通信技術(shù)主要為了滿足手機(jī)、電腦等移動終端設(shè)備的通信要求。目前，我國移動通信技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到5G 時代，移動通信質(zhì)量和速度有了顯著提高。這3 種通信方式各有特色，且相互補(bǔ)充。無人機(jī)電力線路安全巡檢過程中，無人機(jī)飛行距離一定程度上影響到通信質(zhì)量。目前，無人機(jī)的通信系統(tǒng)主要利用波段—視距狀態(tài)下的空地直接鏈路，采用Ku 波段和Ka 波段，飛行達(dá)到一定的高度，則選擇Ka 波段，減少數(shù)據(jù)信息的損失。目前，無人機(jī)的通信技術(shù)還無法滿足遠(yuǎn)距離飛行任務(wù)要求，因此無人機(jī)線路巡檢技術(shù)還需要加大通信技術(shù)方面的研究。

2.2 遙感技術(shù)

遙感技術(shù)是利用電磁波的原理，將各種傳感設(shè)備對遠(yuǎn)距離目標(biāo)發(fā)出輻射和反輻射的電磁波信號，根據(jù)電磁波反射回來的信號進(jìn)行分析、處理并最終形成圖像（不同的物體輻射和反輻射的信息不同），從而對地面建筑物、林木及礦產(chǎn)等進(jìn)行探測和識別的一種綜合技術(shù)[4]。遙感技術(shù)根據(jù)不同的電磁波譜段，可以分成可見光遙感、紅外線遙感及紫外線遙感技術(shù)?？梢姽膺b感技術(shù)主要針對波長在0.4 ～0.7 μm 的可見光，將感光膠皮或者光電探測器作為感測元件。但是這種遙感技術(shù)只能在白天使用，才能獲得比較高的地面分辨率。紅外遙感技術(shù)根據(jù)波長可以分為近紅外遙感技術(shù)、中紅外遙感技術(shù)及遠(yuǎn)紅外遙感技術(shù)。近紅外遙感技術(shù)主要針對波長為0.7 ～1.5 μm 的紅外光，中紅外遙感技術(shù)主要針對波長為1.5 ～5.5 μm 的紅外光，遠(yuǎn)紅外遙感技術(shù)主要針對波長為5.5 ～1 000 μm 的紅外光。紅外感光技術(shù)不受時間的控制，可以實(shí)現(xiàn)晚上作業(yè)。多普段遙感技術(shù)主要利用幾個不同譜段同時對某一個地區(qū)進(jìn)行遙感測量，從而獲得各個普段相對應(yīng)的信息，將不同普段的遙感信息組合以后就可以獲得更多物體更加全面的信息。紫外遙感技術(shù)主要針對波長0.3 ～0.4 μm 的紫外光進(jìn)行紫外攝影，從而獲得信息。將遙感技術(shù)應(yīng)用在無人機(jī)線路巡檢工作中，可以根據(jù)實(shí)際情況，結(jié)合各種遙感技術(shù)，采集空間云數(shù)據(jù)信息，自動獲取線路空間區(qū)域的建筑、河流、植被信息。無人機(jī)搭載的計(jì)算機(jī)測圖軟件還可以對采集的攝像攝像進(jìn)行糾正，并利用點(diǎn)云分割實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的處理，提取地面建筑物、植被、河流及道路交通等數(shù)據(jù)信息，利用幾何模型對圖像進(jìn)行幾何和輻射校正，剔除一些無效信息，留下有價值的信息。

2.3 激光雷達(dá)探測技術(shù)

激光雷達(dá)探測技術(shù)是向探測對象發(fā)射激光信號，激光信號將探測對象的信息反射回來后，與原來的發(fā)射信號進(jìn)行對比分析，經(jīng)過處理以后可以獲得探測對象的位置、距離、方位、速度及形狀等參數(shù)。激光雷達(dá)技術(shù)使用激光束進(jìn)行探測，可以獲得很高的分辨率，并同時跟蹤多個目標(biāo)，速度分辨率可以達(dá)到10 m/s 以內(nèi)。激光雷達(dá)探測技術(shù)的隱蔽性好、抗干擾能力強(qiáng)，激光發(fā)射系統(tǒng)的口徑比較小，可接受區(qū)域比較小，所以其他干擾信號不容易進(jìn)入接收機(jī)。激光雷達(dá)探測器可以實(shí)現(xiàn)零高度工作，即便距離比較近的物體也可以實(shí)現(xiàn)探測。激光雷達(dá)探測系統(tǒng)使用的設(shè)備體積小、質(zhì)量輕，適合無人機(jī)線路巡視要求。激光雷達(dá)探測技術(shù)可以獲取高精度、高密度云空間數(shù)據(jù)信息，并利用高分辨率的數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行攝影，然后利用計(jì)算機(jī)軟件提取相機(jī)的數(shù)據(jù)信息，建立三維模型，然后發(fā)現(xiàn)電力線路故障位置、距離和方向，提高線路巡檢的工作效率和質(zhì)量，不需要巡檢人員一一對線路進(jìn)行巡檢，就可以完成巡檢的工作任務(wù)[5]。

2.4 控制技術(shù)

小型無人機(jī)的重量輕，在飛行過程中，容易受到風(fēng)的影響，導(dǎo)致線路偏航，無法完成巡檢任務(wù)。因此，需要加強(qiáng)無人機(jī)系統(tǒng)的控制能力，即便無人機(jī)飛行過程中出現(xiàn)了偏差，無人機(jī)的自動化控制系統(tǒng)也可以按照預(yù)先設(shè)定的線路和方向?qū)o人機(jī)進(jìn)行調(diào)整，讓無人機(jī)恢復(fù)到原來的位置。目前，無人機(jī)的控制技術(shù)還不夠完善，無法達(dá)到自動調(diào)整和控制。無人機(jī)控制技術(shù)是當(dāng)前無人機(jī)巡檢技術(shù)研究的重點(diǎn)和方向。

3 結(jié) 論

無人機(jī)應(yīng)用在電力線路安全巡檢中，利用遙感技術(shù)、通信技術(shù)、控制技術(shù)以及激光雷達(dá)技術(shù)，可以達(dá)到對電力線路進(jìn)行測量、監(jiān)控、分析、處理，減輕了人工在電力線路巡檢的工作量，提高了巡檢工作效率。