電力巡線無(wú)人機(jī)穩(wěn)定性飛行研究

郭雷崗　孫帥　張瑜

【摘 要】傳統(tǒng)巡線檢查方式工作量巨大，而且條件困難，特別是山區(qū)、江河等輸電線路的巡檢更加困難，有些檢查項(xiàng)目用常規(guī)方法很難完成。使用柔翼無(wú)人機(jī)巡線可以降低巡線工作人員的工作量和工作強(qiáng)度，使高壓線路的維護(hù)成本大大降低。柔性翼無(wú)人機(jī)機(jī)身較輕，配備了先進(jìn)的航空勘測(cè)系統(tǒng)，并且受多云多霧等極端天氣的影響較小。本文主要對(duì)點(diǎn)電力巡航無(wú)人機(jī)穩(wěn)定飛行進(jìn)行了研究。

【關(guān)鍵詞】巡線檢查;無(wú)人機(jī)巡線;柔性翼無(wú)人機(jī);穩(wěn)定飛行

中圖分類號(hào)： TM755;V279 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）29-0045-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.29.020

0 引言

輸電線路有著廣泛的分布，并且大多數(shù)處于比較惡劣的環(huán)境中，由于受到自然環(huán)境的影響較大，電線桿以及電力線受到持續(xù)的機(jī)械張力、大風(fēng)雷電、風(fēng)化和人為影響而發(fā)生損壞，如塔架傾倒、鋼絞線斷裂、磨損、腐蝕、應(yīng)力等，因此必須要進(jìn)行及時(shí)的更換和修復(fù)。此外，還存在遭雷擊損壞、線路底部樹(shù)木生長(zhǎng)頂?shù)嚼|線、桿塔被盜等事故，一旦發(fā)生這種情況要及時(shí)進(jìn)行處理。傳統(tǒng)的人工檢查要耗費(fèi)巨大的人力、物力和財(cái)力，特別在檢查偏遠(yuǎn)地區(qū)以及跨江跨河的線路時(shí)，以及在大風(fēng)、雨雪等極端惡劣的天氣下，需要的人工時(shí)間等更大。

柔性翼無(wú)人機(jī)是主要是由于無(wú)線遙控裝置和程序控制裝置組成。柔性翼無(wú)人機(jī)輸電線路巡檢的研究需要多種專業(yè)聯(lián)合合作，需要更高的研究深度和水平，這是一項(xiàng)新技術(shù)，最近幾年研究剛剛起步，其研究成果已經(jīng)在南方電網(wǎng)等相關(guān)單位進(jìn)行了應(yīng)用。與傳統(tǒng)的人工檢測(cè)方法相比，該項(xiàng)技術(shù)更加有效先進(jìn)，并且能夠保證通電線路的穩(wěn)定運(yùn)行。其中電力巡線機(jī)拍攝的桿塔如圖1所示。

圖1 飛行器對(duì)桿塔整體和局部放大進(jìn)行拍攝

1 現(xiàn)代無(wú)人機(jī)性能簡(jiǎn)介

現(xiàn)代無(wú)人機(jī)是集航空、圖像識(shí)別、地理偵查以及電子電力等為一體的復(fù)雜集成系統(tǒng)，其中涉及領(lǐng)域較多，包括大地檢測(cè)、紅外成像、地理GPS、自動(dòng)化技術(shù)以及電子通訊等高端專業(yè)領(lǐng)域。由于其飛行距離遠(yuǎn)、精度高以及人工操作便捷的特點(diǎn)，目前在很多領(lǐng)域進(jìn)行了應(yīng)用，包括體育賽事、運(yùn)動(dòng)攝影、抗震救災(zāi)、軍事偵查等，并且取得了良好的應(yīng)用效果。并且隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，可以進(jìn)行遙感數(shù)據(jù)鏈控制、地理匹配控制和全球定位系統(tǒng)衛(wèi)星電位控制?，F(xiàn)代無(wú)人機(jī)操作簡(jiǎn)單，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，經(jīng)濟(jì)效益也較為優(yōu)越，通過(guò)無(wú)人機(jī)進(jìn)行作業(yè)與載人飛機(jī)相比能夠節(jié)省十分之一的成本，并且無(wú)人機(jī)受自然環(huán)境的影響較小，工作效率使載人飛機(jī)的10倍以上。目前，無(wú)人飛行器基本取代了載人飛機(jī)，在各個(gè)領(lǐng)域也都表現(xiàn)出了卓越的性能。

一般現(xiàn)在無(wú)人飛行器的功能和性能都較為卓越，通常具備如下指標(biāo)：

1）飛行控制：一般遙控距離在5km左右，但性能較為卓越的控制距離能夠達(dá)到30km，并且GPS導(dǎo)航系統(tǒng)以及地理匹配巡航系統(tǒng)已經(jīng)成為無(wú)人機(jī)的標(biāo)配功能。

2）起飛條件和巡航速度：在20米以上無(wú)明顯顛簸的道路，小于12m/s的風(fēng)速，以及天氣小雨的狀態(tài)，均能夠正常起飛和運(yùn)行;無(wú)人機(jī)額巡航速度根據(jù)性能不同，速度也在50km/h-110km/h范圍內(nèi)不相同。

3）飛行氣候條件：一般無(wú)人機(jī)能夠在12m/s風(fēng)速以下起飛，性能卓越的能夠達(dá)到20m/s風(fēng)速下起飛，天氣在中雨以下。

4）升限：無(wú)人機(jī)能夠在低空平穩(wěn)飛行，同時(shí)飛行海拔高度又能達(dá)到2千米以上。

5）載重：由于電力小號(hào)的原因，無(wú)人機(jī)載重一般不大，但也能夠達(dá)到10千克以上。

6）續(xù)航時(shí)間和距離：續(xù)航時(shí)間根據(jù)飛行器的性能30min到5h不等;續(xù)航距離一般情況下為30km，其中性能卓越的無(wú)人機(jī)能夠達(dá)到500km的飛行距離。

2 巡線無(wú)人機(jī)穩(wěn)定飛行技術(shù)

要使柔性翼無(wú)人機(jī)進(jìn)行全天候高壓線路巡邏和穩(wěn)定飛行，使柔性翼無(wú)人機(jī)在線路巡邏中切實(shí)可行，需要以下關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 巡視興趣點(diǎn)

無(wú)人機(jī)巡邏方法是在無(wú)人機(jī)平臺(tái)的控制臺(tái)上固定一個(gè)或多個(gè)小型攝像機(jī)，觀察和拍攝輸電線路上的重要設(shè)施。巡線無(wú)人機(jī)沿輸電線路以一定速度移動(dòng)，并在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中檢測(cè)興趣點(diǎn)，通過(guò)高分辨率的CCD攝像機(jī)捕捉相片，實(shí)時(shí)傳輸?shù)降孛姹O(jiān)測(cè)點(diǎn)，地面操作人員根據(jù)傳輸過(guò)來(lái)的圖像進(jìn)行判斷路線是否安全。

2.2 常見(jiàn)障礙物

在野外輸電線路中，線路沿線威脅輸電線路安全運(yùn)行的所有其他物體，包括動(dòng)植物、建筑設(shè)施等。除了共同感興趣的檢查點(diǎn)之外，都是共同的障礙。輸電線路常見(jiàn)的障礙物主要是建筑物、樹(shù)木、人工設(shè)施等，以及人造異物（風(fēng)箏）。對(duì)于這種物體，其特征是可以檢查其外觀，因此主要通過(guò)目視檢查來(lái)監(jiān)控。

2.3 自動(dòng)化飛行

我國(guó)的野外輸電線路存在以下特點(diǎn)：長(zhǎng)度一般在100公里左右，距離公路較遠(yuǎn)（10-15公里左右），因此對(duì)于無(wú)人機(jī)的遙控距離要求達(dá)到15公里以上。無(wú)人機(jī)上的數(shù)據(jù)鏈路能夠?qū)崟r(shí)的將巡查的圖像和視頻傳到地面，地面控制系統(tǒng)的相關(guān)工作人員對(duì)傳輸?shù)膱D像和視頻進(jìn)行查看與檢查;并且無(wú)人機(jī)搭載GPS導(dǎo)航系統(tǒng)、自主巡航系統(tǒng)、電線跟蹤系統(tǒng)等，無(wú)人機(jī)的自動(dòng)化飛行已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，這樣能大大減少線路的巡視時(shí)間，巡視一根線路僅需要3小時(shí)左右。

2.4 機(jī)體飛行拍攝

柔性翼無(wú)人機(jī)飛行穩(wěn)定，不晃動(dòng)，具有承載能力穩(wěn)定的攝像平臺(tái)，可以通過(guò)可見(jiàn)光以及紅外熱成像技術(shù)進(jìn)行圖像傳輸，并且能夠自動(dòng)攝像，能夠形成高分辨率的航空影像。

2.5 線路桿塔自動(dòng)跟蹤識(shí)別

無(wú)人機(jī)搭載先進(jìn)的測(cè)繪控制系統(tǒng)，能夠使無(wú)人機(jī)快速識(shí)別圖像并且及時(shí)曝光，生成圖片視頻等，對(duì)于地面塔、線路、木材、絕緣體、配件等能夠形成高清晰度可見(jiàn)光和紅外圖像，并且有些無(wú)人機(jī)已經(jīng)具備傳輸網(wǎng)絡(luò)故障識(shí)別功能。

3 無(wú)人機(jī)巡線的技術(shù)指標(biāo)

無(wú)人機(jī)巡線的最簡(jiǎn)單方式是在機(jī)艙內(nèi)安裝小型攝像機(jī)。拍攝電線和絕緣子串時(shí)，只需要1個(gè)操作人員進(jìn)行操控，當(dāng)無(wú)人機(jī)返回地面時(shí)能夠及時(shí)的分析辨別線路情況。但是部分無(wú)人機(jī)機(jī)身抖動(dòng)不穩(wěn)，導(dǎo)致攝像機(jī)的聚焦不準(zhǔn)確，形成的圖像也較為模糊，雖然能夠從這些圖像中分析和觀察出塔架、電線的傾斜、斷裂、纏繞、與周?chē)鷺?gòu)筑物搭接等明顯現(xiàn)象，但是更深一步的線路污損、線路開(kāi)裂、線路老化以及絕緣部件老化脫落等，還是沒(méi)有辦法識(shí)別控制，這是無(wú)人機(jī)下一步需要研究的重點(diǎn)內(nèi)容。

其中柔翼無(wú)人機(jī)飛行穩(wěn)定，能夠保持?jǐn)z像平臺(tái)不抖動(dòng)，并且能夠更好地聚焦曝光，同時(shí)安裝了可見(jiàn)光以及紅外成像設(shè)備自動(dòng)控制攝像，能夠?qū)Φ孛婧途€桿的老化、污損等問(wèn)題有效解決。柔翼無(wú)人機(jī)（圖2所示）技術(shù)須具備相關(guān)功能，因此應(yīng)該具備以下技術(shù)指標(biāo)。

系統(tǒng)重量：■80kg;起飛重量：■120kg（載重40kg）;發(fā)動(dòng)機(jī)：180四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，功率20hp;翼傘面積：30㎡;遙控距離：15km;留空時(shí)間：5h;最大速度：50km/h;最大飛行高度：3000m。

圖2 柔翼無(wú)人機(jī)

4 結(jié)語(yǔ)

柔翼無(wú)人機(jī)巡線提高了作業(yè)質(zhì)量和作業(yè)效率，給線路巡航人員減輕了負(fù)擔(dān)，也提高了科學(xué)管理水平，為國(guó)家輸電系統(tǒng)提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，為社會(huì)能夠創(chuàng)造更高的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。隨著對(duì)輸電性能要求的不斷提高，柔翼無(wú)人機(jī)也需要跟隨時(shí)代腳步的發(fā)展，不斷更新?lián)Q代，無(wú)人機(jī)所具備功能的優(yōu)勢(shì)也逐漸體現(xiàn)在各行各業(yè)，相信隨著國(guó)家電網(wǎng)對(duì)輸電指標(biāo)的進(jìn)一步提升，柔翼無(wú)人機(jī)必將會(huì)成為快速、可靠、有效的檢測(cè)途徑。

【參考文獻(xiàn)】

[1]柴鵬帥.一種用于電網(wǎng)巡線無(wú)人機(jī)的偏振/VINS組合導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[A].中國(guó)自動(dòng)化學(xué)會(huì).2018中國(guó)自動(dòng)化大會(huì)（CAC2018）論文集[C].中國(guó)自動(dòng)化學(xué)會(huì)：中國(guó)自動(dòng)化學(xué)會(huì)，2018：6.

[2]邴麗媛，劉智，蔣余成.基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電力巡線無(wú)人機(jī)避障技術(shù)研究[J].長(zhǎng)春理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2017，40（03）：98-102+107.

[3]楊蔚，劉瑋，趙強(qiáng)，杜毅.電力巡線無(wú)人機(jī)機(jī)載電磁場(chǎng)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].成都大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2017，36（01）：76-79.

[4]趙利坡，范慧杰，朱琳琳，唐延?xùn)|.面向巡線無(wú)人機(jī)高壓線實(shí)時(shí)檢測(cè)與識(shí)別算法[J].小型微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，2012，33（04）：882-886.