搭載于無人機(jī)的電力廊道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

易琳，王柯，錢金菊

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣東 廣州 510080)

電力主要的傳輸方式一般為高壓架空電力線，電力線及桿塔附件長期暴露在野外，因受到持續(xù)機(jī)械張力、材料老化的影響而產(chǎn)生斷股、磨損、腐蝕等損傷，導(dǎo)致事故，造成停電和經(jīng)濟(jì)損失；因此，輸電線路巡檢是保證電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的一項(xiàng)基礎(chǔ)工作，其目的在于掌握線路的運(yùn)行狀況及周圍環(huán)境的變化，發(fā)現(xiàn)線路設(shè)備缺陷及線路安全隱患[1-2]。一方面，傳統(tǒng)的人工巡檢、直升機(jī)巡檢等有人巡檢方式因難以保證巡檢工作質(zhì)量和檢查線路狀態(tài)，且存在成本高、危險性高、作業(yè)難度高等問題，已不能滿足現(xiàn)代電力巡線的要求；另一方面，隨著云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新一代技術(shù)的快速發(fā)展，應(yīng)用新技術(shù)改造升級傳統(tǒng)電網(wǎng)，推動能源產(chǎn)業(yè)鏈與互聯(lián)網(wǎng)深度融合，推動電網(wǎng)智能作業(yè)等已成為未來發(fā)展的方向[3-4]。在此背景下，機(jī)器人及無人機(jī)等無人智能巡檢應(yīng)運(yùn)而生，其中，無人機(jī)搭載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對電力廊道三維地理信息數(shù)據(jù)采集，并進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理就是一種先進(jìn)的電網(wǎng)智能巡檢方式[5-8]；但此方式存在系統(tǒng)整體集成方案不夠成熟、系統(tǒng)功能相對單一及實(shí)景建模難度大等問題。

本文在分析對比以上幾種提到的電力巡線方式的不足后，提出一種基于無人機(jī)搭載的電力廊道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。首先，根據(jù)系統(tǒng)高精度及輕量化的技術(shù)要求，設(shè)計數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)集成方案；然后，根據(jù)數(shù)據(jù)采集的任務(wù)需求，分析并給出數(shù)據(jù)采集方案與數(shù)據(jù)后處理流程；最后，針對無人機(jī)固有振動對采集吊艙傳感器精度的影響，對采集吊艙的被動振動控制進(jìn)行研究。

1 巡線方式對比分析

目前比較主流的電力線路巡檢方式主要有：人工巡檢、吊掛式機(jī)器人巡檢、直升機(jī)巡檢以及無人機(jī)巡檢，這些巡檢方式都存在不同的問題。

a)人工巡檢[9]：線路位置偏遠(yuǎn)的情況下，巡線人員作業(yè)強(qiáng)度大、危險性高、工作效率低下，等等；無法掌握巡線人員到位情況，不能保證巡檢工作質(zhì)量、線路狀態(tài)以及設(shè)施運(yùn)行數(shù)據(jù)的真實(shí)性；巡檢發(fā)現(xiàn)的線路及設(shè)施隱患缺乏有效的跟蹤復(fù)查隱患處理平臺，不能及時有效解決隱患。

b)吊掛式機(jī)器人巡檢[10-12]：巡檢機(jī)器人自身質(zhì)量較大，輪式吊掛行走方式會給高壓輸電線路帶來較大的磨損；另外，如何實(shí)現(xiàn)機(jī)器人便捷充電也是一個棘手的問題。

c)直升機(jī)巡檢[13-14]：該方式要求直升機(jī)穩(wěn)定懸停在桿塔處，飛行難度大，安全風(fēng)險更高，且巡線費(fèi)用昂貴；目前主要用于超高壓線路的巡線。

d)無人機(jī)巡檢[15-17]：該方式具有環(huán)境適應(yīng)能力好、操作方便、巡檢效率高等優(yōu)點(diǎn)，是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用性較好、普及率相對較高的巡線方式；但是，目前無人機(jī)巡線系統(tǒng)整體集成方案不夠成熟，系統(tǒng)功能相對單一，且實(shí)現(xiàn)單一光學(xué)數(shù)碼影像為數(shù)據(jù)源而進(jìn)行的大范圍地理空間實(shí)景建模的方案具有很大難度，需要進(jìn)一步完善。

通過上述對比分析可知，當(dāng)下無人機(jī)技術(shù)迅速發(fā)展與普及，無人機(jī)巡線具有良好的應(yīng)用前景；但為了克服其本身的缺陷，需在目前的技術(shù)基礎(chǔ)上，將多傳感器融合及輕量化設(shè)計等技術(shù)應(yīng)用到樣機(jī)之上。

2 廊道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)集成

根據(jù)系統(tǒng)高精度及輕量化的技術(shù)要求，設(shè)計的電力廊道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)集成方案如圖1所示，主要由無人機(jī)平臺、采集吊艙及實(shí)現(xiàn)二者連接的機(jī)械連接件3部分組成。其中：無人機(jī)平臺是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無阻礙運(yùn)動巡檢的載體；采集吊艙中包含多種傳感器可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、處理與傳輸；機(jī)械連接件除了實(shí)現(xiàn)無人機(jī)平臺與采集吊艙的物理連接外，還兼具隔振的作用，以保證采集吊艙各傳感器工作于一個相對穩(wěn)定的環(huán)境。該系統(tǒng)集多傳感器于一體，具有功能全、體積小、質(zhì)量輕、減振性好、精度高等優(yōu)點(diǎn)。

圖1 結(jié)構(gòu)集成方案Fig.1 Structure integration scheme

無人機(jī)平臺采用國內(nèi)先進(jìn)成熟的多旋翼無人直升機(jī)系統(tǒng)，本文采用大疆公司M600型6旋翼無人機(jī)平臺，它提供超長續(xù)航及最大5 km的遠(yuǎn)距離、低延時高清實(shí)時影像與控制信號傳輸能力。為了適應(yīng)多種傳感器的安裝，提高搭載吊艙后無人機(jī)的平衡控制能力，提升其自主起降、抗風(fēng)、夜航及載重能力，對無人機(jī)進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)和飛控系統(tǒng)2方面改裝。機(jī)械結(jié)構(gòu)方面：主要將無人機(jī)下方的機(jī)械固定支架進(jìn)行改裝，使得采集吊艙質(zhì)心與無人機(jī)質(zhì)心在一條豎直線上，并使得二者豎直方向距離盡量短，以保障系統(tǒng)整體的平衡控制能力；飛控系統(tǒng)方面：在原有功能的基礎(chǔ)上結(jié)合采集吊艙采集的系統(tǒng)位姿數(shù)據(jù)，并通過自主研發(fā)方式實(shí)現(xiàn)無人機(jī)按任務(wù)規(guī)劃預(yù)定飛行的精確三維飛行控制，滿足電力巡線的這一獨(dú)特的技術(shù)要求。

機(jī)械連接件主要由4個活動卡扣、4個上支架、4個阻尼球、4個下支架和1塊方形板組成，如圖2(a)所示。為保證受力均衡，活動卡扣的卡扣一端與無人機(jī)平臺下部機(jī)械固定支架連接，另一端均勻固定連接在方形板上；上支架、下支架和阻尼球組成減振單元，上支架與下支架均為“匚”字形框架，二者呈鏡像且相互咬合安裝，將阻尼球安裝于咬合后的上、下支架之間；將4組減振單元均勻固定連接于方形板與吊艙外殼之間。機(jī)械連接件實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)平臺與采集吊艙之間的連接，從結(jié)構(gòu)來看，隔振作用是通過采用質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、阻尼大的橡膠阻尼球來實(shí)現(xiàn)的。

采集吊艙主要由外支撐部件及傳感器集成部件2部分組成，如圖2(a)—圖2(c)所示。外支撐部件用于傳感器及其附屬件的機(jī)械固定與保護(hù)，整體呈長方形，主要包括前端蓋、方形外殼、后端蓋和安裝底板。前端蓋上開有方形窗口，用于將激光雷達(dá)的激光探頭探出。方形外殼在保證強(qiáng)度的前提下進(jìn)行了鏤槽處理，可減輕系統(tǒng)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)輕型化設(shè)計。安裝底板的表面為特殊處理后的表面，具有很好的粗糙度與平整度，有效保證了激光雷達(dá)與慣性導(dǎo)航單元之間的相對安裝位置精度，為后續(xù)采集數(shù)據(jù)的精確性奠定了機(jī)械基礎(chǔ)。

圖2 采集吊艙結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure diagram of acquisition pod

傳感器集成部件主要包括激光雷達(dá)、定位天線、網(wǎng)絡(luò)接口、電源開關(guān)、相機(jī)接口、電源接口、數(shù)據(jù)天線、數(shù)碼相機(jī)、導(dǎo)航單元、主控器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)和導(dǎo)航接收機(jī)等。激光雷達(dá)、數(shù)碼相機(jī)與慣性導(dǎo)航單元全部固定安裝在光滑安裝底板上，以保證這幾者之間的相對位置精度；網(wǎng)絡(luò)接口、電源開關(guān)、相機(jī)接口、電源接口和數(shù)據(jù)天線分布在后端蓋上，定位天線則通過支桿固定在方形外殼的正上方，其余部件均布置于采集吊艙內(nèi)部的合適位置。

帶有阻尼球的機(jī)械連接部件在實(shí)現(xiàn)任務(wù)吊艙與無人機(jī)固定連接的同時，很好地解決了任務(wù)吊艙的隔振問題；鏤槽式方形外殼在保證了吊艙整體剛度的同時滿足了樣機(jī)的輕量化要求。采用單獨(dú)高精度安裝底板的方式在保證了傳感器對相對位置精度的同時，降低了樣機(jī)的加工難度。

3 數(shù)據(jù)采集與處理

在完成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)集成方案后，本節(jié)分析并給出數(shù)據(jù)采集傳感器和數(shù)據(jù)后處理流程。數(shù)據(jù)采集由傳感器集成部件完成，主要執(zhí)行三維激光點(diǎn)云、位姿數(shù)據(jù)、正射數(shù)字影像等數(shù)據(jù)同步獲取。

激光雷達(dá)采用Riegl公司生產(chǎn)的輕小型高精度的三維機(jī)載激光雷達(dá)miniVUX-1UAV，具備回波信號數(shù)字化、在線波形處理、多回波探測等技術(shù)，生成高幾何定位精度的三維激光掃描儀點(diǎn)云，可實(shí)現(xiàn)電力線走廊三維激光掃描儀點(diǎn)云高精度自動分類和濾波，快速生成數(shù)字表面模型和數(shù)字高程模型，支撐后期的電力線弧垂信息提取、交叉跨越障礙物檢測及電力線路走廊三維可視化。

用于激光掃描空間位置姿態(tài)元素基準(zhǔn)測量的定位定姿系統(tǒng)，對于激光點(diǎn)云坐標(biāo)的解算有著至關(guān)重要的作用，其位姿測量誤差直接影響最終生成點(diǎn)云的精度。綜合考慮測量精度、體積重量和成本等因素，采用GNSS+INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)。將具有精確定位功能的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)GNSS接收機(jī)與穩(wěn)健的慣性測量單元IMUs (inertial measurement units)進(jìn)行緊組合，以提供可靠連續(xù)的位置、速度與姿態(tài)信息。即使在短時間內(nèi)衛(wèi)星信號受遮擋或不可用時，該系統(tǒng)仍可提供可靠連續(xù)的導(dǎo)航信息，組合導(dǎo)航系統(tǒng)的性能指標(biāo)見表1，表中RTK為實(shí)時動態(tài)載波相位差分技術(shù)。

表1 組合導(dǎo)航性能指標(biāo)Tab.1 Performance indicators of integrated navigation

正射數(shù)碼相機(jī)主要實(shí)現(xiàn)正射影像采集，為輔助點(diǎn)進(jìn)行電力線故障信息提取和定位提供高分辨率的基礎(chǔ)影像資料。廊道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理過程如圖3所示。激光雷達(dá)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)、數(shù)碼相機(jī)的影像數(shù)據(jù)，定位定姿系統(tǒng)的位姿數(shù)據(jù)同步采集后首先存儲于機(jī)載主控制器中，然后通過無線方式傳輸至地面的基于超算平臺的廊道實(shí)景重構(gòu)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多種數(shù)據(jù)自動化為主的高精度幾何處理。在此基礎(chǔ)上，針對電力線、電塔、走廊地物等及其附屬部件的特點(diǎn)，研制實(shí)用化實(shí)景重構(gòu)與模型數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，為進(jìn)一步廊道數(shù)據(jù)分析及深化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。后續(xù)根據(jù)處理后的數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)電力廊道的可視化及樹障及線路危險點(diǎn)檢測。

圖3 數(shù)據(jù)處理流程Fig.3 Data processing flow chart

4 采集吊艙振動被動控制

由于電動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)、高速旋轉(zhuǎn)的機(jī)翼與空氣的接觸，以及風(fēng)與無人機(jī)機(jī)體的摩擦等原因，多旋翼無人機(jī)在運(yùn)行中會產(chǎn)生振動，進(jìn)一步導(dǎo)致采集吊艙振動，此振動對數(shù)據(jù)采集有著不可忽視的影響，采集吊艙的振動控制是必須面對的難題。鑒于無人機(jī)機(jī)載能力及系統(tǒng)的輕型化設(shè)計要求等原因，利用阻尼進(jìn)行系統(tǒng)振動被動控制是一種常見的振動抑制方式[18-19]。本設(shè)計將質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、阻尼大的橡膠阻尼球安裝在機(jī)械連接件中，以實(shí)現(xiàn)無人機(jī)與采集吊艙的隔振，達(dá)到采集吊艙的被動振動控制的目的。

無人機(jī)平臺通過包含阻尼球的機(jī)械連接件搭載采集吊艙組成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，是多自由度的振動系統(tǒng)，且多個自由度之間相互耦合，分析起來較為復(fù)雜[20-21]。根據(jù)外場飛行測試可知，無人機(jī)豎直方向上的往復(fù)振動是其主要振動[22]，本節(jié)以豎直方向上單自由度振動控制為目標(biāo)，設(shè)計橡膠阻尼球的相關(guān)參數(shù)。

以采集吊艙為研究對象，將其視為剛體，設(shè)其質(zhì)量為m。由于橡膠阻尼球?yàn)檩p質(zhì)結(jié)構(gòu)，忽略其質(zhì)量，設(shè)其彈性系數(shù)為k，阻尼系數(shù)為c。為簡化分析，忽略吊艙振動對無人機(jī)振動的影響，將無人機(jī)平臺視為系統(tǒng)支撐平臺，無人機(jī)平臺豎直方向上的振動為系統(tǒng)位移干擾，并取豎直向上為位移正方向，設(shè)采集吊艙位移及無人機(jī)平臺位移分別為x、xu。簡化后的系統(tǒng)動力學(xué)模型如圖4所示。

圖4 簡化后的系統(tǒng)動力學(xué)模型Fig.4 Simplified system dynamical model

簡化后的系統(tǒng)動力學(xué)模型為[23]

(1)

式中“·”表示對時間t的導(dǎo)數(shù)。

由于無人機(jī)在飛行過程中受多種外界干擾，其振動情況較為復(fù)雜，但復(fù)雜振動一般可以分解為多種正弦振動的疊加。為方便研究，先假設(shè)無人機(jī)平臺沿豎直方向上的振動為簡諧運(yùn)動，設(shè)其規(guī)律為

xu=Ausinωt.

(2)

式中：Au為無人機(jī)振幅；ω為振動頻率。

系統(tǒng)為位移干擾下的單自由度受迫振動系統(tǒng)，設(shè)采集吊艙振幅為A，根據(jù)振動力學(xué)推導(dǎo)可知振幅放大因子

(3)

圖5 系統(tǒng)幅頻特性曲線Fig.5 Amplitude frequency curves

根據(jù)電力廊道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計要求，設(shè)計的吊艙質(zhì)量為4 kg；根據(jù)一般無人機(jī)振動頻率范圍，將無人機(jī)頻率取值為100 Hz；為充分體現(xiàn)隔振系統(tǒng)的隔振效果，將無人機(jī)振幅放大取值為10 mm。再結(jié)合上述分析得到的阻尼球頻率比和阻尼比，系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計見表2。

表2 系統(tǒng)仿真參數(shù)Tab.2 Simulation parameters

根據(jù)表2中的參數(shù)對圖4所示的受迫振動系統(tǒng)進(jìn)行仿真，得到無人機(jī)平臺振動曲線及采集吊艙振動曲線，如圖6所示。由圖6可知，當(dāng)無人機(jī)作振幅為10 mm的等幅簡諧運(yùn)動時，采集吊艙的振幅在阻尼球的作用下，逐漸穩(wěn)定為幅值不變的簡諧振動，穩(wěn)定后的振幅約為0.8 mm，遠(yuǎn)小于無人機(jī)平臺的振幅，很好地實(shí)現(xiàn)了采集吊艙的振動抑制，驗(yàn)證了參數(shù)設(shè)計的合理性。

圖6 振幅恒定時振動控制仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results of vibration control with constant amplitude

無人機(jī)在巡線任務(wù)過程中飛行狀態(tài)多樣，由于任務(wù)需求或在其他干擾的情況下，會經(jīng)常出現(xiàn)振幅發(fā)生跳變，此時，機(jī)械隔振系統(tǒng)的隔振效果也需重點(diǎn)研究。按照表2參數(shù)設(shè)計，Au在t=1.5 s時由10 mm突變?yōu)?5 mm，振動控制仿真結(jié)果如圖7所示。由仿真結(jié)果可知，隔振系統(tǒng)也能很好地起到振動控制的效果。

圖7 振幅突變時振動控制仿真結(jié)果Fig.7 Simulation results of vibration control with saltatory amplitude

5 結(jié)束語

本文提出一種基于無人機(jī)搭載的電力廊道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的整體設(shè)計方案，并通過理論研究與仿真分析給出被動振動控制的相關(guān)設(shè)計參數(shù)，為進(jìn)一步完成樣機(jī)研制奠定了基礎(chǔ)。下一步可建立系統(tǒng)多自由度振動耦合模型，并將橡膠阻尼球的非線性考慮到力學(xué)模型的搭建之中，進(jìn)行復(fù)雜模型的參數(shù)設(shè)計。