基于紅外成像的無人機故障診斷方法研究

包志鵬 李梓璐 李梓鍇 李梓菲 郭博楊

摘 要：輸電線路巡檢作為電力巡檢中最基礎也是最重要的部分，對精確度和高效性要求極高。輸電線路因其特殊屬性，要求非接觸、帶電、精準、高效檢測，而輸電線路典型設備及其常見故障大多存在溫度特性，因此，無人機搭載紅外熱成像設備在輸電線路巡檢中脫穎而出。鑒于此，介紹了輸電線路典型設備及其常見故障，并對紅外樣本優(yōu)化處理和數(shù)據(jù)診斷方法進行了分析。

關鍵詞：無人機;電力巡檢;紅外成像;故障診斷

0? ? 引言

電力系統(tǒng)的安全運行關乎社會的正常運轉，因此電力巡檢工作是電力系統(tǒng)最簡單也是最重要的任務之一。電力系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)中，最容易出現(xiàn)故障的就是輸電線路。

我國輸電線路分布范圍廣，且在室外環(huán)境下，容易出現(xiàn)線路老化、雨水侵蝕、雷電閃擊等不可避免的電力故障。傳統(tǒng)的人工巡檢，效率低且人身安全得不到保證，有些地勢崎嶇的線路檢修費時費力。

近年來，隨著無人機技術的不斷創(chuàng)新突破，無人機的身影逐漸活躍于社會各個行業(yè)，涵蓋了工農(nóng)商業(yè)、公安系統(tǒng)、物流系統(tǒng)、軍事、民用等多個領域，電力系統(tǒng)也不例外。而電力系統(tǒng)故障有其顯著的特點，大多故障可以體現(xiàn)在設備表面溫度上，基于這樣的背景，紅外熱成像技術在電力巡檢中的推廣應用勢不可當。

因此，本文將重點闡述紅外成像和無人機技術結合在電力巡檢工作中的應用。

1? ? 紅外檢測的基本理論及應用

1.1? ? 紅外檢測的理論基礎

自然界中的光本質上是電磁波，根據(jù)波長范圍分為可見光和不可見光。人們?nèi)粘？匆姷纳拾邤痰氖澜纾瑢嶋H上就是可見光，赤橙黃綠青藍紫，都能通過人們的眼睛捕捉到。但是自然界中也存在不可見光，紅外線就是其中之一。紅外線廣泛存在于大自然中，本質上也是一種電磁波，人們看不見摸不著，但是物體在正常狀態(tài)下都會不斷產(chǎn)生分子、原子運動，只要物體溫度不低于絕對零度，那么物體本身就會輻射出熱紅外能量，溫度越高，能量越大;反之越小。

1.2? ? 紅外成像的應用原理及方法

紅外線本身是一種不可見光，那么如何將這種不可見光釋放的信息變成人類可視的，就成為紅外熱成像需要解決的問題。紅外熱成像就是將這種不可見光輻射釋放的能量信號轉變成電信號，然后將紅外圖譜顯示在可視化屏幕上。任何溫度高于絕對零度的物體，溫度不同，輻射的能量就不同，呈現(xiàn)在紅外圖譜上的顏色就會不同。且紅外熱成像是非接觸性的，對光線也沒有要求，所以應用于電力巡檢可以實現(xiàn)帶電檢測，使用范圍廣。

2? ? 輸電線路故障及無人機選型分析

2.1? ? 輸電線路常見故障歸納

輸電線路設備存在缺陷，通常情況下都會出現(xiàn)表面溫度過高即異常發(fā)熱的現(xiàn)象，紅外熱成像就是針對這種溫度缺陷特性工作的傳感設備。

輸電線路的常見典型設備可以歸納為以下幾種：

一是導線，導線缺陷包括松脫、變形、短路、老化等;

二是絕緣子，絕緣子會發(fā)生覆冰、受潮、破損、污穢等現(xiàn)象;

三是桿塔，存在螺栓脫落、桿塔傾斜、局部發(fā)熱等缺陷;

四是金具，有金具老化、線夾缺損、接觸不良等故障;

五是接地類和拉線類。

這些故障都可以使用紅外熱成像技術進行檢測和診斷。

2.2? ? 電力巡檢無人機選型分析

隨著近些年科技的飛速發(fā)展，無人機以其輕型化、智能化、節(jié)能化、品質化等優(yōu)點承擔了越來越多的航飛任務。目前市場上比較常見的無人機大致可以分為三類：直升機無人機、固定翼無人機、多旋翼無人機。

各種無人機特點不一：

（1）直升機無人機體積和質量較大，因此飛行速度較慢且續(xù)航能力差，但是其抗風能力較好，比較穩(wěn)定，這是無人機應用的第一階段;

（2）固定翼無人機最突出的特點是飛行速度快，適用于大范圍的巡檢航拍工作，但是其體積依然較大，且對飛行環(huán)境要求較高;

（3）多旋翼無人機已由最初的四旋翼發(fā)展成如今工業(yè)上常用的六旋翼、八旋翼等，這種無人機的特點是體積小，飛行靈活，但是其體積限制承重、電池續(xù)航問題尚未解決。

因成本較低，且能夠滿足一般的巡檢要求，多旋翼無人機目前應用較多。

3? ? 基于紅外成像的無人機故障診斷

3.1? ? 紅外樣本預處理方法

由于無人機應用于電力巡檢時，大多在惡劣的自然環(huán)境下飛行，且無人機相對于輸電線路處于一種相對運動的狀態(tài)，所以電力巡檢中無人機的紅外圖片需要進行優(yōu)化處理，才能高效準確地判斷線路故障。

通常紅外樣本預處理的主要步驟包括圖像灰度化、圖像去噪、圖像增強、邊緣檢測等技術。圖像灰度化就是將原來五彩斑斕的圖片中各個R=G=B的像素點表示成一種灰色。圖像去噪就是去除容易造成干擾的因素。圖像增強就是將原本圖片中存在的有用信息最大化。邊緣檢查是從邊緣提取檢測所需要鎖定的目標區(qū)域。

3.2? ? 紅外診斷方法

電氣設備的發(fā)熱缺陷通?？梢圆捎眉t外熱成像技術鑒別出來，但惡劣的自然條件，例如溫度、濕度、風速、污穢都有可能對紅外診斷帶來不利影響。所以不能采用單一的方法直接進行故障診斷得出結論。

紅外診斷方法通常分為四種：同類設備對比、表面溫度判定、相對溫差比較、熱圖譜分析法。

電力無人機搭載紅外熱成像傳感器，采集輸電線路各設備的紅外圖片，尤其是導線、絕緣子、桿塔、金具、接地類和拉線類設備，然后通過以上方法進行對比分析，可以實現(xiàn)非接觸不斷電檢測，并對輸電線路電力故障作出診斷。

4? ? 結語

本文基于無人機電力巡檢推廣普及的背景，歸納總結輸電線路典型設備及其常規(guī)故障，針對其故障時的溫度特性，提出采用紅外熱成像設備進行故障診斷，同時總結紅外樣本優(yōu)化處理方法和紅外診斷方法，為以后輸電線路紅外故障診斷的研究奠定了基礎。

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收稿日期：2020-03-04

作者簡介：包志鵬（1995—），男，甘肅永靖人，工程師，從事電網(wǎng)智能檢測研究應用工作。