基于5G網(wǎng)絡(luò)的智能網(wǎng)聯(lián)無人機(jī)系統(tǒng)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片維護(hù)中的應(yīng)用探討

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1 固定四旋翼無人機(jī)系統(tǒng)簡述

1.1 飛行原理

四旋翼無人機(jī)是一種特殊的直升機(jī)，通過調(diào)節(jié)四個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)升力的變化從而實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行器飛行姿態(tài)和位置的控制。它的特點(diǎn)是垂直起降、結(jié)構(gòu)簡單，四個(gè)電機(jī)不同的轉(zhuǎn)速為飛行器提供了諸多飛行狀態(tài)，分別是滾轉(zhuǎn)、俯仰和偏航這3種飛行動(dòng)作，每個(gè)飛行動(dòng)作有兩種飛行方向，因此有六種飛行方式。M1和M3與M2和M4電機(jī)轉(zhuǎn)速相反，通過反扭矩力、扭矩力、重力等作用力，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的飛行。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

無人機(jī)可分為動(dòng)力系統(tǒng)、遙控系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)、飛機(jī)云臺(tái)等。動(dòng)力系統(tǒng)是無人機(jī)動(dòng)能供給。遙控系統(tǒng)起著連接無人機(jī)和地面飛手作用。飛控系統(tǒng)是整個(gè)無人機(jī)的控制核心。各部分系統(tǒng)構(gòu)成主要參數(shù)指標(biāo)及作用如下：

（1）動(dòng)力系統(tǒng)：主要由螺旋槳（主要指標(biāo)：槳葉數(shù)、槳葉型、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、轉(zhuǎn)速范圍、槳葉力效）、無刷直流電機(jī)（主要指標(biāo)：尺寸、KV值、空載電流電壓、最大電流、電機(jī)效率、總力效）、電調(diào)（主要指標(biāo)：最大持續(xù)/峰值電流、電壓范圍、控制頻率、油門行程校準(zhǔn)等）、電池（主要指標(biāo)：電壓、容量、放電倍率）組成。動(dòng)力系統(tǒng)決定飛機(jī)的懸停、載重、飛行速度及距離等主要性能。

（2）遙控系統(tǒng)：主要由遙控器（主要指標(biāo)：頻率、通道、油門、遙控距離等）、接收機(jī)（遙控接收機(jī)、PPM解碼板）組成。遙控系統(tǒng)發(fā)送飛控手的遙控指令到接收機(jī)上，接收機(jī)解碼后，傳給飛控板，進(jìn)而根據(jù)指令做出各種飛行動(dòng)作。

（3）飛控系統(tǒng)：主要由慣性傳感單元、高度位置信息傳感單元、燒錄仿真單元、通信單元以及各類預(yù)留接口等。飛控系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)所有外圍硬件運(yùn)作、無人機(jī)的飛行狀態(tài)、地面通信等核心任務(wù)，主要有導(dǎo)航功能（解決在哪里的問題）、控制功能（解決怎么去的問題）、決策功能（解決去哪兒的問題）。

（4）地面站：負(fù)責(zé)傳感器和各類無人機(jī)數(shù)據(jù)的校準(zhǔn)，信息交互，航跡的規(guī)劃及調(diào)整，數(shù)據(jù)分析、在線調(diào)參。

（5）數(shù)傳系統(tǒng)：借助DSP技術(shù)和無線電技術(shù)實(shí)現(xiàn)的高性能專業(yè)數(shù)據(jù)傳輸電臺(tái)，其一端接入計(jì)算機(jī)，另一端接入飛控系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)雙向通信。

（6）飛機(jī)云臺(tái)：安裝、固定攝像、照相的支撐設(shè)備，保證無人機(jī)在飛行中穩(wěn)定拍攝、照相等。

2 需求分析

隨我國經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的不斷發(fā)展完善，風(fēng)力發(fā)電逐漸出現(xiàn)在人們的視野當(dāng)中，并且隨著時(shí)代的進(jìn)步不斷地創(chuàng)新以滿足現(xiàn)代化建設(shè)的需要。我國風(fēng)力發(fā)展的規(guī)模不斷地?cái)U(kuò)大，在一定程度上也對(duì)于風(fēng)機(jī)的需求進(jìn)一步增多，對(duì)于風(fēng)機(jī)的要求也越來越嚴(yán)格，風(fēng)力發(fā)電機(jī)應(yīng)用的增多和尺寸的不斷提升，對(duì)面臨的問題也逐漸增多。風(fēng)力發(fā)電日常檢修，需要停機(jī)，對(duì)風(fēng)機(jī)內(nèi)部設(shè)施以及外部葉片表面進(jìn)行巡查。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片在高空、全天候條件下工作，時(shí)刻受各種介質(zhì)侵蝕或影響，如未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題或忽視小問題，極易造成事故。這類事故通常在大風(fēng)季節(jié)出現(xiàn)，不僅帶來昂貴的修補(bǔ)費(fèi)用，更易造成發(fā)電量的嚴(yán)重?fù)p失。因此，對(duì)葉片進(jìn)行定期檢查維護(hù)，早期發(fā)現(xiàn)問題并盡快采取措施，才是避免事故、減少風(fēng)險(xiǎn)、穩(wěn)定風(fēng)電廠收益的有效方式，才能為風(fēng)電廠安全運(yùn)行提供有力的保障。具體問題有：

（1）污垢或鹽霧腐蝕。污垢或鹽霧會(huì)在葉片表面形成一層覆蓋層，覆蓋層會(huì)對(duì)葉片的效率產(chǎn)生負(fù)影響，所以要定期對(duì)葉片表面進(jìn)行清洗，除去覆蓋層。

（2）開裂和破損。如果葉片的表層完好無損，僅是開膠裂縫，就只需要用膠把裂縫粘起來即可。薄緣部位的缺口必須依照規(guī)定程序來修補(bǔ)。

3 應(yīng)用方案

3.1 總體方案

根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景，選擇5G網(wǎng)絡(luò)+飛控平臺(tái)+網(wǎng)聯(lián)無人機(jī)+紅外熱成像儀的方式提供對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片進(jìn)行日常巡檢的應(yīng)用方案。具體方案如下：

（1）5G網(wǎng)絡(luò)：在風(fēng)力發(fā)電區(qū)域建設(shè)5G空域覆蓋網(wǎng)絡(luò)，保障無人機(jī)控制信令的下達(dá)，實(shí)時(shí)回傳無人機(jī)拍攝的圖像和照片。

（2）智飛平臺(tái)：一是自動(dòng)控制無人機(jī)自動(dòng)巡航巡檢。二是控制搭載的熱成像儀聚焦拍攝。三是對(duì)采集的視頻和圖像進(jìn)行二次處理。

（3）網(wǎng)聯(lián)無人機(jī)+紅外熱成像儀。替代人對(duì)葉片進(jìn)行巡檢。其中熱成像儀利用葉片損傷后，在旋轉(zhuǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生溫差。通過對(duì)溫差分析，得出葉片是否損壞的結(jié)果。

3.2 網(wǎng)絡(luò)覆蓋方案

（1）試點(diǎn)區(qū)域：選擇位于吉安新干桃溪五老峰風(fēng)電場(chǎng)。

（2）5G網(wǎng)絡(luò)：在試點(diǎn)區(qū)域內(nèi)新建1個(gè)5G基站，用于測(cè)試5G專用網(wǎng)絡(luò)在120米以下的低空覆蓋情況。

3.3 無人機(jī)解決方案

（1）無人機(jī)型號(hào)：GDU宙普 Z4B中型四旋翼無人機(jī)

（2）紅外熱成像儀型號(hào)：高德紅外公司分辨率為1280X1024紅外成像儀。

（3）無人機(jī)通信模塊改造：無人機(jī)原有通信系統(tǒng)中增加5G的通信方式，即在無人機(jī)的通信模塊中增加華為MH5000-31 5G模組，在無人機(jī)遙控設(shè)備中增加同樣的5G模組。改造后無人機(jī)具有兩種通信方式，一種是通過2.4G的專用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信模式，一種是通過5G網(wǎng)絡(luò)到云服務(wù)器到遙控器的通信模式。

（3）智飛平臺(tái)：在移動(dòng)公有云中部署普宙公司飛控平臺(tái)，該平臺(tái)能夠解析、存儲(chǔ)、直播無人機(jī)拍攝的視頻及照片，能夠控制無人機(jī)完成設(shè)定的飛行任務(wù)。風(fēng)力發(fā)電廠維護(hù)人員可以通過網(wǎng)絡(luò)和改平臺(tái)實(shí)時(shí)觀察無人機(jī)拍攝的畫面。

3.4 性能測(cè)試方案

測(cè)試中使用1臺(tái)固定四旋翼無人機(jī)，測(cè)試主要內(nèi)容如下：

（1）5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋測(cè)試：測(cè)試公共網(wǎng)絡(luò)中開通和未開通3D-MIMO技術(shù)的覆蓋對(duì)比；測(cè)試專用網(wǎng)絡(luò)中單個(gè)5G基站的空域網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍；測(cè)試使用交互網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)對(duì)空域網(wǎng)絡(luò)覆蓋的影響。

（2）5G網(wǎng)絡(luò)傳輸速率測(cè)試：測(cè)試上述網(wǎng)絡(luò)配置條件下，相同高度不同位置，相同位置不同高度，4K圖像傳輸速率。

（3）測(cè)試現(xiàn)有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信系統(tǒng)傳輸速率：相同高度不同位置，相同位置不同高度，4K圖像傳輸速率，紅外成像儀圖像傳輸速率。

（4）測(cè)試飛控命令端到端時(shí)延：分別測(cè)試5G網(wǎng)絡(luò)下和點(diǎn)到點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)下，飛控指令的時(shí)延問題。

（5）風(fēng)力發(fā)電葉片排障測(cè)試：測(cè)試無人機(jī)在空中拍攝風(fēng)力發(fā)電葉片的最佳高度和距離；測(cè)試紅外攝像機(jī)拍攝轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)風(fēng)力發(fā)電葉片的效果以及葉片溫度差異。

4 效果與結(jié)論

4.1 5G網(wǎng)絡(luò)測(cè)試效果

（1）5G基站空域覆蓋情況：在試點(diǎn)中，以基站為中心，最大高度約300米，最遠(yuǎn)距離約400米。

（2）時(shí)延情況：通過多次在終端側(cè)對(duì)控制臺(tái)服務(wù)器進(jìn)行Ping測(cè)試，已經(jīng)通過智飛平臺(tái)對(duì)無人機(jī)的操作表明，在試點(diǎn)區(qū)域，5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋內(nèi)，控制信令時(shí)延小于140ms；網(wǎng)絡(luò)側(cè)時(shí)延控制在20ms以內(nèi)；端到端時(shí)延控制在140ms以內(nèi)。

（3）數(shù)據(jù)傳輸情況： 1080P數(shù)據(jù)傳輸上行大于10Mbps，下行大于10Mbps；4K數(shù)據(jù)傳輸上行大于30M Mbps，下行大于10Mbps；8K數(shù)據(jù)傳輸上行大于120Mbps，下行大于10Mbps。

4.2 無人機(jī)系統(tǒng)測(cè)試效果

（1）飛控平臺(tái)：通過5G網(wǎng)絡(luò)，飛控平臺(tái)與無人機(jī)之間端到端時(shí)延小于X毫秒，能夠滿足遠(yuǎn)程控制的需求。

（2）熱成像儀：通過5G網(wǎng)絡(luò)，熱成像儀能夠?qū)崟r(shí)回傳拍攝的發(fā)電機(jī)葉片紅外圖像。維護(hù)分析人員可以根據(jù)紅外圖像及時(shí)發(fā)現(xiàn)葉片上的溫度差異，從而發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)葉片上的微小裂痕。

4.3 結(jié)論

通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，5G+飛控平臺(tái)+網(wǎng)聯(lián)無人機(jī)+熱成像系統(tǒng)，能夠替代現(xiàn)有維護(hù)人員對(duì)發(fā)電機(jī)葉片的日常巡檢工作，并能夠在不中斷發(fā)電機(jī)的情況下，開展近距離、高精度、低時(shí)延的監(jiān)測(cè)工作。

5 總結(jié)與展望

2016 年以來，無人機(jī)市場(chǎng)進(jìn)入快速發(fā)展階段，國內(nèi)大疆、億航等無人機(jī)廠商，亞馬遜、阿里等互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)，海康衛(wèi)視等垂直行業(yè)企業(yè)紛紛布局行業(yè)無人機(jī)市場(chǎng)，行業(yè)應(yīng)用逐漸豐富。2019年，5G 網(wǎng)絡(luò)正式商用，對(duì)通信運(yùn)營企業(yè)來說，發(fā)揮5G網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)優(yōu)勢(shì)，整合無人機(jī)廠商、垂直領(lǐng)域企業(yè)的相關(guān)資源，形成針對(duì)特定的應(yīng)用場(chǎng)景網(wǎng)聯(lián)無人機(jī)解決方案，開拓網(wǎng)聯(lián)無人機(jī)市場(chǎng)前景巨大。在風(fēng)力發(fā)電廠這個(gè)典型場(chǎng)景中，后續(xù)可以增加無人機(jī)自動(dòng)充電設(shè)備和完善飛控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)和自動(dòng)充電，從而形成一個(gè)較為完善的商用解決方案。