電力線路無人機巡檢方案研究

徐永紅 黃清云

摘要：隨著中國現(xiàn)代科學與技術的快速發(fā)展，人們對電能輸送的需求越來越多，架空電力線路工程的規(guī)模也越來越大。在架空電力線路工程實施完成后，往往需要穿過復雜的地形和險惡的自然環(huán)境與生態(tài)環(huán)境，借助無人機技術實現(xiàn)對電力線路的巡檢，以確保架空線路的運行安全，實現(xiàn)電力線路巡檢的自動化。

關鍵詞：電力線路;無人機;巡檢方案

1無人機應用于巡檢電力線路的技術優(yōu)勢

無人機擁有自動導航和自動懸停技術，巡檢時能夠做到全方位的高空信息采集，多角度進行觀察，高效率降低架空電力線路巡檢工作的難度，最大程度上杜絕安全事故的發(fā)生，提升巡檢效率和巡檢質量。這種優(yōu)勢在極端惡劣天氣條件下能夠得到充分發(fā)揮。雨雪天氣中，鐵塔容易打滑，人工蹬桿走線容易發(fā)生危險。無人機能夠代替人工工作，保證工作人員安全的同時，保障電網(wǎng)安全可靠地使用運行。在災后道路不通、工作人員親自到現(xiàn)場巡檢有困難以及危險系數(shù)較高時，無人機能夠發(fā)揮重要作用。許多工作能夠在帶電情況下完成，效率極高。

在當前的技術條件下，巡檢電力線路中應用最多的是遙控直升機和四旋翼無人機。下面將詳細介紹這兩種不同的無人機技術和功能。遙控直升機裝備有圖像采集和實時傳輸裝置，裝載的是普通直升機的氣動布局。在巡檢線路過程中，不應該在設備正上方懸停，將采集的信息圖像迅速發(fā)送到監(jiān)控中心，方便后臺的工作人員及時根據(jù)電力線路可能存在的故障進行判斷。作為人工遙控的應用遙控直升機，工作時需要工作人員操作來保證無人機能夠在距離電力線路安全距離處停留，然后依托無人機內部的拍照機器進行圖像拍攝，并且傳送回后臺監(jiān)控人員處。四旋翼無人機有著較強的起降能力，主要原因是它的氣動布局結構不同于遙控直升機。此外，為了保證傳輸線路圖像的清晰度，四旋翼無人機配備了無線微型高分辨率圖像采集裝置，能夠獲得高清信息，并將其傳送回地面站。四旋翼無人機在工作流程上和應用遙控無人機有些許不同。四旋翼無人機通過地面站發(fā)出的指令自主在距離電力線路安全距離范圍內懸停，工作人員通過遙控控制旋翼的航向和減振云臺，保證無人機在各個地方拍攝的圖像的清晰，實現(xiàn)電力線路設備巡檢情況的實時采集和傳輸。

在巡檢電力線路工作中，無人機發(fā)揮著重要作用。但是，由于技術問題的局限，它在續(xù)航方面存在缺點。首先，無人機體積較大，但是電池容量較小，其巡檢時間和距離十分有限。其次，無人機不能夠自主分析故障點，需要通過傳送圖像到后臺進行人工判斷。所以，在創(chuàng)新技術方面可以從以下幾個要點進行分析研究。作為具有自主懸停、自主導航特點的四旋翼無人機，能夠及時發(fā)現(xiàn)電力線路跳閘的故障。在這一前提下，可以構建一個完整的全方位巡檢模型，保障在巡檢過程中電力線路的安全，還能夠分析在惡劣天氣條件影響下電力線路可能發(fā)生的災害。為了解決無人機的工作時長問題，可以對鋰電池的選型、電機的選型以及空氣動力等進行研究。通過改善飛行控制、結構強度等條件，優(yōu)化流線型機身碳纖維制作工藝問題，進一步升級四旋翼無人機的技術條件。

2? 無人機控制方案

2.1系統(tǒng)設計及構成部分

無人機巡視控制系統(tǒng)包括3部分，分別是無人機飛行控制系統(tǒng)、無人機定位信息系統(tǒng)和數(shù)據(jù)系統(tǒng) 。

其中，數(shù)據(jù)系統(tǒng)包括圖像采集模塊、空地通信模塊、設備供電模塊和云臺及控制模塊。圖像采集模塊對無人機拍攝采集的圖像進行雜波濾除、噪聲去除、信息提取等一系列圖像處理;空地通信模塊主要將采集到的數(shù)據(jù)輸送到監(jiān)控單元進行進一步的分析和判斷;設備供電模塊為采集模塊和通信裝置;云臺及控制模塊為準備好采集的攝像機提供拍攝角度和各種設置。圖像采集模塊存在圖像去噪的優(yōu)化問題，傳統(tǒng)去噪算法的不一定適用與無人機巡線，但采用基于感知的矩陣恢復方案去除成像噪聲，可以得到滿足實際工作要求的結果。

2.2 飛行航線的生成方法

當無人機接近架空線路時，通常采用兩種飛行方式：（1）定高飛行方式。用這種方法，首先選擇合適的著陸位置，然后無人機精確定位起點，設定起點高度。通過這種控制方法，當相應的性能參數(shù)為定值時，可以顯著降低故障率。（2）斜飛方式。特別是在仔細部署了無人機設備后，直接從起飛站出發(fā)，向不同的方向移動，通過這種飛行模式，可以快速接近控制目標，提高測試速度，但同時，因為必須雙手同時行動，因此會增加控制難度，提高工作失誤率。

在使用無人機巡邏設備之前，必須先規(guī)劃航線，通常是三角和線性航線。如果設計水平三角路線的起點和范圍，則無人駕駛器可以進入傳輸線保護區(qū)而不影響架空線路，但如果采用這種路由規(guī)劃方法，則很難檢查操作者所需的設備并掌握設備控制技術進行準確判斷和控制。與三角形線路不同，直線線路更適合地形平坦、跨度較小的線路。在拍攝無人機設備時，要求路線通暢，以保證拍攝效果。

2.3飛行速度及飛行姿勢控制

在無人機巡視過程中，由于天氣環(huán)境變化，無人機的前進角度經常出現(xiàn)偏差。為了保證無人機和電力線路的穩(wěn)定，控制無人機的前進姿態(tài)顯得非常重要。無人機測控的原理是利用LQG控制器控制無人機仰俯和方向變換時的姿態(tài)。當無人機懸停于空中，可以通過繩子施加外力，保證無人機的飛行的穩(wěn)定性。

獲得關于小無人機飛行方向、加速和其他飛行地點的信息，應以下列條件為基礎：（1）鑒于無人機有效載荷的限制，位置信息不應過于煩瑣，總費用也不應過高;（2）該系統(tǒng)具有良好的聲學角、旋轉角和旋轉角的測量和控制精度，這些精度目前被定義為聲學角小于0.75°，旋轉角小于1.5°;（3）鑒于無人機的蓄電池容量減少，整個設施系統(tǒng)需要低能耗運行，以降低長期的工作量;（4）由于遠離某些子電站或高壓塔，系統(tǒng)還必須能夠存儲數(shù)據(jù)，以避免由于移動電話信號不足而造成數(shù)據(jù)丟失;（5）定位算法應足夠穩(wěn)定，以避免無人駕駛航空器飛行位置計算結果的突變和分散。

2.4立足精益化，提出電力線路“N+4”巡視方法

優(yōu)化無人機巡檢路徑。目前無人機巡視主要采用高性能鋰電池作為動力來源，由于鋰電池容量有限且受限于無人機載荷，導致多旋翼無人機續(xù)航時間較短，必須合理規(guī)劃巡檢路線，避免無效飛行。為提高無人機巡檢的效率和安全性，必須制定出科學合理的拍攝飛行路徑和拍攝方法，在滿足安全飛行的條件下可以遍歷所有巡檢點且飛行路程最短的路徑。結合大量實踐檢驗、科學驗證與分析，將無人機桿塔巡檢路徑規(guī)劃等效為不回到起點的TSP問題來，選用窮舉法來進行路徑規(guī)劃，結合實際情況將所有可行的路徑都計算出來，然后比較得出最優(yōu)路徑。

電力線路通道的“4”路巡視法。針對目前日益增加的線路走廊內施工、樹害等問題，結合無人機自身巡視特點，采用電力線路通道的“4”路巡視方法。那就是電力線路桿塔中桿塔大小號側通道以及縱向左右側兩個方向共計4條通道的巡視工作。在桿塔大、小號側通道處各拍攝通道1張，要求看到前桿塔電氣部分、后桿塔全部及通道情況，飛行高度在最下層導線掛點與弧垂最低點之間。同時拍攝桿塔左、右側通道內的運行情況，做到全方位、無死角的對桿塔通道運行情況進行掌控。

結論

目前，國家對于無人機的發(fā)展重點關注，重點發(fā)展。伴隨著經濟的飛速發(fā)展和科技的進步，無人機巡檢電力線路的技術水平也在不斷提升、完善。在人工巡檢過程中，由于觀察角度以及巡查人員的水平限制，效率遠遠小于無人機巡檢的排查。無人機巡檢排查降低了成本，提升了效率。國家電網(wǎng)在無人機技術和人才培養(yǎng)方面著重進行培養(yǎng)，恰恰說明無人機將迎來新的發(fā)展應用階段。

參考文獻：

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