基于四旋翼無人機的電力線智能巡線系統(tǒng)設(shè)計

耿安坤，朱厚燚

（國網(wǎng)湖北隨州供電公司，湖北 隨州 441300）

電力線路具有分布地域廣、所處地形復(fù)雜的特點，目前，除了城市地區(qū)主要使用地埋電纜外，在鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)和郊區(qū)，不管是輸電，還是配電，主要還在使用架空導(dǎo)線。電力線路的故障及安全隱患大致可以分為3 類[1]：一是設(shè)備的物理損壞。野外環(huán)境下，受雷擊、風吹日曬等環(huán)境影響造成的設(shè)備損壞或老化；二是線路通道存在安全隱患。主要是樹障、易燃物線下堆放、線路附近不規(guī)范施工等；三是負荷大、線徑細引起的線路過流。當連接件不牢固或?qū)Ь€斷股引起導(dǎo)線電阻增大時，很可能會造成線路發(fā)熱斷線。

目前，電力線巡線主要有3 種方式：一是地面目測法。通過肉眼觀察或者采用望遠鏡、紅外成像儀等設(shè)備，對電力線路進行人工現(xiàn)場檢查。這種方式的缺點是：工作量大、所花時間長、工作環(huán)境復(fù)雜、安全風險高。二是直升機檢測法[2]。工作人員乘坐直升飛機，利用紅外成像儀、攝像機等設(shè)備，檢測電力線運行情況。這種方式的缺點是：直升機飛行速度較快，不方便工作人員仔細觀察，不可避免地會漏掉一些隱患，成本也較高。三是無人機檢測法。工作人員利用無人機搭載的圖像采集設(shè)備，到現(xiàn)場操控無人機對線路進行檢測，工作人員通過傳回到地面的圖像信息判定異常情況。這種方式的缺點是：對操作人員操控無人機的水平要求較高，而且至少需要兩個人到現(xiàn)場開展工作，一人操作一人記錄數(shù)據(jù)，而且受無人機續(xù)航能力的限制，每次巡視的范圍很有限。

利用無人機開展電力線路巡檢，融合導(dǎo)航控制、無線通信、圖像識別、自主充電等技術(shù)，將現(xiàn)場信息傳回主站供工作人員分析應(yīng)用，真正實現(xiàn)遠程自主巡線。這樣以來，不僅可以提升巡線工作質(zhì)效，還能擴展到電力施工現(xiàn)場稽查等領(lǐng)域，是一個很有前途的發(fā)展方向，并且極具研究價值。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 系統(tǒng)物理架構(gòu)

從物理架構(gòu)上來看，系統(tǒng)設(shè)計大致可分為3層，分別為采集層、通信信道層和主站層。采集層是指無人機平臺及桿上充電站上面搭載的傳感器，采集現(xiàn)場工作環(huán)境、線路狀況和圖像信息等，代替人工在現(xiàn)場巡線時進行的信息收集工作。通信信道層是指數(shù)據(jù)從采集到主站成功接收所經(jīng)歷的傳輸過程，信息傳輸要克服野外環(huán)境GPRS 信號差的問題，需采用適當?shù)耐ㄐ欧绞剑诒匾闆r下，還需要采用多種通信方式的組合來實現(xiàn)系統(tǒng)需要的效果。主站層是系統(tǒng)的中樞大腦和控制中心，需要對現(xiàn)場收集到的數(shù)據(jù)進行分析、處理、應(yīng)用，達到檢測出線路缺陷和隱患的目的，主站還負責與其他信息系統(tǒng)進行信息交互。智能巡線系統(tǒng)邏輯架構(gòu)如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計原則

圖1 智能巡線系統(tǒng)邏輯圖

電力線智能巡線系統(tǒng)是一個控制難度高、數(shù)據(jù)龐大的系統(tǒng)，為保證系統(tǒng)的高效運作和高效處理，系統(tǒng)的整體設(shè)計至關(guān)重要，在系統(tǒng)設(shè)計需求上，遵循以下原則對系統(tǒng)進行設(shè)計。

1.2.1 易操作性原則

考慮到基層供電所管理現(xiàn)狀，一線員工技能水平有限，因此，系統(tǒng)必須要易于操作，避免由于工作程序設(shè)計復(fù)雜而導(dǎo)致操作失誤。硬件盡量采用模塊化設(shè)計，發(fā)生故障后便于更換，系統(tǒng)軟件應(yīng)具備自檢和遠程更新功能。

1.2.2 穩(wěn)定性原則

系統(tǒng)要實現(xiàn)的主要目的是減少人工巡線，系統(tǒng)自動化程度較高，必須要足夠穩(wěn)定，避免無人機失控或者數(shù)據(jù)采集出現(xiàn)問題，因此要在軟、硬件設(shè)計上提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在程序設(shè)計時，要加入應(yīng)急模式，防止無人機出現(xiàn)故障或失控。

1.2.3 安全性原則

電力線路位置信息及其他數(shù)據(jù)安全等級較高，要采取有效措施防止信息外泄，同時要采取有效的防護措施，最大限度地阻止外部因素對系統(tǒng)的非法侵入，嚴防用戶或者黑客以非正常的方式或手段，對系統(tǒng)設(shè)置及各種信息數(shù)據(jù)進行更改或者竊取，在數(shù)據(jù)傳輸過程中要對數(shù)據(jù)源進行加密，遠程控制無人機的指令須設(shè)置密鑰，主站平臺登錄須要進行身份認證。

1.2.4 可擴展性原則

無人機作為空中監(jiān)測平臺，可以根據(jù)不同工作需要搭載相應(yīng)功能的傳感器。通過擴展系統(tǒng)的功能，一方面可以采集到更加詳細的現(xiàn)場信息，另一方面可以提高系統(tǒng)的適用范圍。

2 智能巡線系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)設(shè)計主要分為3 個功能模塊，模塊之間通過無線通信方式進行信息傳輸，系統(tǒng)工作的主要流程是：監(jiān)控人員通過主站工作臺，在需要開展巡線時，主站操作人員在主站查看無人機及充電站的運行狀態(tài)，通過在充電站安裝的環(huán)境監(jiān)測模塊，判斷現(xiàn)場天氣是否可以開展巡線，在天氣條件允許的情況下，下發(fā)巡線指令給無人機，無人機收到指令后，首先進行系統(tǒng)自檢，然后飛離充電站，無人機按照主站提供的巡線路徑開展巡線，并將現(xiàn)場圖像信息及坐標信息反饋到主站，由主站人員記錄缺陷和隱患，再由工作人員制定消缺計劃。巡線結(jié)束后，無人機通過坐標信息，回到充電站附近，與充電站通信，再通過視覺導(dǎo)航進行自主著陸，最后停靠到充電站上的?？颗搩?nèi)，然后向主站發(fā)送巡線結(jié)束指令。無人機在停靠艙內(nèi)通過無線充電進行充電，為下一次巡線做準備。智能巡線系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 智能巡線系統(tǒng)框圖

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 無人機飛行控制技術(shù)

四旋翼無人機物理結(jié)構(gòu)較為特殊，是一個欠驅(qū)動系統(tǒng)，從飛行姿態(tài)上看，有6 個自由度，但是，只有4 個控制輸入。四旋翼無人機的飛行運動可以分為6 種：前后運動、垂直運動、偏航運動、俯仰運動、滾動運動、側(cè)向運動。四旋翼無人機飛行控制的原理是通過飛行器上的姿態(tài)傳感器解算出飛行器的姿態(tài)，即3 個姿態(tài)角，再通過PID 算法控制調(diào)節(jié)4 個旋翼，使得飛行器按照指令完成相應(yīng)的運動。在實際工程應(yīng)用當中，使用較多的姿態(tài)解算算法有：歐拉角法、方向余弦法和四元數(shù)法3種。

在解算出姿態(tài)角之后，還需要采用PID 算法對無人機飛行進行控制。采用傳統(tǒng)PID 算法的單一的反饋控制會使系統(tǒng)存在不同程度的超調(diào)和振蕩現(xiàn)象，無法得到理想的控制效果。為了達到控制效果，這里采用了串級PID 控制，來提升控制的實時性和抗干擾性。測量系統(tǒng)中角速度比角度更為敏感，因此可以將角速度控制設(shè)到內(nèi)環(huán)，將角度控制設(shè)到外環(huán)。無人機飛行姿態(tài)控制流程圖如圖3所示。

圖3 無人機飛行姿態(tài)控制流程圖

在實際巡線過程中，除了穩(wěn)定飛行外，還需要無人機飛行到期望的位置。首先，確定三維坐標，將位置控制分為水平位置控制和高度控制。在無人機測量系統(tǒng)中，速度信息較位置信息更為敏感，所以比較適合采用雙環(huán)反饋控制，將速度控制環(huán)作為內(nèi)環(huán)控制，將位置控制環(huán)作為外環(huán)控制。飛行位置控制流程圖如圖4所示。

圖4 無人機飛行位置控制流程圖

3.2 圖像識別技術(shù)

無人機要保證攝像頭對準電力線路和沿著線路飛行，要能識別出采集到的圖像中的電力線路，這就需要采用合適的電力線檢測算法，準確地檢測出電力線路的相對位置，無人機根據(jù)識別到的電力線，沿著電力線飛行，同時，需要與電力線保持一定的安全距離。電力線巡線圖像處理的流程可歸納為5個環(huán)節(jié)。具體流程和常用方法如圖5所示。

常用的邊緣檢測算子[19]有：Roberts 邊緣檢測算子、Canny 邊緣檢測算子、Prewitt 邊緣檢測算子、Sobel 邊緣檢測算子和Laplacian 邊緣檢測算子等。其中，Robert 邊緣檢測算子、Canny 邊緣檢測算子、Prewitt邊緣檢測算子、Sobel邊緣檢測算子為一階算子，Laplacian邊緣檢測算子為二階算子。

圖5 電力線巡線圖像處理的流程

4 結(jié)束語

結(jié)合工作實際，本文提出了一種由監(jiān)控主站、桿塔上充電站和無人機平臺3 個子系統(tǒng)組成的智能巡線系統(tǒng)，并對其中的無人機飛行控制技術(shù)和圖像識別技術(shù)進行了研究。系統(tǒng)應(yīng)用拓展性較強，可以將單個無人機拓展為多個無人機協(xié)同工作，也可以將巡線工作拓展為需要現(xiàn)場開展的其他工作，因此除了可以完成日常電力巡線外，還可以用來進行施工現(xiàn)場安全稽查和現(xiàn)場勘察，甚至可以幫助企業(yè)決策者快速了解基層設(shè)備狀態(tài)，節(jié)約人力成本的同時，還可以提升電網(wǎng)企業(yè)整體管理運營效率。