試論無人機電力線路安全巡檢的關鍵技術

內蒙古電力（集團）有限責任公司航檢分公司 謝曉君 楊小龍 中飛賽維智能科技股份有限公司 倪天江

1 無人機電力線路安全巡檢的含義與任務

無人機屬于電力線路安全巡檢新型技術，這種新興的自動化航測設備靈敏度高、操作簡便，同時能夠克服巡檢作業(yè)區(qū)域較為復雜帶來的阻礙。通過敏感的遙感技術，利用無人機對相關巡檢設備進行搭載，可對電力線路的安全巡檢過程進行精確的數據獲取，保證將操作人員的安全危險系數降到最低[1]。與此同時，可幫助技術操作人員頻繁反復地對電力線路的運行安全進行有效維護，配合使用無人機對電力線路的安全巡檢操作進行組織落實時，無人機首先要對巡檢區(qū)域的復雜地形條件進行數據采集，同時采用多批次無人機平臺飛行試驗的方式，確保電力線路系統的性能符合優(yōu)良要求。為了讓數據獲取得更為全面，技術操作人員還可反復多次地開展無人機平臺飛行試驗操作，與此同時，利用run機影像與遙感數據處理平臺對獲取到的相關信息進行精確分析與結果預判[2]。

通常情況下，架空電力線路在電網系統運作過程中扮演著十分重要的角色，不僅能夠保證大功率的電流穩(wěn)定通過線路傳送到用電用戶家中，還可有效降低電能運輸過程中所出現的電能消耗[3]。但為了讓電能覆蓋的區(qū)域更廣，架空電力線路區(qū)域覆蓋范圍、地形地勢、水文氣候等自然環(huán)境可能較為復雜通常情況下，采用人工巡線的方式不僅會耗費大量的人力、物力，占用的時間也較多，同時基層操作人員還可能在巡檢過程中受到較大的安全威脅，整個作業(yè)過程較為危險，安全事故發(fā)生概率較高。

與此同時，復雜的地形氣候條件也可能會給工作人員帶來較大的勞動強度，總之采用人工方式開展電力線路巡檢工作效率較低。伴隨無人機技術在電力線路巡檢工作中的應用，以上問題全部得到有效克服，無人機技術還能夠讓整個電力線路的巡檢過程更加安全高效，可有效擺脫環(huán)境因素的影響與限制[4]。

2 無人機電力線路安全巡檢系統的系統構成

2.1 多傳感器數據獲取系統

多傳感器數據獲取系統從字面意義上就可以理解到，子系統由多個子系統組合而成，包括無人機飛行平臺系統、多傳感器數據獲取系統、穩(wěn)定平臺、POS定姿定位系統等。這些系統的精確組合，讓無人機的飛行平臺功能可以更為豐富，同時在性能發(fā)揮過程中也可出色的完成各種飛行與信息采集任務。如對無人機的飛行平臺進行種類劃分，還可分成固定翼飛行平臺以及旋翼飛行平臺兩種。

技術操作人員組織開展電力線路安全巡檢工作時，無人機飛行平臺還需搭載傳感器系統與穩(wěn)定平臺機載設備。需注意的一點是，不同的電力線路巡檢環(huán)境如電力系統巡檢任務的任務類型、飛行距離與飛行速度等，會導致無人機平臺配合應用的方案會有所差異，這需要視實際情況而定，保證無人機飛行系統可獲得更好的電力線路巡檢效果。

在組織落實基于可見光拍攝的快速巡檢任務時，技術操作人員應配置小型固定翼無人機平臺，因為這種無人機電力線路巡檢系統體積更小、環(huán)境適應性更強，能高效的完成電力線路巡檢系統的巡視任務。同時光學數碼相機、熱紅外成像儀和激光掃描儀等構成了其傳感器系統，不僅能夠對電力系統中的絕緣子爆裂或是地線斷股問題進行精確定位，輸電線路設備的視頻信息采集層面也可使用無人機輸電線路紅外設備，也就是熱紅外成像儀。同時，無人機上的穩(wěn)定平臺還能保證熱紅外成像儀發(fā)揮出較好的圖片數據采集效果，保證目標的成像質量，POS定子定位系統可幫助無人機最大限度地規(guī)避風險，防止出現成像模糊、飛行不穩(wěn)定的情況。

2.2 地面測控站系統

通常情況下，無人機的飛行狀態(tài)主要由地面測控站系統來進行監(jiān)控，而地面測控站系統由多個控制系統組成，包括無人機、平面地面控制系統、數據編碼系統以及實時數據分析系統。各種子系統在對無人機的飛行過程進行控制時，地面控站系統可直接通過傳感器數據信息傳輸方式對相關數據進行獲取與分析。

2.3 數據通信鏈路系統

無人機執(zhí)行電力線路的巡檢工作時，數據通信鏈路系統可發(fā)揮出較強的通信功能，保證無人機可隨時隨地地將數據傳輸給地面測控站系統。如果從組成部分上分析，地面測控站、信號收發(fā)設備、無人機通信設備等讓數據通信鏈路系統功能更為強大，同時可在較為惡劣的環(huán)境中穩(wěn)定的獲取相關數據與圖片信息。從系統的等級上看，數據通信鏈路系統為子系統，基本功能是對地面測控站與無人機飛行平臺之間的數據通信與交換進行過程穩(wěn)定性保障，防止出現信號較差或是通信過程因突發(fā)狀況而中斷。

此系統可保證無人機在外部環(huán)境較為復雜的作業(yè)區(qū)內獲得更好的通訊能力并保證傳輸給數據中心的圖片與視頻更加清晰穩(wěn)定。無人機巡檢系統可直接滿足數據鏈路的傳輸需要，并保證發(fā)揮出的功能與數據鏈路傳輸需求相匹配。與此同時，技術操作人員可根據電力線路安全的巡檢系統實際情況來對數據傳輸的速率進行控制，通常情況下需將其控制在4Mbps～8Mbps之內。

2.4 數據處理系統

數據處理功能得以有效發(fā)揮的原因是，地面系統可實時精確地接收無人機傳輸的相關信號指令或圖片數據，在無人機發(fā)揮電力線路安全巡檢功能時，數據信息的后期處理與儲存作用也可更高效的發(fā)揮，可快速對獲取到的信息進行精確分類與價值分析。同時，多傳感器數據預處理系統與幾何處理系統共同構成了地面數據處理系統，而地面處理系統在發(fā)揮功能時，主要依靠攝影測量、遙感分析等數據處理方法。

3 無人機電力線路安全巡檢的關鍵技術

3.1 飛行姿態(tài)控制技術

外界環(huán)境因素，如氣候因素中的強風或降水，都可能對無人機的飛行狀態(tài)與姿態(tài)產生較大的影響，致使無人機的飛行控制出現不穩(wěn)情況。無人機的姿態(tài)控制技術屬于無人機電力線路安全巡檢系統中的一個重要應用，不僅能讓無人機的飛行狀態(tài)更加穩(wěn)定，還能讓無人機按照預定線路規(guī)劃開展飛行過程。依據專業(yè)研究人員的研究數據結論，LQG控制器主要控制無人機的俯仰翻轉姿態(tài)，而PID控制器也是無人機飛行控制中的一個重要系統，可有效預防無人機在飛行或航拍過程中出現偏航問題。因此在無人機電力線路的安全巡檢過程中承擔著飛行姿態(tài)的控制職責，子系統的敏感性與抗干擾性必須較強，否則就可能致使無人機的飛行狀態(tài)無法更為穩(wěn)定。

3.2 地面數據處理技術

無人機電力線路巡檢工作主要由地面數據處理技術承擔，地面數據處理技術主要是利用巡檢設備中的紅外成像儀、紫外線成像儀或POS系統聯合保證數據傳感器可以發(fā)揮出較強的數據收集與分析功能。地面數據處理技術還能夠對有效信息進行收集與分析，保證生成的數據結果更加精確，具備更強的參考性。

3.3 正射影像采集技術

通常情況下，無人機電力線路安全巡檢系統中的正射影像采集技術需與GPU模型聯合，并以GPU模型為基礎，保證采集技術的數據采集作用可全面發(fā)揮，在對此項技術進行應用時，其最大的技術優(yōu)勢是能讓正射影像采集速度大幅提升，并為航測影像的快速處理提供技術方面的支持。

3.4 線路隱患、缺陷的探測技術

3.4.1 視覺探測技術

視覺探測技術也被稱作為可見光探測技術，一般會被應用在線路隱患和缺陷的探測操作之后。技術操作人員可借助無人機搭載的高清相機與攝像機，對整個巡線過程進行圖片與視頻獲取，與此同時借助信息技術將相關信息數據傳輸給地面基站。此時基站工作人員可直接利用專業(yè)系統對線路的整體情況進行精確分析，需注意的是，視覺探測技術能甄別出電力線路的安全巡檢過程中可能會出現一些顯性故障，如導線斷股、異物懸掛或是桿塔變形等，這對于后期的線路分析工作有著非常重要的指導作用。所以，視覺探測技術必須發(fā)揮出強大的視頻與圖片清晰攝取的功能。

3.4.2 紅外線、紫外線探測技術

紅外熱成像儀在對無人機飛行過程中的表面溫度進行提取時，具備較強的敏感度，能準確測量到無人機表面溫度超過周圍環(huán)境溫度的異常溫升點。因此此設備最大的作用是能依據紅外光譜圖像對無人機飛行器的線路接頭、線夾和絕緣子設備進行溫度監(jiān)控，及時發(fā)現設備在實際運作過程中可能出現的異常發(fā)熱情況，并對發(fā)熱點進行精確定位。紫外熱成像儀在實際應用過程中，還具備接受線路設備放電過程中出現的紫外光訊號功能，同時對無人機電力線路安全巡檢工作進行落實時，技術操作人員可直接配合圖像對系統出現的導線外傷、絕緣子放電及污染等放電等現象進行精確捕捉，尤其是紫外線探測技術被應用在電力線路巡檢過程中時，技術人員必須時時關注太陽光以及人造光源，因其可能會對巡檢工作造成了干擾進行重視，防止因為任何遺漏致使無人機出現飛行安全問題。

3.4.3 激光雷達探測技術

激光雷達探測技術在實際應用過程中，由于激光具備較強的單色性和相關性特征，所以將其應用在無人機電力線路安全巡檢操作步驟中，能發(fā)揮出良好的方向定位功能。伴隨時代發(fā)展，激光技術的使用功能也在不斷擴展，因此其在角度檢測、距離測量以及長度測量過程中，同樣可發(fā)揮出較大的應用價值。通常情況下，連續(xù)波相位式測距技術與脈沖式測距技術最為常用，同時將無人機電力線路巡檢技術與激光雷達技術進行融合，可協助巡檢人員在掃描線路走廊內獲得精確度更高的激光點云數據，保證高分辨率航空數碼影像技術可輔助三維建模工作高精度落實，獲得更好的建模效果。

在電力線路巡檢過程中應用激光雷達技術，還能輔助巡檢人員開展輸電線路與樹木、建筑物的距離測量工作，保證獲得的數據結果更加精確，同時精確定位故障缺陷，為接下來的工作提供指導。無人機電力線路巡檢系統還需得到GPS技術的輔助，尤其是在激光雷達技術應用過程中，GPS巡檢系統能保證數據獲取的準確，保證無人機平臺的任務載荷得到高水平獲取，電力線路GPS巡檢系統安裝的前后比較如下。

巡檢落實：難于落實/必須到現場、巡檢時間可考核；檢測項目規(guī)范：不規(guī)范/規(guī)范；狀態(tài)量化：量化少，感覺多/多，儀器測量；記錄：記錄少/記錄多；交流：不方便/方便；在線幫助：無提示，存在漏檢/在線提示，狀態(tài)判別（貼身助手）；設備維護檔案：無，狀態(tài)趨勢無/有，有狀態(tài)趨勢曲線。

3.5 無線通訊技術

無人機的遙控測量功能、信息傳遞功能以及跟蹤定位服務功能，三種功能的全面發(fā)揮離不開無線通信技術的輔助。為了讓無線通訊技術的作用全面發(fā)揮，在對無人機的遙控測量工作進行組織落實時，應對幾方面進行重視：首先，測量無人機的飛行狀態(tài)，保證無人機在飛行過程中路線精確、過程穩(wěn)定；其次，精確測量無人機設備的相關參數，對無人機系統獲得數據背后的價值被更深入的開發(fā)。還可借助無線電通信技術以及巡檢技術對正在運行采集信息的無人機飛行狀態(tài)進行獲取，并通過地面設備對其進行控制，無人機上裝載的任務荷載傳感器在信息傳輸過程中發(fā)揮著不可替代的作用，能夠讓地面系統對無人機進行跟蹤定位，同時新建技術人員還可及時了解到無人機當前的位置以及任務的完成效果。

如發(fā)現不穩(wěn)定的情況可及時操作系統進行糾正，無人機的巡檢技術由多個系統或技術終端組合而成。同時也橫跨了圖像識別、電子通信以及影像采集等多個技術領域，構建出一個完善科學的無人機巡檢系統，能夠讓巡檢工作的勞動強度得到有效降低，同時大幅縮減巡檢資金與時間成本保證有效提升巡檢工作的落實效率。需注意的是，無人機電力線路安全巡檢系統以及關鍵技術的科學應用與革新，還直接促進了航測技術與電力技術的快速發(fā)展。

綜上，無人機跟蹤定位系統相關功能的有效開發(fā)，能夠讓巡檢技術操作人員隨時隨地掌握無人機飛行的位置以及飛行過程中產生的路線，保證無人機飛行工作狀態(tài)得到有效監(jiān)控，并維護其飛行過程的穩(wěn)定。