無人機電力自主巡檢技術應用與分析

張昊洋，張國春，秦志勇

（國網(wǎng)北京市電力公司平谷供電公司，北京 平谷 101200）

在當今國民經(jīng)濟快速發(fā)展與電能用量屢創(chuàng)新高的形勢下，電力供應的安全穩(wěn)定有了更高標準的要求。傳統(tǒng)的輸電線路人工巡檢的模式暴露出效率較低，人員安全保障困難等問題。因此，電力巡檢向自動化和智能化發(fā)展是必然趨勢。無人機巡檢不僅效率高，還能保證人員安全性，可實現(xiàn)自動化、智能化作業(yè)，大幅提升電網(wǎng)運行的可靠性，保障電網(wǎng)的運行安全。

1 無人機電力線路自主巡檢的實現(xiàn)

1.1 輸電線路桿塔及部件空間位置獲取

無人機自主巡檢，須要使用激光雷達設備獲取輸電線路桿塔、導線及相關部件高精度空間位置數(shù)據(jù)。根據(jù)輸電線路桿塔已有固定坐標，進行無人機激光雷達掃描作業(yè)航線規(guī)劃。掃描作業(yè)航線須充分考慮到無人機單架次續(xù)航，信號接收距離等影響因素。利用帶北斗RTK厘米級定位精度的多旋翼無人機系統(tǒng)搭載三維激光雷達設備按照預定航線進行輸電線路本體及通道的掃描，獲取輸電線路空間位置坐標，并用專業(yè)軟件數(shù)據(jù)解算，形成通道三維點云數(shù)據(jù)模型，如圖1所示。

圖1 無人機激光雷達系統(tǒng)

輸電線路無人機激光掃描覆蓋寬度不小于100 m，同時激光點云平均密度不低于400點/m2。塔線結構完整，桿塔、絕緣子、導地線及掛點、塔基輪廓應完整、清晰，滿足應用需求。

1.2 自主巡檢航線規(guī)劃

基于桿塔本體高精度三維點云模型設置無人機自主巡檢航點。根據(jù)需要拍攝桿塔或導線的位置合理的規(guī)劃航點位置，每個航點都為高精度POS數(shù)據(jù)，包括經(jīng)度、緯度、高程、云臺拍攝角度等信息。無人機自主巡檢航點必須按照巡檢既定順序嚴格執(zhí)行，錯誤的執(zhí)行順序可能導致觸線事故發(fā)生。

航點位置坐標為WGS84坐標系統(tǒng)下的經(jīng)度、緯度、海拔高度。飛行平臺航向角優(yōu)先以RTK所記錄的航向角為參考標準。云臺俯仰角為云臺與水平面的夾角。規(guī)劃完成的自主精細化巡檢航點，須人工復核進行微調(diào)，調(diào)整后的航點上傳到無人機就可根據(jù)生成的航線自主執(zhí)行精細化巡檢任務，如圖2所示。

圖2 自主巡檢單塔航線規(guī)劃

1.3 試驗飛行與航線調(diào)整

無人機自主巡檢試驗飛行，須在現(xiàn)場實際桿塔實驗已規(guī)劃航線的合理性。根據(jù)三維點云模型所規(guī)劃的航線為計算機內(nèi)業(yè)操作，現(xiàn)場實際情況無法充分考慮全面。試驗飛行時人員須實時觀察無人機所處位置及環(huán)境情況，確保無人機不出現(xiàn)意外情況。試驗飛行時所拍攝的巡檢照片須要滿足巡檢要求，桿塔、絕緣子、導地線及掛點、塔基輪廓應完整、清晰，對不滿足要求的航點根據(jù)現(xiàn)場飛行實際情況進行數(shù)據(jù)調(diào)整，如圖3所示。

圖3 點云數(shù)據(jù)采集及處理流程圖

2 無人機電力線路自主巡檢的關鍵技術

2.1 激光雷達探測技術

激光雷達（LiDAR）探測技術是一種通過設備自主發(fā)射激光實現(xiàn)反射波測距和定位的技術，它利用被測物體表面的光反射特性來獲取被測物體空間位置、徑向速度等定位信息，從而實現(xiàn)對被測物體的識別，是一種主動式遙感技術。激光雷達探測技術融合了激光測距、姿態(tài)測量、差分定位等多個先進技術，能實現(xiàn)對大范圍被測物體的精確三維數(shù)據(jù)的快速獲取，具備高精度、高自動化程度的特點，其數(shù)據(jù)能快速生成DSM數(shù)字表面模型、DEM數(shù)字高程模型以及DOM數(shù)字正射影像。

激光雷達探測技術在電力線路自主巡檢工作中的主要作用是獲取電力線路及周邊環(huán)境精確空間位置信息，為后續(xù)無人機自主巡檢航線規(guī)劃工作提供精確的位置信息，同時也可以對電力線路附近建筑、樹木以及交叉跨越物體的精確距離進行獲取，進行線路隱患分析。

2.2 無人機飛行姿態(tài)控制技術

無人機電力線路自主巡檢主要采用的是微型無人機，其重量輕，抗風性能較弱。在進行野外電力線路自主巡檢時，易受天氣及地理環(huán)境的影響。因此能夠穩(wěn)定控制無人機飛行姿態(tài)，確保在自主巡檢時能夠按照預先設定的航線執(zhí)行任務是至關重要的。現(xiàn)階段無人機飛控技術還處于不斷發(fā)展的階段，也是無人機自主巡檢技術的重點研究方向。

2.3 無線通信技術

無人機電力線路自主巡檢中無線通信技術是至關重要的，無人機飛行的數(shù)據(jù)傳輸和無人機拍攝的圖像傳輸都須要依靠無線通信技術。為了實時獲取無人機飛行狀態(tài)、向無人機發(fā)送任務信號并獲取回傳圖像和視頻，地面操控人員和自主巡檢無人機須要進行實時雙向通信。由于輸電線路所處地區(qū)環(huán)境復雜，自然及人為干擾因素較多，無線通信技術須要具有較高的帶寬和穩(wěn)定性，并且具有較強的抗干擾能力，確保地面遙控器及工作站與無人機的通信質(zhì)量。

2.4 無人機航跡規(guī)劃技術

無人機自主飛行最關鍵的就是航跡規(guī)劃，它是確保無人機能夠安全完成任務的根本?；镜暮桔E規(guī)劃主要是3個部分：第一充分結合實際現(xiàn)場環(huán)境影響，進行飛行航跡的初步規(guī)劃；第二利用優(yōu)化搜索算法計算出最佳航跡；第三進行航跡平滑處理。在進行航跡規(guī)劃時須要考慮無人機自身性能約束，還要考慮任務需求及環(huán)境約束。目前已知環(huán)境下的靜態(tài)航跡規(guī)劃技術研究已經(jīng)相對成熟，研究技術被廣泛應用，但對無人機自身狀態(tài)等約束不能更好處理，所以航跡規(guī)劃技術還須要不斷地完善。

2.5 圖像數(shù)據(jù)分析處理技術

目前無人機自主巡檢主要是在固定點位拍攝輸電線路桿塔及設備的照片并進行回傳，地面服務器通過對照片圖像分析處理進行線路的檢查，來獲取輸電線路健康狀況并識別缺陷或故障點。因此圖像數(shù)據(jù)分析的準確度就極其重要，它可以有效減少人工識別圖像數(shù)據(jù)的勞動強度。影響圖像數(shù)據(jù)分析識別準確度的主要原因有圖像的拍攝角度，圖像的清晰度，識別算法的精準度以及AI識別的學習程度，每一個部分的處理精準度都會影響整個圖像數(shù)據(jù)分析處理的準確性，都不可小覷。現(xiàn)階段圖像數(shù)據(jù)自動識別對比較明顯的缺陷識別準確率高，但對于微小部件的識別精度相對較低，因此圖像數(shù)據(jù)分析處理技術還有更大的發(fā)展空間。

3 存在的問題

無人機電力自主巡檢目前還處于穩(wěn)步發(fā)展階段，在實際應用過程中，還面臨著多種復雜問題有待解決。輸電線路巡檢中，無人機的續(xù)航時間較短，巡檢一基桿塔就須要對電池進行更換。在光線較為充足的情況下，無人機的避障識別系統(tǒng)受干擾較強，經(jīng)常性發(fā)生無人機原地懸停，造成巡檢任務無法進行的情況。隨著飛行控制、圖像識別、電池儲能、移動通信等核心技術的進一步完善與突破，現(xiàn)階段的問題也會迎刃而解，無人機自主巡檢也將會邁向更高層次。

4 結束語

隨著科學技術的不斷更新，電力巡檢智能化發(fā)展是必然趨勢，未來將解決一系列無人機自主巡檢技術難點。通過人工智能、大數(shù)據(jù)、5G通信、物聯(lián)網(wǎng)等新興技術的廣泛應用，實現(xiàn)無人機全天候、全自主智能化巡檢，并實現(xiàn)缺陷及故障的精準化識別。通過精益化管理，智能化運檢，改變傳統(tǒng)輸電運檢模式，提高巡檢效率，開創(chuàng)輸電運檢新局面。