無(wú)人機(jī)巡檢智能管理系統(tǒng)在電網(wǎng)巡檢作業(yè)中的設(shè)計(jì)及運(yùn)用研究

國(guó)網(wǎng)揚(yáng)州供電公司 朱翔宇 林芝茂

1 引言

定期開展電網(wǎng)巡檢才能夠保障電力系統(tǒng)輸電安全，無(wú)人機(jī)巡檢智能管理系統(tǒng)則為電網(wǎng)巡檢作業(yè)提供了新的平臺(tái)和技術(shù)，便于巡檢人員開展對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)的安全、快速、全面巡檢，具有十分廣闊的應(yīng)用及研究前景[1]。此外，無(wú)人機(jī)巡檢智能管理系統(tǒng)在完成常規(guī)電網(wǎng)巡檢作業(yè)的基礎(chǔ)上，能夠通過(guò)智能任務(wù)規(guī)劃及分析診斷功能持續(xù)提高電網(wǎng)巡檢作業(yè)質(zhì)量及技術(shù)水平，從而推動(dòng)電網(wǎng)巡檢作業(yè)向自動(dòng)化、電力化、綜合化方向發(fā)展，最終創(chuàng)造更為顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

2 電網(wǎng)巡檢作業(yè)無(wú)人機(jī)類型選擇

無(wú)人機(jī)為通過(guò)無(wú)線遙控器及程序控制的、能夠?qū)崿F(xiàn)自主導(dǎo)航及飛行的飛行器，根據(jù)結(jié)構(gòu)形式可以劃分為無(wú)人直升機(jī)、多旋翼無(wú)人機(jī)以及固定翼無(wú)人機(jī)3類，不同類型無(wú)人機(jī)在電網(wǎng)巡檢作業(yè)中的應(yīng)用場(chǎng)景及應(yīng)用特征存在差異。

無(wú)人直升機(jī)包括小型機(jī)、中型機(jī)兩類，應(yīng)用優(yōu)勢(shì)包括支持空中懸停及垂直起降，便于拍攝固定物體[2]；航行速度較快，最大為100km/h；載重量大，便于搭載大型裝置。

應(yīng)用不足包括航行時(shí)間有限、對(duì)起降場(chǎng)地要求較高，不適合長(zhǎng)距離電網(wǎng)巡檢作業(yè)；如果電網(wǎng)規(guī)劃未能留出足夠巡檢作業(yè)空域，會(huì)因視覺(jué)盲點(diǎn)、空域不足等原因?qū)е聼o(wú)法起飛。無(wú)人直升機(jī)普遍應(yīng)用于精細(xì)化、多任務(wù)、中距離電網(wǎng)巡檢作業(yè)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于電力系統(tǒng)及電力設(shè)備的細(xì)節(jié)診斷和故障分析[3]。

多旋翼無(wú)人機(jī)包括四旋翼無(wú)人機(jī)、六旋翼無(wú)人機(jī)以及八旋翼無(wú)人機(jī)3類，應(yīng)用優(yōu)勢(shì)包括結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易、不占用航道，無(wú)須申請(qǐng)專門的巡檢作業(yè)空域；對(duì)起降場(chǎng)地要求較低，無(wú)須任何輔助裝置便可實(shí)現(xiàn)隨時(shí)起飛降落[4]；支持近距拍攝，能夠獲取高清實(shí)時(shí)影像。應(yīng)用不足包括動(dòng)力較小、自重較輕，需要在特定載重條件下飛行；續(xù)航時(shí)間較短；航行速度較慢；容易受惡劣天氣影響。

多旋翼無(wú)人機(jī)普遍應(yīng)用于短距離電網(wǎng)巡檢作業(yè)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于電力系統(tǒng)及電力設(shè)備故障的細(xì)節(jié)化、定點(diǎn)式觀察。固定翼無(wú)人機(jī)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)包括機(jī)動(dòng)性較高、航行速度較快，適合長(zhǎng)距離電網(wǎng)巡檢作業(yè)；載重量大；反應(yīng)速度較快。應(yīng)用不足包括：不支持近距拍攝、空中懸停，不適合精細(xì)化電網(wǎng)巡檢作業(yè)。固定翼無(wú)人機(jī)普遍應(yīng)用于大范圍、長(zhǎng)距離輸電線路通道走廊巡檢作業(yè)[5]，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于電力系統(tǒng)周邊建筑空間的重點(diǎn)檢測(cè)?？紤]到3類無(wú)人機(jī)均具備明顯應(yīng)用優(yōu)勢(shì)及不足，在開展電網(wǎng)巡檢作業(yè)時(shí)一般選擇同時(shí)應(yīng)用2類無(wú)人機(jī)。例如，無(wú)人直升機(jī)和固定翼無(wú)人機(jī)、固定翼無(wú)人機(jī)和多旋翼無(wú)人機(jī)，以此實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，滿足更多電網(wǎng)巡檢作業(yè)要求。

3 無(wú)人機(jī)電網(wǎng)巡檢作業(yè)智能管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

3.1 系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)

本次設(shè)計(jì)由無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信鏈路系統(tǒng)、地面數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)4部分構(gòu)成的無(wú)人機(jī)電網(wǎng)巡檢作業(yè)智能管理系統(tǒng)。

3.2 無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)

無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)包括自穩(wěn)云臺(tái)、飛行動(dòng)力系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)、自主避障系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及POS系統(tǒng)（定位定姿系統(tǒng)）等。不同類型無(wú)人機(jī)的飛行動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)成存在差異，例如，多旋翼無(wú)人機(jī)的飛行動(dòng)力系統(tǒng)包括槳葉、機(jī)架、無(wú)刷電機(jī)以及動(dòng)力能源（電力資源、航空煤油資源）。

飛行控制系統(tǒng)包括地面控制平臺(tái)、機(jī)載控制器，機(jī)載控制器則包括傳感器、飛行控制計(jì)算機(jī)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)。傳感器收集和測(cè)量無(wú)人機(jī)飛行參數(shù)（高度、速度、航向）；飛行控制計(jì)算機(jī)根據(jù)地面控制平臺(tái)指令計(jì)算分析無(wú)人機(jī)飛行參數(shù)，并且以機(jī)器碼的形式將計(jì)算分析結(jié)果發(fā)送至執(zhí)行機(jī)構(gòu)；執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)地面控制平臺(tái)指令完成無(wú)人機(jī)飛行調(diào)整及控制。

傳感器無(wú)人機(jī)飛行參數(shù)收集和測(cè)量具體流程如下：通過(guò)安裝在相互垂直位置處的3個(gè)角速率陀螺儀測(cè)量三軸方向的角速度；對(duì)測(cè)量得到的角速度進(jìn)行積分換算；通過(guò)加速度姿態(tài)傳感器開展對(duì)傳感器輸出信號(hào)的去噪處理，以此修正傳感器漂移問(wèn)題；從而計(jì)算出無(wú)人機(jī)旋轉(zhuǎn)角度?，F(xiàn)以飛行高度為例，進(jìn)一步設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)飛行參數(shù)收集和測(cè)量流程，飛行高度需要通過(guò)環(huán)境大氣壓強(qiáng)獲得，環(huán)境大氣壓強(qiáng)具體收集和測(cè)量流程如圖1所示。

圖1 環(huán)境大氣壓強(qiáng)收集和測(cè)量流程

在此基礎(chǔ)上，將環(huán)境大氣壓強(qiáng)設(shè)置為P、無(wú)人機(jī)飛行高度設(shè)置為H，兩者的關(guān)系：

T0為熱力學(xué)溫度，L為氣壓高度差，P0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，R為常數(shù)（取值為8.51），m為氣體分子量，g為重力加速度。現(xiàn)以標(biāo)準(zhǔn)海平面為基本平面，可以得到無(wú)人機(jī)飛行高度每增加8.5m環(huán)境大氣壓強(qiáng)便下降100Pa的結(jié)語(yǔ)，由此可以得到無(wú)人機(jī)飛行高度計(jì)算如式：

例如，現(xiàn)為小型六旋翼無(wú)人機(jī)搭建飛行平臺(tái)，選擇應(yīng)用M600 pro飛行平臺(tái)，搭載了3套GNSS模塊和IMU模塊，設(shè)置了陀螺儀、GPS、氣壓計(jì)等多種類型傳感器，支持懸停模式、自穩(wěn)模式等多種飛行模式，垂直方向懸停精度為0.5m，水平方向懸停精度為1.5m。配合電網(wǎng)巡檢作業(yè)智能管理軟件，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)于輸電線路三維點(diǎn)的云解算及測(cè)量分析，對(duì)于輸電線路交叉跨越的觀察分析，對(duì)于高溫、風(fēng)偏、覆冰等輸電線路運(yùn)行工況的模擬檢測(cè)，對(duì)于相間距的測(cè)量分析，對(duì)于弧垂、溫度等三維激光數(shù)據(jù)的測(cè)量分析及處理應(yīng)用。

3.3 多傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

多傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)獲取設(shè)備、自穩(wěn)云臺(tái)、POS系統(tǒng)。數(shù)據(jù)獲取設(shè)備采集機(jī)載成像設(shè)備航攝數(shù)據(jù)，包括采集輸電線路及架設(shè)桿塔光學(xué)影像的光學(xué)相機(jī)、采集輸電線路均壓環(huán)及絕緣子發(fā)熱狀況的紅外熱像儀等。自穩(wěn)云臺(tái)搭載數(shù)據(jù)獲取設(shè)備，同時(shí)通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)對(duì)航攝俯仰角度進(jìn)行控制，通過(guò)三軸自穩(wěn)防抖功能減少無(wú)人機(jī)飛行振動(dòng)。

POS系統(tǒng)向地面控制平臺(tái)回傳無(wú)人機(jī)飛行參數(shù)，并且隔離對(duì)無(wú)人機(jī)飛行影響較大的外部擾動(dòng)，為無(wú)人機(jī)飛行成像過(guò)程提供補(bǔ)償參數(shù)。

3.4 數(shù)據(jù)通信鏈路系統(tǒng)

數(shù)據(jù)通信鏈路系統(tǒng)包括機(jī)載信號(hào)發(fā)射與接收裝置、地面站信號(hào)發(fā)射與接收裝置，用于完成無(wú)人機(jī)和地面站的數(shù)據(jù)通信，并且滿足惡劣通信環(huán)境、強(qiáng)電磁干擾環(huán)境的通信要求。

3.5 地面數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

地面數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)包括智能診斷系統(tǒng)、幾何處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)預(yù)處理系統(tǒng)等，對(duì)無(wú)人機(jī)航拍數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)處理分析，在此基礎(chǔ)上結(jié)合輸電線路運(yùn)行特征完成故障定位、隱患排查、缺陷分析等作業(yè)。

4 無(wú)人機(jī)電網(wǎng)巡檢作業(yè)智能管理系統(tǒng)運(yùn)用分析

4.1 電網(wǎng)巡檢基礎(chǔ)流程

本次設(shè)計(jì)的無(wú)人機(jī)電網(wǎng)巡檢作業(yè)智能管理系統(tǒng)基礎(chǔ)運(yùn)行流程如下：無(wú)人機(jī)自主獲取輸電線路GPS地理坐標(biāo)信息并且實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航；通過(guò)機(jī)載成像設(shè)備識(shí)別及拍攝輸電線路及其架設(shè)桿塔；通過(guò)數(shù)據(jù)通信鏈路系統(tǒng)將實(shí)時(shí)采集的位置信息、圖像信息及無(wú)人機(jī)飛行信息上傳至地面站；地面數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)自動(dòng)接收并保存無(wú)人機(jī)傳輸信息，根據(jù)信息實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)自主飛行的有效控制，根據(jù)信息在線處理及分析結(jié)果對(duì)輸電線路潛在故障及安全隱患進(jìn)行判斷排查，隨后由巡檢人員進(jìn)行人工篩選排查獲得電網(wǎng)巡檢結(jié)果。

4.2 電網(wǎng)巡檢模式分析

4.2.1 手動(dòng)電網(wǎng)巡檢

手動(dòng)電網(wǎng)巡檢對(duì)于無(wú)人機(jī)電網(wǎng)巡檢作業(yè)智能管理系統(tǒng)而言較為簡(jiǎn)單，通過(guò)無(wú)線遙控器及地面站便能實(shí)現(xiàn)，具體運(yùn)行流程如下：通過(guò)遙控器、地面站實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面完成對(duì)于無(wú)人機(jī)運(yùn)行（起降、變速、變向）的控制，使得機(jī)載成像設(shè)備能夠完成近距拍攝、定點(diǎn)拍攝等動(dòng)作。

4.2.2 一鍵電網(wǎng)巡檢

一鍵電網(wǎng)巡檢為無(wú)人機(jī)電網(wǎng)巡檢作業(yè)智能管理系統(tǒng)的關(guān)鍵電網(wǎng)巡檢模式，即通過(guò)北斗衛(wèi)星系統(tǒng)及算法控制無(wú)人機(jī)按照設(shè)定好的關(guān)鍵坐標(biāo)點(diǎn)完成自主飛行，同時(shí)在飛行過(guò)程中自主躲避障礙物、自主完成檢測(cè)拍攝動(dòng)作。

一鍵電網(wǎng)巡檢具體運(yùn)行流程如下：通過(guò)搭載RTK差分技術(shù)的高精度定位裝置規(guī)劃無(wú)人機(jī)電網(wǎng)巡檢路徑，確保無(wú)人機(jī)在復(fù)雜地理環(huán)境中也能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)定位；根據(jù)無(wú)人機(jī)電網(wǎng)巡檢路徑規(guī)劃無(wú)人機(jī)電網(wǎng)巡檢流程，獲得無(wú)人機(jī)飛行路徑點(diǎn)，確定無(wú)人機(jī)自主飛行關(guān)鍵坐標(biāo)點(diǎn)，確保無(wú)人機(jī)可以實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)飛行；地面站根據(jù)無(wú)人機(jī)飛行情況及電網(wǎng)巡檢要求刪除不合理、不科學(xué)路徑點(diǎn)，并且對(duì)各個(gè)路徑點(diǎn)的相對(duì)位置關(guān)系進(jìn)行逐一校，確保無(wú)人機(jī)電網(wǎng)巡檢路徑不會(huì)出現(xiàn)交叉、重復(fù)問(wèn)題；根據(jù)無(wú)人機(jī)飛行時(shí)間、飛行距離配置無(wú)人機(jī)電源，確保無(wú)人機(jī)飛行能力可以達(dá)到一鍵電網(wǎng)巡檢要求。

某地區(qū)選擇根據(jù)基桿塔情況設(shè)計(jì)配電網(wǎng)架空線路無(wú)人機(jī)巡檢路徑，具體流程如下：劃分輸電線路架設(shè)桿塔類型，將連續(xù)跨度等于0基桿塔的塔桿設(shè)置為A類型，跨度小于2基桿塔的桿塔設(shè)置為B類型，跨度大于2基桿塔的桿塔設(shè)置為C類型；根據(jù)輸電線路架設(shè)桿塔類型調(diào)整無(wú)人機(jī)自主飛行關(guān)鍵坐標(biāo)點(diǎn)，略去A類型桿塔中間桿塔降落點(diǎn)，順次連接前號(hào)桿塔的后序連接點(diǎn)、后序桿塔的前序連接點(diǎn)，將降落點(diǎn)設(shè)置為基桿塔降落點(diǎn)；補(bǔ)全B類型塔桿中間缺失的桿塔，隨后重新規(guī)劃無(wú)人機(jī)巡檢路徑，刪除中間缺失桿塔的路徑點(diǎn)；選擇桿塔最高點(diǎn)上方15m位置處為前后序連接點(diǎn)，順次連接前后桿塔的前后序連接點(diǎn)。

根據(jù)三維坐標(biāo)空間可以得到無(wú)人機(jī)水平飛行距離計(jì)算表達(dá)式、無(wú)人機(jī)垂直飛行距離計(jì)算表達(dá)式以及無(wú)人機(jī)飛行時(shí)間計(jì)算表達(dá)式：

計(jì)算無(wú)人機(jī)飛行時(shí)間、飛行距離，判斷無(wú)人機(jī)飛行能力是否可以達(dá)到此次電網(wǎng)巡檢作業(yè)要求；無(wú)人機(jī)飛行距離即為起飛點(diǎn)到結(jié)束點(diǎn)所有路徑點(diǎn)的距離總和。

5 結(jié)語(yǔ)

無(wú)人機(jī)巡檢智能管理系統(tǒng)切實(shí)提高了電網(wǎng)巡檢作業(yè)質(zhì)量，通過(guò)系統(tǒng)化設(shè)計(jì)、自動(dòng)化結(jié)合手動(dòng)化實(shí)踐優(yōu)化了電網(wǎng)巡檢資源配置，便于為后續(xù)電力系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)提供準(zhǔn)確信息。具體來(lái)講，電網(wǎng)巡檢作業(yè)時(shí)一般選擇同時(shí)應(yīng)用無(wú)人直升機(jī)、多旋翼無(wú)人機(jī)、固定翼無(wú)人機(jī)中的2類無(wú)人機(jī)，在此基礎(chǔ)上按照無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)、多傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信鏈路系統(tǒng)、地面數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)電網(wǎng)巡檢作業(yè)智能管理系統(tǒng)，從而完成手動(dòng)電網(wǎng)巡檢和一鍵電網(wǎng)巡檢，實(shí)現(xiàn)高效電網(wǎng)巡檢。