无人机电力线路安全巡检系统及关键技术

无人机电力线路安全巡检系统及关键技术

石翔宇武铜壁

（内蒙古电力（集团）有限责任公司巴彦淖尔电业局输电管理处内蒙古巴彦淖尔市015000）

摘要：无人机是当下科技发展的焦点，无人机在应用于电力线路巡检领域是未来无人机发展的重要方向.本文通过对无人机飞行技术进行深入研究，研制出一台在复杂条件下巡检电力线路的无人机，并进行实际工程应用，实验数据表明:该无人机系统设计是合理、可行的.

关键词：电力线路巡检；多传感器集成；无人机

一、巡检系统研究的主要任务

基于遥感技术的电力线路安全巡检系统研究的主要任务包括：（１）研发用于复杂地形条件下的超视距无人机电力线路安全巡检系统装置，集成光学、红外、紫外、激光扫描等传感器，解决电力线路走廊无人机平台安全飞行控制和实时高效数据传输的问题，获取线路设施、杆塔及走廊地物的空间位置、几何及多种影像资料；（２）构建无人机摄影测量与遥感数据处理平台，以及多传感器信息融合处理、信息提取与安全诊断的技术方法、算法和实用软件，实现输电线路和通道安全隐患和异常的快速识别、定位和诊断；（３）开展多批次的无人机平台飞行试验，对无人机电力线路安全巡检系统性能进行验证、改良，并逐渐实现无人机大规模电力线路巡检作业。

二、巡检系统主要组成

2.1无人机平台及多传感器数据获取系统

该子系统是电力线路巡检数据采集获取的主要平台，包括无人机飞行平台、多传感器数据获取系统、稳定平台（伺服系统）、定位定姿系统（下简称POS）、自主预警与避障系统、数据编解码系统等设备。主要设备的组成和功能如下：无人机飞行平台可分为固定翼和旋翼两类，无人机飞行平台负责搭载传感器系统、稳定平台、POS、自主预警与避障系统以及其他必要的机载设备。根据巡检任务、飞行距离、飞行速度等具体要求的不同，应选择不同的飞行平台，例如开展可见光拍摄的快速巡检，可选择小型固定翼无人机平台；又如对每一基杆塔进行包括红外、紫外、可见光等在内的精细巡检，且同时需要具有足够的飞行距离，则应当选择大型的旋翼无人机平台。多传感器数据获取系统的传感器通常可包括光学数码相机、热红外成像仪、紫外成像仪、激光扫描仪等。其中，①光学数码相机用于获取杆塔、电力线、电力线走廊的光学影像，用于销钉缺失、绝缘子爆裂、导地线断股、金具锈蚀缺失等缺陷、隐患的诊断；②热红外成像仪用于输电线路设备红外视频采集，获取金具、电力线以及绝缘子等设备的发热状况；③紫外成像仪用于输电线路设备紫外视频信息采集，用于金具和电力线的异常放电检测；④激光扫描仪用于获取电力线走廊地物的高精度点云数据，可实现电力线与地面障碍物之间距离以及电力线弧垂等数据的检测，生成线路走廊真实三维模型。稳定平台用于隔离无人机飞行作业时飞机的振动和外界环境对平台飞行姿态的扰动，部分稳定平台还具有目标跟踪功能。采用稳定平台能够极大提高目标成像质量，确保获得想要、可用的信息，降低无人机平台控制的技术要求。

2.2地面测控站

地面测控站子系统主要用于无人机飞行过程中飞行状态的监测和控制、飞行的领航、传感器数据获取方式的控制等功能，此外还能对飞行获得的数据进行初步处理。该子系统包括无人机平台地面控制系统、多传感器地面控制系统、数据编解码系统，以及实时数据分析系统等设备。

2.3数据通信链路系统

该子系统是整个系统通信连接的关键设备，包括机载和地面测控站的信号接收／发射设备以及无人机通信中继设备（包括小型无人机载体）等。该子系统主要负责保障地面测控站与无人机飞行平台之间的数据通讯，特别是在地形复杂的山区等通讯条件恶劣的环境下保障无人机与地面之间的可靠通讯。数据链路应首先保证无人机定位定姿数据的实时下传和控制命令的上传，以便完成对无人机工作状态进行跟踪和控制。数据链路的传输速率根据实际需求进行定制，一般在4Mbps～8Mbps的速率下，即可实现视频数据的实时下传，使地面测控人员直观了解飞行现场情况。

2.4地面数据处理系统

该子系统是后期数据处理、存储与应用系统，包括多传感器数据预处理和几何处理系统，基于激光、光学、红外、紫外等多种传感器的电力线路安全巡检智能专家系统以及线路走廊的三维可视化系统等。地面数据处理系统采用摄影测量、遥感的数据处理方法和技术流程，对各种影像、点云、视频、坐标、姿态数据进行高精度几何处理。在此基础上，针对电力线、电塔、走廊地物等及其附属物的特点，通过专家系统的人工智能、模式识别及多种可视化技术，实现输电线路和通道缺陷、隐患的判识、确认，快速定位输电线事故点，实现线路安全状况的及时诊断和故障排查。

2.5各子系统研发要求

各系统的软硬件研发过程中，需遵循相关行业标准规范制定有关技术方案，各子系统间的数据接口采用业界通用的接口规范和文件格式，保证系统的开放性和可扩展性。为保证整体系统的可靠性，各子系统在研发中将根据需要安排充分的分系统测试和试验。在系统集成过程中，需要对系统进行包括车载、有人机载、无人机载在内的模拟试验，尽早发现各类子系统配合缺陷和隐患。系统集成完成后，还要选定多种典型地形条件开展适应性巡检测试，验证系统整体工作能力。

三、大型无人机自动安全飞行技术

3.1实时差分定位

在复杂的地形中，为实现超低空、超视距安全稳定飞行的目标，无人机飞控系统在大多数情况下需要采用制导精度较高的定位导航系统。差分定位就是实现高精度导航定位的技术之一，能够有效提高定位精度。一般来说，差分系统主要包含三个组成部分：基准站接收机、差分流动接收机、差分数据链路。

3.2无人机中继通信

受到地形条件、多径效应、频率、电磁干扰等多方面因素的影响，无人机通讯链路受到限制。针对此问题，人们研究制成了对电力线路进行巡检的无人机数据链路中继系统，使无人机能够长时间、超视距飞行的功能，实时传送通道信号，使得无人机进行电力巡检作业时，能够接收超低空的通信信号。

无人机通讯链路采用无线通讯组网的形式；无人机地空中继链路通信大体上分为2种，一种为中继模式，另一种为无中继模式。在中继模式下，目标无人机与地面接收站通过中继机完成数据信息的通信，而在无中继的模式下，目标机与地面接收站之间直接进行数据信息的交换，确保无人机与地面之间的通讯质量。

无人机的中继链路系统主要可分为：目标机模块、地面站模块、中继机模块等三部分。通过地面站通讯控制软件，可实现界面是可视化、监控各节点的运行状态、手动调整点配置参数，历史数据存储与分析、障碍物的实时报警等。

3.3自主雷达避障

为了在复杂条件下能够超视距、超低空的飞行，无人机需要自主避障且预警。针对上述要求，本文研制了一套多功能、带伺服机构的米波雷达避障系统，提高系统的避开障碍的能力。本文设计该系统检测高压线路导线、铁塔、树木等障碍物，预警功能可以让目标机具有足够多时间进行预警，避障时能够对0.2公里范围内障碍物，实现无人机自动识别、自主避障，遇到障碍物时可实施自主悬停或返航等规避障碍物的相关策略，确保无人机的飞行安全。

3.4飞行计划和航迹规划

无人机需要巡航监测的电路线路条件复杂，在相关作业区域内电力干扰多，对无人的安全飞行是一个较大的威胁，其主要可分为两种情景：（1）巡检航线与电力线路有交叉之处；（2）巡检航线与电力线之间的距离为非安全距离。

参考文献

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[2]吴冰莹，戴礼豪，林朝辉，等.大型无人机在复杂环境下电力巡检研究[J].科技创新导报，2014，2（10）：28-34.

[3]秦志勇,刘华,项兴尧.无人机电力线路安全巡检系统及关键技术[J].中国科技纵横,2017(22).