現(xiàn)有的電力系統(tǒng)主要由四個(gè)部分組成，分別是發(fā)電、輸電、配電和用電，任意一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題都會(huì)影響整個(gè)電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。輸電部分的線路主要有電纜線路和架空線路兩種，不同于電纜線路主要分布在城市企業(yè)、醫(yī)院等地，檢修起來(lái)較為方便，架空線路通常分布在野外、山區(qū)等人跡罕至的地方，甚至分布在峭壁、雪山等惡劣的自然環(huán)境中，若是出現(xiàn)輸電線老化、斷股或絕緣子損壞等情況，則經(jīng)常會(huì)因?yàn)闊o(wú)法及時(shí)檢修而導(dǎo)致電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障，從而造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失[1-5] 。

　　傳統(tǒng)的電力巡檢主要依靠專業(yè)的巡檢人員前往現(xiàn)場(chǎng)對(duì)輸電線路進(jìn)行排查和檢修，一方面，這樣的人工巡檢效率較低，耗時(shí)較長(zhǎng);另一方面，野外復(fù)雜地形的設(shè)備運(yùn)輸和高空作業(yè)的安全保障等都面臨嚴(yán)峻考驗(yàn)。因此，電力巡檢亟需向智能化和自動(dòng)化方向發(fā)展[6-7] 。

　　為了解決上述問(wèn)題，無(wú)人機(jī)越來(lái)越多地應(yīng)用于電力巡檢解決方案中，其體型小、重量輕，且具有較強(qiáng)的靈活性和自主性，可以較好地實(shí)現(xiàn)對(duì)架空輸電線路的全方位檢查。巡檢用無(wú)人機(jī)主要分為三類：無(wú)人直升機(jī)、固定翼無(wú)人機(jī)和多旋翼無(wú)人機(jī)。其中，無(wú)人直升機(jī)具有優(yōu)越的性能，具備續(xù)航久、可懸停和穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但是造價(jià)和耗費(fèi)相對(duì)較高，一般用于特殊自然災(zāi)害救援等情況;固定翼無(wú)人機(jī)可以飛行較遠(yuǎn)距離，速度快且較為穩(wěn)定，但不能懸停，靈活性較差，適用于大面積輸電網(wǎng)絡(luò)的巡查;多旋翼無(wú)人機(jī)機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，靈活度高，具有較高的性價(jià)比，但續(xù)航能力一般，抗風(fēng)能力較差，對(duì)氣象條件要求較高，適用于局部的精細(xì)檢查以及復(fù)雜地理環(huán)境下的巡檢任務(wù)[8-9] 。

　　萬(wàn)琪等人提出了電力巡檢中無(wú)人機(jī)的數(shù)據(jù)鏈路覆蓋增強(qiáng)技術(shù)，對(duì)數(shù)據(jù)鏈的通信技術(shù)進(jìn)行了升級(jí)，提升了通信系統(tǒng)的飛行控制和數(shù)據(jù)回傳的可靠性[10] 。王亞萍等人提出了一種可見(jiàn)光圖像中的輸電線路缺陷診斷方法，可自動(dòng)診斷電力線路上可能存在的斷股、異物附著等缺陷[11] 。陽(yáng)一雄等人則研究了六翼無(wú)人機(jī)搭載紅外測(cè)溫儀在電力巡線中的應(yīng)用，采用測(cè)溫分析方法診斷電力線路中的缺陷與故障[12] 。彭向陽(yáng)等人設(shè)計(jì)研發(fā)了一套無(wú)人直升機(jī)多傳感器電力安全巡檢系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了電力線路的安全巡檢和智能診斷，提高了電力巡檢的效率[13] 。

　　本文提出了一套無(wú)人機(jī)電力巡檢系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人機(jī)對(duì)指定任務(wù)的自動(dòng)巡線，并結(jié)合4G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行高帶寬傳輸，完成無(wú)人機(jī)與地面服務(wù)器之間的通信與數(shù)據(jù)交換，包括指令信號(hào)和回 傳 圖 片、視 頻 等 ，最 高 支 持流 暢、穩(wěn) 定 傳 輸 1 080p60i全高清視頻，保證故障檢測(cè)的實(shí)時(shí)性。該系統(tǒng)還利用無(wú)人機(jī)拍攝回傳的可見(jiàn)光圖像、原始紅外圖像以及相機(jī)校準(zhǔn)參數(shù)，實(shí)時(shí)進(jìn)行溫度校準(zhǔn)分析，并支持自動(dòng)分析與人工定點(diǎn)分析功能，以保證故障檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

　　1 無(wú)人機(jī)電力巡檢技術(shù)簡(jiǎn)介

　　在無(wú)人機(jī)電力巡檢任務(wù)中，除了對(duì)無(wú)人機(jī)本身的品質(zhì)有一定的要求外，整個(gè)系統(tǒng)中的各個(gè)模塊也有各自的技術(shù)特點(diǎn)和難點(diǎn)，每一個(gè)模塊都直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的巡檢效率和精度。

　　1.1 巡線及避障技術(shù)無(wú)人機(jī)在執(zhí)行既定電力巡檢任務(wù)時(shí)，需要準(zhǔn)確地按照任務(wù)路線進(jìn)行飛行，躲避線路上可能存在或突然出現(xiàn)的障礙物，并在躲避結(jié)束后及時(shí)回歸到任務(wù)路線上繼續(xù)巡檢。目前的無(wú)人機(jī)巡線技術(shù)主要通過(guò)GPS定位及導(dǎo)航技術(shù)、基于攝像的視覺(jué)技術(shù)等結(jié)合應(yīng)用實(shí)現(xiàn)，但在飛行過(guò)程中易受到如惡劣天氣造成無(wú)人機(jī)姿態(tài)異常等因素影響，導(dǎo)致視覺(jué)技術(shù)的識(shí)別率下降。避障技術(shù)主要通過(guò)視覺(jué)技術(shù)、紅外探測(cè)技術(shù)和聲吶探測(cè)技術(shù)等結(jié)合應(yīng)用實(shí)現(xiàn)，但對(duì)于較大或者移動(dòng)速度較快的障礙物，無(wú)人機(jī)可能會(huì)因?yàn)閬?lái)不及躲避而損壞。因此，無(wú)人機(jī)自身以及掛載設(shè)備的硬件品質(zhì)和各種軟件技術(shù)都需要進(jìn)一步提升，以保證無(wú)人機(jī)在巡檢任務(wù)中的安全性和穩(wěn)定性。

　　1.2 無(wú)人機(jī)姿態(tài)控制技術(shù)無(wú)人機(jī)通常質(zhì)量輕、體型小，在巡檢任務(wù)飛行過(guò)程中容易受到惡劣天氣的影響而失去平衡，甚至墜毀，同時(shí)，無(wú)人機(jī)姿態(tài)的正常與否也影響著巡線、避障和故障檢測(cè)的準(zhǔn)確性。目前無(wú)人機(jī)的姿態(tài)控制技術(shù)主要依賴安裝在無(wú)人機(jī)上的飛行控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)無(wú)人機(jī)姿態(tài)發(fā)生異常時(shí)，飛行控制器將根據(jù)當(dāng)前無(wú)人機(jī)的具體姿態(tài)、線速度、角速度和加速度等對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行動(dòng)作調(diào)整，幫助無(wú)人機(jī)回歸到正常的飛行狀態(tài)，保證巡檢任務(wù)的正常執(zhí)行。

　　1.3 無(wú)線通信技術(shù)執(zhí)行巡檢任務(wù)時(shí)，無(wú)人機(jī)需要與地面服務(wù)器保持實(shí)時(shí)的無(wú)線連接，以保證可以實(shí)時(shí)回傳無(wú)人機(jī)的狀態(tài)信息、任務(wù)信息和所拍攝的圖像、視頻等數(shù)據(jù)文件，以及接收地面服務(wù)器發(fā)送的控制信號(hào)并給予反饋等。但電力巡檢的環(huán)境往往十分復(fù)雜，且充滿變化和不確定因素，系統(tǒng)的無(wú)線通信技術(shù)需要具備很強(qiáng)的抗干擾能力，以及足夠的傳輸速度和帶寬來(lái)支撐實(shí)時(shí)信息傳輸甚至巡視高清視頻的直播，以保證整個(gè)電力巡檢任務(wù)完成的及時(shí)性和穩(wěn)定性。

　　2 無(wú)人機(jī)電力巡檢系統(tǒng)

　　應(yīng)用于輸電線路巡檢的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)部分：無(wú)人機(jī)及其飛控平臺(tái)、通信與數(shù)據(jù)傳輸模塊、測(cè)溫分析與故障檢測(cè)模塊、數(shù)據(jù)文件管理模塊以及地面服務(wù)器等。無(wú)人機(jī)電力巡檢系統(tǒng)流程如圖1所示。

　　2.1 無(wú)人機(jī)及其飛控平臺(tái)本系統(tǒng)中，主要采用大疆公司經(jīng)緯系列行業(yè)M210 RTK 四旋翼無(wú)人機(jī)，如圖2和圖3所示，掛載FLIR公司雙光熱成像相機(jī)作為測(cè)溫相機(jī)，其具備1 200萬(wàn)像素鏡頭，并支持4K 高清可見(jiàn)光JPEG照片，TIFF、R-JPEG圖像以及MOV、MP4 視頻等。

　　2.2 通信與數(shù)據(jù)傳輸模塊在執(zhí)行輸電線路巡檢任務(wù)的過(guò)程中，無(wú)人機(jī)需要與地面服務(wù)器保持實(shí)時(shí)連接，一方面，地面服務(wù)器要獲取無(wú)人機(jī)的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息，并發(fā)送相應(yīng)的控制信號(hào)指揮無(wú)人機(jī)進(jìn)行下一步動(dòng)作;另一方面，無(wú)人機(jī)拍攝、采集到的圖像和視頻等數(shù)據(jù)需要回傳給地面服務(wù)器進(jìn)行直播、保存和分析等。本系統(tǒng)的視頻傳輸設(shè)備如圖4所示，為Altera公司可編程邏輯器件搭載Fujitsu公司編碼芯片實(shí)現(xiàn)的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備，分為傳輸模塊和供電模塊兩部分。

　　2.3 測(cè)溫分析與故障檢測(cè)模塊輸電線路中的故障往往伴隨著異常高溫，尤其是線夾、絕緣子上的掛環(huán)和防振錘等金具，通過(guò)對(duì)這些異常高溫的檢測(cè)可以發(fā)現(xiàn)輸電線路中的安全隱患或者存在的缺陷等。一般的紅外成像設(shè)備采用輻射測(cè)溫法計(jì)算物體溫度，通過(guò)接收到的目標(biāo)輻射的紅外能量值計(jì)算目標(biāo)的溫度。但紅外成像設(shè)備一般使用黑體輻射源(發(fā)射率近似為1，發(fā)射率為物體表面單位面積上輻射出的輻通量與同溫度下黑體輻射出的輻通量的比值)分度，實(shí)際上目標(biāo)的發(fā)射率通常小于1，導(dǎo)致所生成的熱度圖像中測(cè)量溫度值偏離目標(biāo)的表面實(shí)際溫度[14] 。

　　3 結(jié)語(yǔ)

　　本文提出了一套基于無(wú)人機(jī)的電力巡檢系統(tǒng)，無(wú)人機(jī)將按照事先制定好的飛行路線完成巡線任務(wù)，同時(shí)工作人員也可以采用人工操作的方式進(jìn)行電力巡檢。巡線任務(wù)中，無(wú)人機(jī)與地面服務(wù)器將通過(guò)運(yùn)營(yíng)商無(wú)線網(wǎng)卡進(jìn)行高帶寬、高穩(wěn)定性的圖像與視頻傳輸，最高支持1 080p60i全高清視頻直播。對(duì)于接收到的日志、圖像和視頻等文件，系統(tǒng)將智能化地歸檔保存，方便回溯，同時(shí)將自動(dòng)對(duì)圖像進(jìn)行測(cè)溫校準(zhǔn)和分析，對(duì)異常高溫的零部件和桿塔進(jìn)行報(bào)警，保證了電力巡檢任務(wù)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，同時(shí)也提升了巡檢的質(zhì)量和效率。

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　　《無(wú)人機(jī)電力巡檢系統(tǒng)研究》來(lái)源：《機(jī)電信息》，作者：馮新江 林澤科 陳岳賢 潘 楨