高海拔無人機線路巡檢應用研究

苗俊李鵬祥李峰王璋呂政揚許毅

（1.曲靖供電局，云南曲靖 655000；2.廈門加能電力科技有限公司，福建廈門 361012）

高海拔無人機線路巡檢應用研究

苗俊1李鵬祥1李峰1王璋1呂政揚2許毅2

（1.曲靖供電局，云南曲靖 655000；2.廈門加能電力科技有限公司，福建廈門 361012）

隨著國家西進戰略不斷縱深推進，海拔較高對于線路巡檢人員而言通常存在著低溫、缺氧及輻射高等可能危害健康不利因素，因此使用無人機進行巡檢極為必要，然而，無人機高海拔運行也面臨著不小困境，如無人直升機使用是燃油發動機，但在高海拔地區空氣稀薄會導致燃油燃燒不充分，會有動力損耗，另外，空氣稀薄還會影響升力，直升機在高海拔地區要通過更高轉速才能獲得和低海拔一樣升力。因此，油機不適合在云南等較高海拔地區使用，應發展使用電動機來進行高海拔電網無人機巡檢作業。

高海拔架空線路 無人機 無人機巡檢

隨著電網的日益擴大，巡線工作量日益加大，高海拔地區的巡檢任務則更加艱難，曲靖輸電線路區域絕大部分架空輸電線路都遠離城鎮和交通干線，分布在崇山峻嶺之間，運行條件十分惡劣等特點，傳統的線路運行維護管理模式和常規作業方式，多采用肉眼或望遠鏡人工地面目測的方法進行，巡線方式是人員徒步巡線，巡檢人員到達這些地區比較困難，工作效率較低，勞動強度大。因此，急需一種高效的高壓線路巡檢方式，保障線路的安全穩定運行。而輸電線路無人機巡線系統沿桿塔飛行，對線路通道、桿塔本體及電氣部分進行航拍及局部拍照，從而發現通道隱患及線路缺陷，達到人員巡視的目的，減輕了人員巡視的勞動強度，提高了工作效率，為高壓輸電線路巡檢帶來了極大的便利，無人直升機高海拔區域成功應用則是邁向全面發展的關鍵一步。

圖1 旋翼系統

圖2 動力系統

圖3 巡檢系統

1 系統設計研究

架空輸電線路巡檢分正常巡檢、故障巡檢、特殊巡檢三種，檢查包含桿塔、導線、絕緣子、金具、防雷設施、線路走廊等。因此在無人機巡檢系統設計可分為三大子系統：無人機系統、巡檢系統、通信系統。

1.1 關于無人機系統

無人機系統主要包含：旋翼系統、動力系統。

1.1.1 無人機旋翼系統

旋翼系統中如（圖1）所示，升力大小主要是由槳葉提供的，槳葉的設計有氣動力方面的要求，同時還要求有動力學和疲勞方面的技術。旋翼槳葉是建立在所選用的材料、制作的工藝技術和旋翼的理論基礎之上。根據旋翼槳葉的發展，可分為復合材料槳葉、金屬槳葉、混合式槳葉三種形式。

圖4 控制系統

圖5 地面系統

圖6 軟件界面

圖7 無人直升機油動機

圖8 無人直升機電動機

圖9 （效率-電流曲線）

圖10 （不同占空比下電機機械特性）

1.1.2 無人機動力系統

無人機的動力系統如（圖2）所示，主要是由電動或油動來提供能量，直升機的前進動力和升力都來自直升機的主旋翼，當你進行細部觀察時就會發現前進的直升機轉到前面和后面的槳葉的槳距是不一樣的，就是葉片傾斜的角度是不一樣的，他們通過自動傾斜器控制。自動傾斜器的傾斜會導致槳葉的槳距發生周期變化，使得旋翼空氣動力不對稱，槳葉的旋轉平面將向所需方向傾斜，旋翼的拉力矢量方向因此發生改變，這樣就達到操縱直升機橫向和縱向飛行的目的。直升機的俯仰，滾轉，當然還有前進后退都是由槳葉的周期變距操作實現的。

1.2 關于巡檢系統

巡檢系統如（圖3）所示，利用無人直升機作為載體，裝載可見光照相機、可見光攝像機、紅外熱像儀及通信設備等對架空輸電線路進行巡檢，不僅能代替巡線工人和有人直升機巡線系統，還可以彌補人工巡線的不足，全方位檢查輸變電線路的情況，并及時發現線路故障和隱患，將現場情況傳回地面控制中心。

1.3 關于通訊系統

無人機通訊系統包含：控制系統、地面系統、軟件系統。

1.3.1 無人機控制系統

無人機控制系統如（圖4）所示，控制系統包含機載和地面部分，維持飛機的穩定飛行由機載部分負責并傳輸圖像信號到地面部分，地面部分根據無人機的狀態以及得到的圖像信號作出下一步的任務信號，并發送給機載部分，為了確保安全飛行，防止飛行機構失控，增加了由飛控手掌握的控制器。機載部分與地面部分之間有兩條數據連接，負責傳送圖像和傳送指令和飛行狀態。地面部分可以分為圖像處理平臺和地面站部分，地面站與機載飛行控制器連接，發送控制命令，獲得飛機狀態信息，圖像處理平臺獲取攝像頭的圖像信號并處理圖像。

1.3.2 無人機地面系統

實時顯示直升機采集的圖像信息，并對其進行遠程遙控；圖像信息實時錄制，隨時回放觀看；可以將外部信號接入地面站進行顯示或將地面站信號在外接屏幕上顯示如（圖5）所示；

1.3.3 無人機軟件系統

無人機軟件系統實現了無人直升機地面站系統的導航、空間數據處理和三維可視化的功能，基于Java語言編寫整個地面站軟件系統，嵌入3D GIS，利用Java軟件開發來實現3D GIS導航的過程。如（圖6）所示。

圖11 無人直升機近視角監測桿塔絕緣子、塔材等

2 關鍵技術問題研究

無人直升機根據動力可分為：油動無人直升機、電動無人直升機，在低海拔地區兩者都可以較好地完成任務，但在高海拔區域下二者區別如下：

2.1 關于油動無人直升機研究如（圖7）所示

發動機在高原上工作的適應性研究：

2.1.1 氣壓低、缺氧對發動機性能的影響

隨著海拔高度的增加，空氣逐漸稀薄，氣壓降低，據實測資料表明，氣壓與海拔高度有下列關系： PG=PO-CH式中PG某海拔高度的大氣壓力（毫米汞柱），PO海平面處的大氣壓力，PO=760毫米汞柱，H海拔高度（米）大氣中的平均含氧量也是隨著海拔高度的增加而減少的。

在發動機轉速不變的情況下，非增壓發動機的功率Ne是與空氣的比重γ、指示效率η和機械效率mη成正比。因此，發動機在平原與高原上的功率可用下式表達：

對發動機功率影響最大的空氣比重γ，即大氣壓力及進入氣缸中的空氣壓力。由于高原地區空氣稀薄，年平均含氧量低，發動機在海拔高度每升高1000米時，其功率就降低百分之10左右，最大扭矩下降的幅度則還要大些，且向高轉速方向移動。總之，發動機的動力性能下降，性能也隨之變壞。

2.1.2 氣溫對發動機性能的影響

隨著海拔高度的增加，氣溫越來越低。氣溫低會使啟動困難。此外，過低的溫度會使金屬及非金屬材料發生冷脆，并容易斷裂，降低發動機的使用壽命。

2.2 關于無人直升機電動機研究如（圖8）所示

關于電動機在高原適應性的研究：

鑒于云南地處高海拔地區，具有典型的高原氣候特征，采用聚合物鋰離子電池作為飛機的動力電池作為試研，聚合物鋰離子電池具有以下特點：塑形靈活性；更高的質能比（3倍于MH-Ni電池）；完美的安全可靠性；更長循環壽命，容量損失少；體積利用率高；廣泛的應用領域。

無人機所用動力電機為無刷永磁直流電機，無刷電機取消了由電刷和換向器組成的機械接觸機構，沒有機械摩擦和換向火花，具有效率高、壽命長、運行可靠、無電磁干攏等優勢。無刷電機在額定轉速時，扭矩及電流計算公式如下：

式中：I為工作電流，M為扭矩，U為工作電壓，UΔ 為調速器的導通壓降，n為轉速，kv為電機參數，r為內阻，0I為電機的空載電流。由以上公式可得，電機的輸入功率、輸出功率及效率如（圖10）：

根據以上方法算得效率與實驗對比如（圖9）所示，在電機最大工作電流附近相對誤差為3%-7%，小電流時為22%。

如（圖10）所示電機的機械特性，轉速和扭矩隨調速器控制輸出功率減小而減小。圖中還包含了機槳在固定轉速時的扭矩-轉速曲線，當電機曲線和機槳的扭矩大于電機最大扭矩時，電機就不能夠驅動螺旋槳啟動，這時應該提高輸出的功率，升高電機的工作電壓。

3 關于實地飛行的研究

為證實之前所述，我們選擇海拔2500m高山地區，選取一段220KV架空輸電線路，無人機系統設置距離線路約50m，速度4m/s沿線巡檢，并在每級桿塔懸停觀測，由于受到高海拔的影響，空氣稀薄（海拔2500米高度時，空氣含氧量約為低海拔地區的6成左右），此時，發動機同樣的吸氣動作，實際吸入的氧氣減少，可供燃燒的氧氣少了，汽油發動機的動力輸出就會大幅降低，導致無人直升機的油動發動中的汽油燃燒不完全，加大油門，飛機不會往高處飛，達不到要求的2500米的海拔高度。后將無人機的油動發動機改成電動發動機，用電池代替汽油作為飛機的動力，起降試驗測試完成，巡檢圖像清晰已經能夠滿足對線路巡檢的要求如（圖11）所示。

經過以上多次試驗，證實電動無人機更適合于高海拔環境下的巡檢作業。

4 結語

隨著無人直升機技術的愈趨成熟，其操作系統會變得更加簡單，使用性能的優越性將會得到充分的體現，在電力線路巡檢方面將得到更加廣泛的應用。

無人直升機能夠以自動或遙控的方式，通過預制定的飛行路線，在衛星定位系統的控制和引導下對高壓輸電線路進行巡視，將拍攝和檢測的數據實時傳輸或儲存在硬盤里。從而代替人工對輸電線路特別是地理環境惡劣及重要線路進行巡檢，及時發現桿塔、通道走廊以及運行設備的故障隱患、設備缺陷等異常現象，減輕工作人員的勞動強度，降低了巡線的成本，大大提高巡檢的安全保證和自動化水平，達到減負增效的目的。

［1］張云飛.發動機高原性能研究現狀與展望.《內燃機與配件》雜志，2012［07］： 12-13.

［2］崔心存.提高高原用發動機的性能.《Automobile Technology》雜志，1981［02］：10-15.

［3］景巖.無人機發展綜述［J］.《才智》雜志 ，2013［16］：19-21.

［4］飛行器設計專業發展［A］. 航空科學技術學科發展報告（2006-2007）［C］ 2007年：8-9.

［5］陳韜.直升機在輸電線路運檢工作中的技術研究［D］ 華北電力大學（北京），2010年：11-12.

As the west strategy has been carried forward， higher for line inspection personnel usually exist in low temperature and hypoxia and the high radiation may endanger health disadvantage， so using unmanned aerial vehicle （uav） for checking is necessary， however， unmanned aerial vehicle （uav） high altitude operation are also facing a big trouble， such as unmanned helicopter is using fuel engine， but at high altitudes thin air will lead to combustion of fuel oil is not sufficient， there will be a power loss， in addition， the thin air can also affect the lift， the helicopter at high altitudes to lift to achieve higher speed and low altitude. As a result， the oil machine is not suitable for use in yunnan higher altitudes， should use motor for high altitude grid drone checking homework.

the high elevation overhead line Unmanned aerial vehicle （uav） Unmanned aerial vehicle （uav） inspection

苗俊（1971—），男，本科，研究方向為輸電線路運行、檢查、管理等；李鵬祥（1970—），男，中專，研究方向為輸電線路運行、檢查等；

李峰（1987—），男，本科，研究方向為輸電線路運行、檢查等；王璋（1985—），男，本科，研究方向為輸電線路運行、檢查等；呂政揚（1967—），男，本科，研究方向為電力系統輸電設備應用研究等；許毅（1987—），男，本科，研究方向為智能機械自動化設計及應用等。