適用于高海拔地區輸電線路巡檢的無人機測試

鄭天茹 ，王濱海 ，張晶晶 ，陳西廣 ，王 騫 ，劉 俍

（1.國網山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南 250002；2.國家電網公司電力機器人技術實驗室，山東 濟南 250002）

0 引言

隨著我國堅強智能電網及特高壓輸電網架的建設，電網規模日益擴大，線路長度迅速增加，巡線的工作量也日益加大。由于我國國土遼闊，地形復雜，丘陵及山區較多，氣象條件復雜等因素，人工巡檢勞動強度大、效率低，為保證安全和可靠地供電，無人機已作為一種運載工具，被應用在輸電線路巡檢中，通過搭載各種檢測設備，以實現對輸電線路的日常巡視，提高線路運維效率。

進入21世紀后，國內多家電力系統內單位及其他公司開始研究和嘗試在低海拔地區利用無人駕駛飛機進行電力巡線，并已取得良好效果。從技術角度而言，目前無人機巡檢適用于低海拔區域，且可大大提高巡檢的效率和巡檢質量。而無人機飛行平臺于3000 m以上高海拔地區幾乎無任何負載能力，甚至都無法正常起飛，因此更無法滿足高海拔地區巡線要求。但高海拔地區沿線惡劣的環境給線路運行檢修工作構成了巨大威脅，現有的人工巡線作業方式勞動強度大、工作條件艱苦，勞動效率低，難以滿足高海拔地區輸電線路運維工作的發展要求。因此，為了尋求適用于高海拔地區的安全有效的無人機巡檢平臺，需要對國內外現有無人機平臺機型進行在高海拔地區的實地測試，通過分析實際得到的測試數據，總結各種機型用于高海拔地區巡檢的優缺點，最終根據實際情況需要選擇相應飛行平臺［1-3］。

1 高海拔地區環境氣候對無人機的影響

無人機系統是由無人機本體、地面控制站、遙控遙測、飛控導航系統組成的可進行自主或遙控飛行的無人駕駛飛機。無人機本體是無人機系統的核心部分，其他系統的設計和研制均圍繞它來進行。無人機平臺由以下幾個主要部分組成：動力系統、傳動系統、螺旋槳（或旋翼）、機身、起落系統。其中前兩部分產生和傳遞動力的部分，第三部分是動力執行機構。在高海拔地區，含氧量低且氣壓低，使得動力系統入氣量降低，燃燒不充分，導致動力系統動力輸出大大降低。此外，高海拔地區空氣稀薄，相比低海拔地區，螺旋槳在同等轉速下的推力會降低。上述兩個原因會導致無人機在高海拔地區的升力下降，以至于載重能力大大下降或甚至無法飛行。

在環境因素上，高海拔地區主要存在低溫、微氣候環境和風沙等情況，且高海拔地區屬于高輻射區域。無人機的飛控導航系統在導航方面使用自適應擴展卡爾曼（EKF）算法，把 IMU、地磁傳感器、GPS、氣壓高度計和地形匹配高度計等傳感器的數據進行深度融合，在惡劣條件下對上述傳感器可能存在影響。低溫對動力系統和機載航電系統的影響很大；微氣候會導致無人機的氣動受破壞，給飛行帶來危險；風沙會影響發動機和傳動系統，并對其他設備造成物理傷害；高輻射可能會影響GPS或航向計［4-5］。上述分析都需要通過高海拔地區實地測試獲得分析結果。

2 高海拔地區測試

通過高海拔地區測試，能夠確定無人直升機和固定翼無人機平臺帶負載飛行的海拔高度，以確定無人機巡檢系統的適用海拔高度。

2.1 測試方法設計

固定翼無人機具有飛行速度快、航時長等特點，可以快速、及時的發現輸電線路故障和隱患，適用于較長距離的快速巡檢和災后普查。直升機是一種依靠旋翼為主要升力面和操縱面的飛行器，具有垂直起降、空中懸停等特點，能夠拍攝出高清晰度的圖片。

高海拔地區對固定翼無人機和無人直升機都提出了更高的設計和加工要求，為了能夠挑選出適用于高海拔地區巡檢的無人機系統，有必要提出一整套測試方法，對無人機的續航時間、載重能力、起飛海拔和飛行海拔等重要參數進行測試。測試的項目、試驗儀器、試驗步驟和判斷依據如表1所示。

2.2 高海拔地區測試

2.2.1 測試地點選擇

根據高海拔地區實際地形情況，結合測試方法，在海拔2836 m（甘肅烏鞘嶺）、海拔3090 m（青海金銀灘）、海拔 3246 m（青海湖邊）、海拔 3354 m（日月山）、海拔 3820 m（青海拉雞山）、海拔 4503 m（青海西大灘）和海拔4800 m（可可西里）等地點選擇適宜起降和飛行場所進行測試。

表1 測試方法說明

2.2.2 測試機型選擇

為得到高海拔地區全面、綜合的測試結果，選取了不同動力、不同氣動結構、不同起降方式的無人機平臺，總計8個機型，分別為單旋翼帶尾槳CBH-900型無人直升機（廈門加能公司）、六旋翼JY-UAV-10型電動無人機（西安翔宇公司）、三旋翼帶尾槳EWZ-H型無人直升機（湖北易瓦特公司）、智能鳥天鷹1600型固定翼無人機（717研究所）、智能鳥V尾kc2400型固定翼無人機（717研究所）、SY2000型傘翼機（717研究所）、龍雁固定翼無人機（503研究所）、ASN-216型固定翼無人機 （西工大第365研究所）。圖1～圖6為部分機型飛行測試現場照片。

圖1 JY-UAV-10型電動無人機

圖2 SY2000型傘翼機

圖3 單旋翼帶尾槳型無人直升機

圖5 ASN-216型固定翼無人機

圖4 三旋翼帶尾槳EWZHCBH-900型無人直升機

圖6 智能鳥天鷹1600型固定翼無人機

2.3 測試結果

2012年10月至12月，通過分析各個機型的高原測試數據，得到測試結果，包括飛行平臺的動力來源、在高海拔地區（海拔 2500 m、3100 m、3400 m、3800 m及4500 m）飛行的成功率及性能優缺點，如表2所示。

3 有益效果

在進行高海拔地區無人直升機及固定翼無人機多個飛行平臺的高海拔地區實際應用測試，主要針對無人直升機的帶載能力、續航時間、起飛海拔高度、正常飛行海拔高度和抗風能力等參數的測試和研究，測試的機型包括二旋翼CBH-900型、六旋翼JY-UAV-10型和三旋翼EWZ-H型；針對固定翼無人機的帶載能力、續航時間、起飛海拔高度、正常起降方式和抗風能力等參數的測試和研究，測試的機型包括固定翼智能鳥天鷹1600型、固定翼智能鳥V尾kc2400型、傘翼SY2000型、固定翼龍雁和固定翼ASN-216型；測試方法為從海拔2500 m開始，做海拔逐漸升高的漸進式飛行測試，并在每個測試場地由零負載開始做負載逐漸增加的測試，由實際飛行數據全面說明各型號無人直升機和固定翼無人機平臺的各項參數。

此適用于高海拔地區輸電線路巡檢的無人機測試分析結果，對不同海拔、不同風力及不同檢測要求的條件下進行電力巡線所需無人機機型的選擇具有指導意義。

4 后續研究工作

無人機飛行平臺選擇及優化。以電力巡檢需求為導向，結合國內外無人機飛行平臺的發展，并優化改進現有飛控系統，提高飛行控制精度，通過研究慣導系統、雙余度控制系統和雙余度執行機構，提升無人機飛行平臺對高海拔環境的適應性，擴大適用范圍。

靜態模擬測試。利用實驗室、輸電線路培訓場地等條件，靜態模擬高海拔地區大風、揚沙等環境，檢驗無人機飛行平臺對高海拔地區氣候的適應性。

豐富檢測手段。無人機飛行平臺確定后，應有效增加檢測手段，可逐步通過搭載可見光檢測設備、紅外檢測設備、紫外檢測設備分別實現對輸電線路物理缺陷、熱缺陷、局部放電的檢測功能；通過對檢測吊艙的升級，實現對特定區域的全覆蓋自動步進拍照功能；通過研究輸電線路和桿塔識別技術，實現設備自動跟蹤和缺陷自動檢測的功能。

表2 高海拔地區無人機飛行的成功率及性能優缺點

［1］B.Wang， L.Han， H.Zhang， Q.Wang， and B.Li， “A flying robotic system for power line corridor inspection，” in Proc.IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics （ROBIO’09），pp.2468–2473，2009.

［2］厲秉強，王騫，王濱海，等.利用無人直升機巡檢輸電線路［J］.山東電力技術，2010（1）：1－4.

［3］Binhai Wang， Xiguang Chen， Qian Wang， Liang Liu， Hailong Zhang and Bingqiang Li.Power Line Inspection with A Flying Robot.In Proc.the 1st International Applied Robotics for the Power Industry （CARPI2010）.P0646 Montreal Canada， Oct.2010.

［4］石愛琴，羅國璽，高原環境下工程機械使用技術［J］.青海大學學報，2009，27，（4）：75－91.

［5］沃洛特科AM.復雜環境條件下飛機和直升機的應用［M］.張貴銀，譯.北京：中國人民解放軍總參謀部氣象局，1995.