高海拔地區(qū)無人機巡檢系統(tǒng)技術(shù)條件研究

涂蘇格，陳 潔，余藝娟，陳 晨

（國網(wǎng)湖北送變電工程有限公司，湖北 武漢430077）

0 引言

對于旋翼類飛行器而言，在螺旋槳轉(zhuǎn)速不變的情況下，空氣密度越小，飛行器獲得的升力越小。隨海拔高度上升，空氣密度逐步降低，在海平面時空氣密度為1 kg/m3，上升到海拔5 000 m 后氣溫會降至-20°C，空氣密度僅為海平面空氣密度的一半，約為0.58 kg/m3。通過計算可知，無人機即使保持同樣動力輸出，所得到的升力也僅為海平面升力的60%左右［1-3］。當飛行器飛到海拔5 km 的高度，那么它必須多消耗40%的功率，才能保持與低海拔地區(qū)相同的推力，因此，在低海拔地區(qū)可以正常飛行的飛行器，可能會在高原地區(qū)無法起飛，或者發(fā)生墜機事故［4-6］。

鋰聚合物電池因其具有能量高、小型化、輕量化等特點，在無人機尤其是旋翼無人機上具有高度的應(yīng)用，其中，溫度是影響鋰電池性能的主要參數(shù)，在電池的所有檢測項目中，都要求注明溫度，原因就是溫度對電池性能影響比較大，包括電池的內(nèi)阻、充放電性能、安全性、壽命等［7-9］。

1 電池放電能力

當電池暴露在低于15°C的環(huán)境下時，電池的化學物質(zhì)活性顯著降低，其內(nèi)阻增大，導致放電時電壓降加大［10-12］。自重較大的飛行器，本身就需要更大的電流來維持動力，在高原地區(qū)，由于空氣稀薄，氣壓低，飛行器需要更高的電機轉(zhuǎn)速來維持動力，電池輸出電流會進一步加大，當電壓大幅下降（單電芯低于3 V）時，存在以下兩點風險［13-15］：

1）電池放電能力下降，不能滿足無人機大電流放電的需要。

2）飛機續(xù)航時間明顯縮短，對飛行時間估計不足，容易導致墜機事故。

圖1為不同溫度條件下，鋰電池放電曲線示意圖，可以看出，當溫度降到-20°C時，電池只能放出其標稱容量約一半的電量。

圖1 不同溫度下鋰電池放電示意圖Fig.1 Schematic diagram of lithium battery discharge at different temperatures

2 無人機結(jié)構(gòu)優(yōu)化

無人機在滿足使用要求的前提下，尺寸緊湊且重心位置合理，則機動性與抗風能力越好，在相同配置下，能達到更為理想的續(xù)航時間與操控性能［16-18］。無人機緊湊化設(shè)計主要體現(xiàn)在：

1）合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計

機體設(shè)計：旋翼和機體半徑關(guān)系如圖2 和式（1）所示。

圖2 多旋翼機體半徑與最大旋翼半徑示意圖Fig.2 Schematic diagram of multi-rotor body radius and maximum rotor radius

實驗表明，當槳與槳之間距離從一個槳半徑到0.1個槳葉半徑變化時，氣流對飛行器整體性能影響較小，因此，為了使飛行器結(jié)構(gòu)緊湊，可使rmax=1.05rp～1.2rp在合理的重心位置。

當陣風吹來，因為螺旋槳柔性誘導的來流會產(chǎn)生阻力［19-21］。如果多旋翼重心在下，那么阻力形成的力矩，會促使多旋翼俯仰角朝發(fā)散的方向發(fā)展，直至翻轉(zhuǎn)。若多旋翼重心在上，那么阻力形成的力矩，會促使多旋翼俯仰超0°方向發(fā)展。因此，當多旋翼受到外界風干擾時，重心在槳盤平面的上方可以抑制擾動［22-24］。如圖3所示。

圖3 風干擾情形多旋翼無人機示意圖Fig.3 Schematic diagram of multi-rotor UAV under wind interference

2）動力配置

多旋翼無人機的螺旋槳分為兩種類型，平原螺旋槳與高原螺旋槳，高原螺旋槳直徑較大、螺距較大，螺旋槳尺寸越大，電機帶動螺旋槳需要的扭力也越大。在高原地區(qū)，為了彌補因空氣密度下降帶來的升力損失可采用如下兩種方案［25-27］：1）增大電機扭力，換用尺寸更大的螺旋槳；2）增加螺距，提高螺旋槳升力系數(shù)。

3 測距技術(shù)優(yōu)化

獲取目標相對無人機的三維信息，操控手準確判斷目標，提高巡檢安全性和準確性，難點在于獲取目標的深度信息［28-30］。在此，通過不同輸電鐵塔的標準規(guī)格與無人機傳回視頻圖像的影像長度關(guān)系，確定相機偽相距，由偽相距與實務(wù)的比例關(guān)系，即可得到任意時刻的深度信息。同理，根據(jù)相關(guān)比例關(guān)系可獲取其余2個方向的距離信息，綜合即可得到目標的三維信息。深度信息測試原理如圖4所示：

圖4 深度信息獲取原理圖Fig.4 Principle diagram of depth information acquisition

基于計算機視覺的三維目標跟蹤，目的在于確定目標相對于無人機的三維位置，幫助操控手準確判斷目標，提高巡檢安全性和準確性。此研究點的關(guān)鍵在于獲取絕緣子等目標在圖像中的深度信息。為此，本文提出一種偽相距概念。基于偽像距的測距方法，具體步驟分為兩塊：偽像距測定過程以及測距過程，主要針對相機視頻無線傳輸后，根據(jù)接收顯示器影像尺寸，來計算相機鏡頭與目標物之間距離的過程。其原理是根據(jù)相機成像原理，假設(shè)存在一個類似相機像距的常量m（本文定義該假設(shè)常量為偽像距），偽像距m 一定與無線傳輸后的接收顯示器上影像大小S、目標尺寸L以及物距d存在對應(yīng)關(guān)系，得到偽像距的計算公式為：

那么在偽像距已知的情況下，根據(jù)上式可以得到相機鏡頭與目標物之間的距離d，則基于偽像距的測距計算公式為

圖5 基于視覺的深度信息原理圖Fig.5 Schematic diagram of depth information based on vision

步驟1：偽像距測定

1）調(diào)整相機焦距f，并固定相機焦距不變。

2）確定目標尺寸S。

3）確定物距d。

4）測量視頻無線傳輸接收顯示器上目標影像尺寸L（此步驟可以采用實際的長度工具進行物理測量，也可以通過圖像識別的方法，計算圖像中目標物影像的像素尺寸）。

5）根據(jù)公式

計算偽像距m。

6）重復步驟二至步驟五多次，求偽像距的加權(quán)平均值m。

步驟2：深度信息獲取

1）在測得偽像距m的前提下，相機焦距為偽像距測定過程中的焦距，并保持固定不變，且使用與偽像距測定過程中相同的相機視頻無線接收顯示器。2）確定固定的目標物尺寸S。

3）在相機鏡頭不斷改變與目標物之間的距離時，對相機視頻無線接收顯示器上的影像尺寸L進行測量（此步驟可以采用實際的長度工具進行物理測量，也可以通過圖像識別的方法計算圖像中目標物影像的像素尺寸）。

4）根據(jù)基于偽像距的測距計算公式（4），可以得到相機鏡頭與目標物之間的實際距離。

步驟3：其余二維平面信息獲取

獲取深度信息后，其余二維信息可根據(jù)目標在成像中的位置距離，采用與深度信息獲取相同的原理計算。

4 無人機規(guī)格要求

1）傳統(tǒng)巡線無人機操縱要求

傳統(tǒng)巡線無人機是通過飛行手與云臺手的相互配合，對桿塔的巡視點進行巡視。對于操縱手和云臺手的操縱能力要求非常之高，需要操縱員長期的飛行配合和經(jīng)驗積累。

2）巡線無人機平臺局限

傳統(tǒng)巡線無人機由于巡線要求拍攝樣片的質(zhì)量高，所以不得不采用傳統(tǒng)的相機進行采樣。傳統(tǒng)相機由于體積、重量大，小型的無人機無法承載，所以通常巡線無人機的軸距都很大，導致耗電量的增加，可能在巡視一些較為復雜的桿塔時，一塊電池還不夠，這使得在一些地理條件復雜的山區(qū)，給巡線工作帶來很大的影響。

3）高海拔地區(qū)地理環(huán)境局限

在高海拔地區(qū)，由于地理環(huán)境惡例，或海拔高度高、或路況復雜。這種惡劣的環(huán)境使得無人機機型不能有太大的規(guī)格。

基于上述問題，針對高海拔地區(qū)的無人機電力巡檢工作，這些無人機應(yīng)采用小型化、模塊化設(shè)計，以便于攜帶。具體規(guī)格要求如下：

1）小型化設(shè)計。多旋翼規(guī)格應(yīng)采用小型化設(shè)計，考慮到軸距增加會帶來槳葉增大。建議采用軸距為1 m以下的無人機。

2）模塊化設(shè)計。無人機應(yīng)采用模塊化設(shè)計，以方便攜帶，如：機臂、螺旋槳、云臺、電池可拆卸。

3）集成化飛機上的一些電路，避免一些線路暴露在外，減少飛機自身電路磁場的干擾。

5 無人機飛行性能技術(shù)條件

5.1 高海拔地區(qū)電力巡檢無人機導航精度要求

多旋翼無人機電力巡檢目的是為了拍攝輸電線路及鐵塔照片，包括絕緣子、銷釘、導線、通道等上百個對象。要求照片能夠拍攝鐵塔及周圍環(huán)境的所有信息。同時，對于銷釘級別的缺陷，要求無人機拍攝圖像分辨率極高。為此，在電力巡檢過程中，要求無人機做如下動作：

1）距離鐵塔較近飛行；

2）為了拍攝鐵塔兩側(cè)照片，要求無人機跨線飛行；

3）需要在鐵塔單側(cè)不同高度拍攝多組照片，對高度定位要求較高。

圖6 無人機同塔雙回現(xiàn)場作業(yè)流程圖Fig.6 Field operation flow chart of UAV double-return on the same tower

基于上述特點，要求無人機在導航精度方面具備如下要求和技術(shù)條件：

1）對于手動操控巡檢無人機

手動操控模式下，外控手需操控無人機飛至目標區(qū)域懸停，要求無人機穩(wěn)定懸停后，再開展無人機拍照動作。若高度出現(xiàn)偏差，可通過人工操控達到目標區(qū)域。因此，具體懸停精度一般為：垂直方向±0.5 m，水平方向±1.5 m。

2）對于自動巡線無人機

自動巡檢無人機要求無人機按照提前設(shè)定好的飛行航線飛行。比如，要求無人機飛行50 m 的高度，則要求無人機自動飛行至50 m 高度。因此，此種模式下，飛行要求無人機導航定位精度相對非常高，尤其是高度方向上的導航精度。若高度方向上，導航定位精度達不到要求，則不能自動完成理想的拍攝任務(wù)。這種飛行模式下，無人機導航定位精度的要求為水平和垂直方向的導航定位精度均達到cm級別。因此，這種模式下的導航系統(tǒng)通常采用差分定位方式。

5.2 高海拔地區(qū)無人機抗風能力與海拔、電池要求

從地理角度看，我國幅員遼闊，輸電線路分布廣泛。其海拔高度分布最高可高達4～5 km。同時，高海拔地區(qū)常年多風、低溫環(huán)境也嚴重考驗無人機性能，包括電池活性、無人機氣動性能等。這些區(qū)域?qū)o人機的主要影響包括：

1）高空空氣稀薄，一方面會讓螺旋槳的效率下降；另一方面也會讓動力系統(tǒng)的效率下降。

2）高海拔地區(qū)低溫環(huán)境嚴重影響電池活性，鋰電池對0°C～40°C 這個區(qū)間的溫度并不敏感，然而一旦溫度超過這個區(qū)間，壽命和容量就會打折扣。

3）高海拔地區(qū)常年多風，影響無人機飛行穩(wěn)定性。

6 結(jié)語

在高海拔地區(qū)巡檢的無人機應(yīng)滿足如下要求：

1）飛行的海拔高度。根據(jù)輸電線路分布情況，要求無人機可飛行最大海拔高度達到5 000 m 為宜。當然，針對不同地區(qū)巡檢工作，無人機配置需求也不同，可還針對不同區(qū)域選擇不同定位無人機。

2）抗風性要求。結(jié)合高海拔地區(qū)輸電線路所處環(huán)境分布情況。要求無人機抗風性能越高越好。當前國內(nèi)外無人機實際飛行性能，要求無人機抗風性能達到6級以上。

3）電池性能要求。針對高海拔地區(qū)電力巡檢，要求無人機電池選用能量密度高、活性強的電池，或采用燃料電池等新型電池作為動力來源。同時，對低溫環(huán)境下，電池應(yīng)注意采取保暖措施。