架空線路無人機(jī)巡線技術(shù)的相關(guān)思考

陳利博

摘要：介紹架空電力線路巡線用無人機(jī)分類和各類無人機(jī)巡線的特點(diǎn)及國內(nèi)外無人機(jī)巡線的研究現(xiàn)狀，探討巡線無人機(jī)視覺跟蹤、故障探測等關(guān)鍵技術(shù)、發(fā)展趨勢和應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：架空電力線路;無人機(jī);視覺跟蹤;故障探測

架空電力線路的覆蓋區(qū)域廣、穿越區(qū)域的地形復(fù)雜。為了掌握線路的運(yùn)行狀況和及時(shí)排除線路的潛在隱患，每年都要花費(fèi)巨大的人力和物力資源進(jìn)行巡線工作。現(xiàn)階段運(yùn)用最廣泛的巡線方法是人工定期巡線，這種方法不僅勞動強(qiáng)度大，而且耗時(shí)長，效率低下，有些線路段受制于地形因素甚至無法接受巡檢。無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展為架空電力線路的巡線提供了新的移動平臺。利用無人機(jī)搭載巡檢設(shè)備進(jìn)行巡線，能提高巡線效率，降低巡線成本、不會造成人員傷亡。這種高效、經(jīng)濟(jì)、安全的巡線方法已經(jīng)開始成為研究的熱點(diǎn)。

1、巡線無人機(jī)的分類及巡線特點(diǎn)

無人機(jī)（unmannedaerialvehicle，UAV）是一種由無線電遙控設(shè)備或自身程序控制裝置操縱的無人駕駛飛行器¨]。用于巡線的無人機(jī)主要包括3類：固定翼無人機(jī)，無人直升機(jī)和小型旋翼機(jī)。

1.1、固定翼無人機(jī)

固定翼無人機(jī)的飛行速度比較快，達(dá)到100—200km/h，并且續(xù)航時(shí)間長，很適合進(jìn)行長距離巡線，用來巡檢電力線路的總體狀況。固定翼無人機(jī)不能懸停，巡線時(shí)，沿線路進(jìn)行單方向快速巡檢。一般置于線路的正上方，以俯視的角度巡線拍攝（圖1），也可根據(jù)實(shí)際需要降低巡線速度和高度，沿線路做低空慢速巡檢。

1.2、小型旋翼機(jī)

小型旋翼機(jī)重量小、結(jié)構(gòu)簡單，靠無線電遙控飛行，能夠定點(diǎn)起飛、降落和空中懸停。其飛行速度較慢，而且續(xù)航時(shí)間極短，只能作短距離的巡線。一般是在已確定故障段，用小型旋翼機(jī)懸停于故障段，低速、定點(diǎn)地進(jìn)行細(xì)節(jié)觀察。小型旋翼機(jī)最大的劣勢就是載重過小，只有1—2kg，只能搭載單一、輕型的巡線設(shè)備。由于重量輕，動力小，抗風(fēng)能力明顯不足，3級以上的風(fēng)力就會對起降和飛行帶來較大的影響。

1.3、無人直升機(jī)

與固定翼無人機(jī)相比，無人直升機(jī)能夠定點(diǎn)起飛、降落，空中懸停，但是飛行速度不如固定翼無人機(jī)，大多數(shù)在100km/h以內(nèi)，且續(xù)航時(shí)間也較短，不適合用于長距離巡線。與小型旋翼機(jī)相比，其最大的優(yōu)勢是載重更大，巡線時(shí)可以搭載更多的檢測設(shè)備，取得更全面的巡檢效果，但是價(jià)格比小型旋翼機(jī)要高。一般用來進(jìn)行中、短距離的巡線或者對已確定的故障段進(jìn)行懸停式細(xì)節(jié)檢測。

1.4、無人機(jī)組合巡線

無人機(jī)進(jìn)行架空線路的巡線使用固定翼無人機(jī)搭配無人直升機(jī)的方式或固定翼無人機(jī)搭配小型旋翼機(jī)的方式進(jìn)行。固定翼無人機(jī)用于定期、長距離巡檢電力線路的總體情況，無人直升機(jī)和小型旋翼機(jī)用于已確定故障段的情況下，進(jìn)行更加接近線路的懸停式檢測，仔細(xì)、全面地觀察線路細(xì)節(jié)。這樣的配置方式有利于合理利用無人機(jī)資源，實(shí)現(xiàn)機(jī)型的互補(bǔ)使用，同時(shí)也使巡線更加全面、精確，減少了巡線時(shí)的遺漏。鑒于無人直升機(jī)的巡檢效果更好并且能夠進(jìn)行中距離的巡線，在資金充裕的情況下，以固定翼無人機(jī)搭配無人直升機(jī)進(jìn)行巡線為最佳。

2、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

無人機(jī)巡線技術(shù)是最近十幾年才開始發(fā)展的一門新興技術(shù)，融合了航空、電子、電力、通信、圖像識別等多個(gè)高尖技術(shù)領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)起來難度比較大。世界范圍內(nèi)研究無人機(jī)巡線技術(shù)的并不多，而且主要集中在無人機(jī)技術(shù)先進(jìn)的發(fā)達(dá)國家。最早利用無人機(jī)巡線的是英國的威爾士大學(xué)和EA電力咨詢公司，使用的機(jī)型為無人直升機(jī)。已經(jīng)進(jìn)行的無人機(jī)巡線研究大部分都是以無人直升機(jī)為搭載平臺，主要原因是無人直升機(jī)具有懸停功能并且巡線速度適中。固定翼無人機(jī)和小型旋翼機(jī)是最近幾年才應(yīng)用于巡線的。

國內(nèi)關(guān)于無人機(jī)巡線研究的報(bào)道比較少。國家電網(wǎng)公司電力機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行過無人直升機(jī)的巡線研究，取得了階段性的成果。研究人員利用無人直升機(jī)搭載高清相機(jī)和紅外熱成像儀對線路進(jìn)行了巡線實(shí)驗(yàn)。在巡線拍攝的可見光圖像上，桿塔和導(dǎo)線上的物理缺陷都能被鑒別出來;紅外圖像上，熱缺陷導(dǎo)致的發(fā)熱點(diǎn)也比較明顯。

3、無人機(jī)巡線的關(guān)鍵技術(shù)

3.1、電力線路視覺跟蹤技術(shù)

無人機(jī)巡線時(shí)的導(dǎo)航、障礙物規(guī)避等功能的實(shí)現(xiàn)都依賴于對線路桿塔的視覺跟蹤技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)雖然在實(shí)驗(yàn)中獲得了成功，但是在實(shí)際的應(yīng)用當(dāng)中還不是絕對的可靠。無人機(jī)巡線時(shí)機(jī)體產(chǎn)生振動，會影響巡線圖像的質(zhì)量，再加上圖像中導(dǎo)線很細(xì)，與背景的視覺差異很小，給視覺跟蹤帶來了難度。另外巡線時(shí)如果遇到了與線路類似的直線型結(jié)構(gòu)，比如鐵路或者其他的電力導(dǎo)線，有可能會導(dǎo)致跟蹤錯(cuò)誤，帶來嚴(yán)重的后果。文獻(xiàn)[9]介紹了一種較簡單的基于霍夫變換的跟蹤算法，能同時(shí)對3條導(dǎo)線進(jìn)行跟蹤，算法能夠把無人機(jī)橫向和縱向的位移提供給控制系統(tǒng)。即使圖像的背景非常的雜亂，這種算法依舊能夠?qū)崿F(xiàn)對線路的跟蹤。文獻(xiàn)[10]利用向量梯度的霍夫變換實(shí)現(xiàn)對線路的視覺跟蹤，但是這種方法只能同時(shí)跟蹤1條導(dǎo)線。

3.2、位置控制技術(shù)

無人機(jī)巡線時(shí)離線路較近，又常常受強(qiáng)風(fēng)、降雨等氣候因素的影響。為了保證無人機(jī)和線路的安全，位置的控制就顯得尤其重要。文獻(xiàn)（11]介紹了一種無人機(jī)位置控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用LQG控制器實(shí)現(xiàn)飛機(jī)俯仰翻轉(zhuǎn)姿態(tài)的控制，利用PID控制器進(jìn)行偏行控制。系統(tǒng)的高魯棒性已經(jīng)得到驗(yàn)證，當(dāng)無人直升機(jī)空中懸停時(shí)，用繩索強(qiáng)行拉動機(jī)體，控制系統(tǒng)仍然可以正常的工作。

3.3、無線通迅技術(shù)

無線傳輸模塊完成地面基站和無人機(jī)之間的雙向數(shù)據(jù)傳輸。包括無人機(jī)拍攝的實(shí)時(shí)視頻、圖像，線路檢測傳感器數(shù)據(jù)，無人機(jī)位置狀態(tài)和由地面基站發(fā)出的各種飛行控制命令等，要求具有距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

3.4、線路故障探測技術(shù)

（1）視覺探測，也就是可見光探測。利用無人機(jī)搭載高清相機(jī)和高清攝像機(jī)，拍攝巡線圖片和視頻，實(shí)時(shí)傳輸?shù)降孛婊净虼鎯ο聛恚儆苫竟ぷ魅藛T根據(jù)圖像和視頻中線路的外觀確定是否發(fā)生故障。視覺探測能有效發(fā)現(xiàn)線路表面的顯性故障，例如導(dǎo)線的斷股、異物懸掛、桿塔的變形、金具松脫和絕緣子的破損、閃絡(luò)等故障。其精度和準(zhǔn)確度取決于圖像的質(zhì)量。

（2）紅外和紫外探測技術(shù)，是利用無人機(jī)搭載紅外熱成像儀和紫外成像儀進(jìn)行巡線。紅外熱成像儀能夠攝取表面溫度超過周圍環(huán)境溫度的異常溫升點(diǎn)的紅外光譜圖像，從圖像上可以判斷出線路、接頭、線夾、絕緣子等設(shè)備是否存在故障所導(dǎo)致的發(fā)熱點(diǎn)u。紫外成像儀能夠接收線路設(shè)備因放電產(chǎn)生的紫外訊號，并形成圖像顯示在屏幕上，從圖像上可以確定電暈的位置和強(qiáng)度u引。通過紫外成像，能夠有效探測出導(dǎo)線外傷、絕緣子放電、污染等存在放電現(xiàn)象的線路故障。

（3）激光雷達(dá)探測技術(shù)的主要優(yōu)勢在于其精確的定量測量。利用激光測距儀，可以精確地測得線下植被、建筑到線路的距離，從而科學(xué)地制定樹木砍伐計(jì)劃和處理違章建筑。激光雷達(dá)巡線技術(shù)還可以掃描線路走廊，得到大量的高精度的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再配合高分辨率的航空數(shù)碼影像，可以進(jìn)行線路走廊地形的三維建模。不過由于載重的限制，現(xiàn)階段在無人機(jī)上搭載激光雷達(dá)巡線系統(tǒng)的還比較少。

4、結(jié)語

無人機(jī)巡線具有廣闊的應(yīng)用前景。與其他巡線方式相比，其獨(dú)特的優(yōu)勢有：（1）無人駕駛，不會造成人員傷亡;（2）不受地理?xiàng)l件限制;（3）攜帶方便，便于投入現(xiàn)場;（4）只需一次投入，后續(xù)費(fèi)用低。但是，空域管制、載重較小、氣侯影響等因素也在制約著其發(fā)展。無人機(jī)巡線有2個(gè)值得關(guān)注的發(fā)展趨勢：（1）多傳感巡線無人機(jī)。1架無人機(jī)集合多種故障探測儀器，同時(shí)實(shí)現(xiàn)多種巡檢方式。這要求無人機(jī)具有更大的載重，但不可避免地會帶來體積較大及控制過于復(fù)雜的缺點(diǎn)。（2）微型單傳感巡線無人機(jī)。通過多個(gè)攜帶不同故障探測儀器的微型無人機(jī)協(xié)調(diào)配合，也能完成巡線工作。由于機(jī)體很小，可以更加接近線路，獲取更清晰的巡線圖像。

參考文獻(xiàn)

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