無(wú)人機(jī)電力巡檢系統(tǒng)中的測(cè)溫分析方法

于大超

【摘 要】近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，整個(gè)社會(huì)對(duì)電力能源的需求越來(lái)越大，架空電力線路網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍也越來(lái)越廣。利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行輸電線路巡檢具有安全性高、工作效率高和精準(zhǔn)拍照、分析等優(yōu)點(diǎn)，在電力巡檢領(lǐng)域應(yīng)用越來(lái)越廣泛。文章提出了一種無(wú)人機(jī)電力巡檢系統(tǒng)中的測(cè)溫分析方法，對(duì)無(wú)人機(jī)拍攝回傳的可見(jiàn)光圖和原始紅外圖像進(jìn)行分析，利用反射率和相機(jī)校準(zhǔn)參數(shù)對(duì)溫度信息進(jìn)行校準(zhǔn)。

【關(guān)鍵詞】無(wú)人機(jī);輸電線路;熱紅外;測(cè)溫分析

引言

我國(guó)幅員遼闊，為保證全國(guó)各地的可靠供電，需建設(shè)較多的高壓輸電線路。而線路巡檢是保證高壓輸電線路正常運(yùn)行的重要手段，對(duì)我國(guó)電力的可持續(xù)供應(yīng)和經(jīng)濟(jì)的安全、快速發(fā)展具有重要意義。最近十幾年，隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，架設(shè)的高壓輸電線路越來(lái)越多。在這種背景下，如果采用傳統(tǒng)的人工巡檢模式巡檢數(shù)量如此之多的高壓輸電線路，將會(huì)不可避免地存在著作業(yè)強(qiáng)度大、巡檢周期長(zhǎng)、部分線路檢修危險(xiǎn)等問(wèn)題。近年來(lái)，國(guó)家電網(wǎng)公司積極引進(jìn)無(wú)人機(jī)智能巡檢技術(shù)，提升高壓輸電線路巡檢工作的自動(dòng)化程度，改進(jìn)巡檢工作模式，以期實(shí)現(xiàn)高壓輸電線路的精確、高效、經(jīng)濟(jì)巡檢。

1現(xiàn)有無(wú)人機(jī)電力巡檢技術(shù)

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巡檢無(wú)人機(jī)

2019年我國(guó)民用無(wú)人機(jī)市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到了220億元，而隨著無(wú)人機(jī)行業(yè)的快速發(fā)展，民用無(wú)人機(jī)也被廣泛地應(yīng)用到各行各業(yè)之中。在電力巡檢系統(tǒng)中，基于無(wú)人機(jī)的解決方案基本不受自然環(huán)境制約，并且具有較高的巡線效率和較好的安全性能，已經(jīng)被廣泛地研究和應(yīng)用。常見(jiàn)的電力巡檢方案中，主要使用的無(wú)人機(jī)有3類：固定翼無(wú)人機(jī)、多旋翼無(wú)人機(jī)和直升機(jī)式無(wú)人機(jī)。這3類無(wú)人機(jī)適合于不同的電力巡檢任務(wù)，在實(shí)際方案中，要根據(jù)地理環(huán)境條件、天氣條件及任務(wù)需求等進(jìn)行合理的選擇。巡線無(wú)人機(jī)還會(huì)根據(jù)不同的任務(wù)類型掛載相應(yīng)的機(jī)載設(shè)備，如雙光熱成像相機(jī)、高分辨率數(shù)碼相機(jī)、激光掃描儀和輕型光學(xué)相機(jī)等。一般來(lái)說(shuō)，搭載的遙感設(shè)備應(yīng)具有輕量化、高精度和大儲(chǔ)存量等特點(diǎn)。

1.3飛控平臺(tái)分析

無(wú)人機(jī)飛控平臺(tái)主要包智能巡線、實(shí)時(shí)避障和位置調(diào)整等功能，是無(wú)人機(jī)電力巡檢系統(tǒng)的核心技術(shù)之一。智能巡線是指巡檢無(wú)人機(jī)根據(jù)預(yù)先設(shè)定、導(dǎo)入的巡檢路線，自動(dòng)完成輸電線路巡檢任務(wù)，解決了飛手培養(yǎng)難、人力成本高的問(wèn)題。在巡線過(guò)程中，可能會(huì)出現(xiàn)障礙物，實(shí)時(shí)避障系統(tǒng)就會(huì)根據(jù)聲波探測(cè)、紅外探測(cè)或攝像頭探測(cè)等技術(shù)識(shí)別障礙物，做出相應(yīng)躲避動(dòng)作。在飛行過(guò)程中，還可能遭遇突發(fā)的惡劣天氣，小體積、輕質(zhì)量的無(wú)人機(jī)可能會(huì)由于大風(fēng)大雨偏離既定航線，位置調(diào)整功能可以幫助無(wú)人機(jī)盡快進(jìn)行動(dòng)作調(diào)整，恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)，并逐漸回到正常軌道之中，保證無(wú)人機(jī)自身設(shè)備安全以及巡檢任務(wù)的順利完成。

2無(wú)人機(jī)巡檢現(xiàn)狀

無(wú)人機(jī)巡檢是通過(guò)無(wú)人機(jī)搭載可見(jiàn)光、紅外熱像儀等設(shè)備對(duì)輸電線路進(jìn)行巡視檢查，與人工巡檢相比，無(wú)人機(jī)巡檢具有質(zhì)量高、效率高、安全性好、受地域影響小、成本低等顯著優(yōu)勢(shì)。輸電線路巡檢用的無(wú)人機(jī)主要有多旋翼和固定翼兩類機(jī)型，多旋翼無(wú)人機(jī)常用于桿塔級(jí)精細(xì)化巡檢，固定翼無(wú)人機(jī)主要應(yīng)用于通道巡檢和災(zāi)害評(píng)估。無(wú)人機(jī)作為巡檢利器，在國(guó)網(wǎng)公司各單位得到迅速推廣與應(yīng)用，截至2020年9月，國(guó)網(wǎng)公司系統(tǒng)共有無(wú)人機(jī)8048架，無(wú)人機(jī)巡檢作業(yè)平臺(tái)218個(gè)，無(wú)人機(jī)智能庫(kù)房74個(gè)。2020年1—9月，公司各單位累計(jì)巡檢里程達(dá)230533.47km，完成定位拍攝桿塔695332基，累計(jì)發(fā)現(xiàn)缺陷222015處。缺陷以桿塔瓶口及以上位置線路本體及附屬設(shè)施缺陷為主，其中金具類缺陷、桿塔類缺陷和通道環(huán)境類缺陷較為突出，占75%以上。通過(guò)無(wú)人機(jī)巡檢，線路本體及通道巡檢的質(zhì)量和效率得到較大提高。無(wú)人機(jī)巡檢遇到一些技術(shù)壁壘。

3無(wú)人機(jī)電力巡檢中的測(cè)溫分析方法

3.1測(cè)溫分析方法概述

本方法主要通過(guò)檢測(cè)輸電線路中的異常高溫，尤其是絕緣子、線夾等關(guān)鍵部位，來(lái)發(fā)現(xiàn)線路缺陷或隱患。搭載雙光熱成像相機(jī)的無(wú)人機(jī)可以拍攝可見(jiàn)光圖和原始紅外R-JPEG圖像，原始紅外圖像采用輻射測(cè)溫法來(lái)計(jì)算物體各部位溫度，通過(guò)接收目標(biāo)各部位輻射的紅外能量，利用接收到的輻射能量值計(jì)算相對(duì)應(yīng)的溫度。而紅外成像設(shè)備通常是采用黑體輻射源（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）分度的，單實(shí)際被測(cè)量物體的發(fā)射率往往小于1，甚至遠(yuǎn)偏離1，這就導(dǎo)致紅外成像設(shè)備生成的熱度圖像中溫度的測(cè)量值將不同程度地偏離輻射體的實(shí)際表面溫度。針對(duì)發(fā)射率引起的輻射測(cè)溫法溫度失準(zhǔn)問(wèn)題，本文提出了一種利用相機(jī)校準(zhǔn)參數(shù)和原始紅外圖像對(duì)被測(cè)物體溫度測(cè)量值進(jìn)行校準(zhǔn)的測(cè)溫分析方法，應(yīng)用在無(wú)人機(jī)電力巡檢系統(tǒng)之中，以此來(lái)提高無(wú)人機(jī)電力巡檢的準(zhǔn)確度，減少缺陷錯(cuò)判漏判的概率。

3.2具體測(cè)溫分析方法

無(wú)人機(jī)拍攝回傳的電力線路紅外圖像中，包含每個(gè)像素點(diǎn)的16位紅外圖像原始值RAW，反射溫度Trefl，以及從圖像META信息里獲取的相機(jī)校準(zhǔn)參數(shù)：物體發(fā)射率Emissivity、相機(jī)普朗克常數(shù)B、相機(jī)普朗克常數(shù)F、相機(jī)普朗克常數(shù)O、相機(jī)普朗克常數(shù)R1、相機(jī)普朗克常數(shù)R2。若物體發(fā)射率Emissivity為1，則校準(zhǔn)后的溫度值T為：

3.3若物體發(fā)射率Emissivity小于1，則先計(jì)算物體的輻射強(qiáng)度：

計(jì)算所得的RAW_refl和RAW_obj均和反射物體的輻射強(qiáng)度呈線性關(guān)系。再利用之前獲取的相機(jī)普朗克參數(shù)來(lái)計(jì)算實(shí)際溫度T：

上述測(cè)溫分析方法計(jì)算出的溫度信息消除了物體發(fā)射率帶來(lái)的影響，更加接近于被測(cè)物體的真實(shí)表面溫度值，保證了溫度信息的真實(shí)性，從而提高了電力巡檢中故障檢測(cè)的準(zhǔn)確度。

結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)雙光熱成像相機(jī)所得的原始紅外圖像進(jìn)行分析、計(jì)算，得到溫度信息更加接近真實(shí)值的紅外熱度圖像。該方法應(yīng)用到無(wú)人機(jī)電力巡檢系統(tǒng)中，有效提高了電力巡檢任務(wù)中故障檢測(cè)的準(zhǔn)確度及巡檢的質(zhì)量和效率。

參考文獻(xiàn)：

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