基于物聯(lián)網(wǎng)的無人機(jī)輸電線路巡檢系統(tǒng)

沈 逸，張嘉烽，龔 正，張正華*

(1.揚(yáng)州蘇水科技有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225000；2.揚(yáng)州大學(xué) 信息工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127；3.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司 揚(yáng)州供電公司，江蘇 揚(yáng)州 225009)

0 引言

隨著輸配電技術(shù)的迅速發(fā)展，輸配電基建的日益普及，越來越多的高壓輸電線路故障問題也變得更加棘手，如絕緣子擊穿、電路老化、雷擊穿和垃圾纏繞等等[1]，由于輸電線路輸送距離長、塔架高并可能穿越大量自然條件復(fù)雜多變的深山大河，甚至是無人區(qū)，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，目前常見是大量采用人工地面觀察或登桿(塔)排查等傳統(tǒng)手段檢查輸電線路運(yùn)行狀態(tài)[2]，這不僅受自然條件制約，而且勞動(dòng)強(qiáng)度大，人身安全存在隱患，成本高，巡檢效率低，巡檢質(zhì)量難以保證以適應(yīng)當(dāng)前大電網(wǎng)安全生產(chǎn)的要求。

目前，國內(nèi)外投入運(yùn)營的輸電線路巡檢系統(tǒng)并不多。文獻(xiàn)[3]中討論了垂直起降無人機(jī)在電力設(shè)備巡檢中的應(yīng)用，分析了近年來該課題的研究進(jìn)展情況。文獻(xiàn)[4]討論了巡檢中的諸多關(guān)鍵技術(shù)問題，展示出輸電線巡檢系統(tǒng)良好的發(fā)展前景。文獻(xiàn)[5]介紹了一種檢測輸電線路的圖像監(jiān)測與檢測系統(tǒng)，將直升機(jī)作為巡檢載體沿輸電線路飛行，拍攝其高清圖像，然后進(jìn)行離線處理并診斷可能出現(xiàn)的線路故障。文獻(xiàn)[6]介紹了電力無人巡檢系統(tǒng)的關(guān)鍵部分飛行控制器，種類繁多，應(yīng)用廣泛。文獻(xiàn)[7]中有不少國外愛好者發(fā)起無人載具控制器開源項(xiàng)目，例如PIXHAWK、APM、CC3D、MutilWii等，這些開源無人載具控制器都可以控制包括多旋翼飛行器在內(nèi)的多種無人載具。

針對以上研究不足，設(shè)計(jì)了一種以無人多旋翼飛行器為巡檢載體、地面監(jiān)控設(shè)備為支撐的輸電線路巡檢系統(tǒng)。這種巡線模式比起上述人工檢測方法，具有低成本、低風(fēng)險(xiǎn)、高可靠、高效率和高靈活的優(yōu)勢，同時(shí)，其運(yùn)用航拍影像的圖像處理與識別技術(shù)[8]，為輸電線路缺陷故障的快速智能診斷提供了理論支持。通過高清視頻無線傳輸技術(shù)[9]，在電力綜合探傷系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈[10]的效果。在探測過程中采用一種可靠電力巡線地面站支撐系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)電力巡線地面站支撐系統(tǒng)與多旋翼飛行器系統(tǒng)之間的通信。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該巡線系統(tǒng)具有較高的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。

1 多旋翼飛行器原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)這種以多旋翼無人飛行器為載體的輸電線路巡檢模式，關(guān)鍵問題就在于多旋翼無人飛行器和無線傳輸通信手段的研究。此無人機(jī)巡檢系統(tǒng)示意如圖1所示。

圖1 多旋翼無人飛行器巡檢系統(tǒng)示意

1.1 飛行原理

多旋翼飛行器是一種結(jié)構(gòu)簡單、控制上也容易分析的飛行器。多旋翼飛行器通過多個(gè)旋翼的正反槳以及不同的轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速，形成由多個(gè)與機(jī)體垂直的升力和多個(gè)反扭力合成的動(dòng)力面。通過改變這些力的大小與方向，動(dòng)力面便具有全角度牽引機(jī)體的能力。但因?yàn)轱w行狀態(tài)是不穩(wěn)定的，因此為了控制每一個(gè)電機(jī)的輸出量便需要一套飛行控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。控制系統(tǒng)按照一定頻率對飛行器姿態(tài)檢測，根據(jù)測量結(jié)果計(jì)算出控制量，最終根據(jù)需求調(diào)整多個(gè)電機(jī)工作狀態(tài)，即可改變飛機(jī)的動(dòng)力面。多旋翼飛行器動(dòng)力示意如圖2所示。

圖2 多旋翼飛行器動(dòng)力示意

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

多旋翼飛行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)核心部分為中心板，中心板部分需要兼顧鎖緊機(jī)臂，提供動(dòng)力電池的固定點(diǎn)，安裝無人機(jī)飛控模塊，安裝更多的拓展模塊等功能。本設(shè)計(jì)中采用的多旋翼主體結(jié)構(gòu)固定方式為上下2層碳纖維板配合鋁合金螺柱用以夾緊6條機(jī)臂，3條中心板的對角線上設(shè)計(jì)了6對高強(qiáng)度工程塑料的鎖定管夾，用于固定多旋翼無人飛行器的6條支臂模塊。機(jī)架渲染示意如圖3所示。

圖3 機(jī)架渲染示意

多旋翼飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一個(gè)非常重要的部分，具有以下特點(diǎn)：① 大量采用碳纖維板與碳纖維管，強(qiáng)度大，韌性好；② 采用模塊化設(shè)計(jì)，更換零件容易，方便維修；③ 機(jī)身可折疊，關(guān)節(jié)部分可以自鎖，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定牢固。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本多旋翼無人飛行器巡檢系統(tǒng)主要分為多旋翼無人飛行器、視頻拍攝傳輸模塊和地面基站3部分。多旋翼無人飛行器的設(shè)計(jì)部分已經(jīng)在上節(jié)介紹了，本節(jié)主要介紹視頻拍攝傳輸模塊和地面基站部分。

2.1 視頻拍攝傳輸模塊

在多旋翼飛行器電力尋線的工作過程中，需要一個(gè)清晰度高、抗干擾強(qiáng)的輕量化無線視頻傳輸系統(tǒng)。根據(jù)上述需求，設(shè)計(jì)了一種符合需求的HD高清視頻無線傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用了一種基于Linux的嵌入式操作系統(tǒng)[11]，通過數(shù)字高清攝像頭進(jìn)行視頻捕捉，并使用2.4 GHz無線網(wǎng)橋?qū)⒁曨l信號傳回地面，從而實(shí)現(xiàn)HD高清視頻的無線傳輸。

網(wǎng)橋[12]是整個(gè)系統(tǒng)的重中之重，只有選擇合適的網(wǎng)橋，高清視頻流才能快速而又準(zhǔn)確無誤地傳回地面站。經(jīng)過慎重考慮與分析，采用UBNT網(wǎng)橋[13]，該網(wǎng)橋是Ubiquiti Networks公司在全球范圍內(nèi)設(shè)計(jì)、制造和銷售創(chuàng)新性的寬帶無線解決方案，具有顛覆意義的無線產(chǎn)品。該網(wǎng)橋的優(yōu)勢在于任何一個(gè)型號的UBNT產(chǎn)品，均可被作為無線覆蓋AP、點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)橋、點(diǎn)對多點(diǎn)網(wǎng)橋和無線客戶端(CPE)等多種角色。

2.2 地面基站

電力巡線地面站支撐系統(tǒng)的核心是系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)平臺，根據(jù)要求，采用了一種基于Intel最新款低功耗處理器的操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用Windows、Linux雙支持的平板電腦作為計(jì)算機(jī)平臺[14]，具有低功耗、操作簡單、易于上手的特點(diǎn)。與此同時(shí)，在地面站支撐系統(tǒng)中安裝了一個(gè)14英寸LED液晶屏輔助顯示，具有低功耗、高對比度等特點(diǎn)，增大了顯示面積，以便于巡線圖像的實(shí)時(shí)觀察。

在地面基站控制系統(tǒng)中，可以根據(jù)無人飛行器傳輸回的圖像能夠較為精確地找到巡線的初始位置，并實(shí)現(xiàn)對無人飛行器的控制。手動(dòng)控制系統(tǒng)是嵌入式的無線電發(fā)射機(jī)控制裝置，配備了128 pixel×64 pixel分辨率的彩色液晶顯示屏，2個(gè)2軸的萬向遙桿，3個(gè)可變旋鈕，6個(gè)2位開關(guān)，1個(gè)3位開關(guān)和一些微調(diào)按鈕。硬件系統(tǒng)的工作流程如圖4所示。

圖4 地面基站控制系統(tǒng)工作流程

2.3 整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

整體的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個(gè)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包含了多旋翼無人飛行器組件[15]、核心控制單片機(jī)、HD高清視頻模塊、無線網(wǎng)橋和地面基站，采用模塊化、分層隔離的設(shè)計(jì)思想，從而確保了系統(tǒng)的運(yùn)行效率和準(zhǔn)確率。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

樣機(jī)裝配如圖6所示。

圖6 樣機(jī)裝配

在機(jī)架的選擇上，采用了碳管為機(jī)架的主體。由于碳管具有優(yōu)異的電學(xué)性能，場發(fā)射性能以及獨(dú)特的結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)使得碳管更能夠有效抗強(qiáng)電磁干擾。碳管對電磁波的屏蔽主要原因是碳管對電磁波具有較強(qiáng)的吸收作用。數(shù)據(jù)鏈無線通信系統(tǒng)采用了跳頻技術(shù)，其本質(zhì)上是一種利用載波跳變實(shí)現(xiàn)頻譜展寬的擴(kuò)頻技術(shù)，可以有效地避開干擾。跳頻示波器演示如圖7所示。

圖7 跳頻示波器演示

實(shí)驗(yàn)開始之前還需要校準(zhǔn)PID、手動(dòng)遙控設(shè)備、加速度計(jì)和羅盤等，校準(zhǔn)示意如圖8所示。

圖8 飛行器校準(zhǔn)示意

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

Mission Planner操作界面如圖9所示。多旋翼無人飛行器在試飛過程中向地面基站傳回了實(shí)時(shí)視頻畫面，并且畫面清晰，地面基站得到實(shí)時(shí)巡線視頻以后可以對視頻進(jìn)行后續(xù)的處理工作，對于及時(shí)并且準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)高壓輸電線路故障問題具有很重要的意義。在地面基站，操作人員可以通過Mission Planner操作界面實(shí)時(shí)操控?zé)o人飛行器，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)實(shí)時(shí)巡檢高壓輸電線的工作效果。

圖9 Mission Planner操作界面

高壓線路演示如圖10所示。識別電力線演示DEMO，可以手動(dòng)將多旋翼飛行至電力線路周圍，采集圖像后通過霍夫變換，將所拍到的圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像，通過軟件計(jì)算識別出目標(biāo)電力線，去除無意義的圖像，幫助巡線人員更準(zhǔn)確地判斷高壓輸電線路的損壞類型以及損壞程度。

圖10 高壓線路演示

4 結(jié)束語

多旋翼無人飛行器巡線系統(tǒng)結(jié)合了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在Linux嵌入式操作系統(tǒng)下通過攝像頭進(jìn)行視頻捕捉，并通過網(wǎng)橋?qū)⑿盘枌?shí)時(shí)傳回地面。實(shí)驗(yàn)演示結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性和很高的準(zhǔn)確率，實(shí)現(xiàn)了以較低的成本完成高清視頻的傳輸，有助于及時(shí)發(fā)現(xiàn)高壓輸電線路故障，幫助巡線人員更準(zhǔn)確地判斷高壓輸電線路的損壞類型以及損壞程度，對于解決高壓輸電線路檢修難這一問題具有前瞻性意義。