可測距的多旋翼無人機(jī)在輸電線路運(yùn)維中的應(yīng)用

楊靜思

（云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司昭通供電局，云南 昭通 657000）

0 引 言

輸電線路運(yùn)維檢修是一項(xiàng)系統(tǒng)性較強(qiáng)且較為復(fù)雜的工程。借助人工的方式進(jìn)行檢修不僅會(huì)消耗大量的人力、物力和財(cái)力，而且會(huì)影響輸電線路運(yùn)維和檢修的整體效率。而使用無人機(jī)技術(shù)能有效提高輸電線路運(yùn)維檢修工作的質(zhì)量和效率，及時(shí)發(fā)現(xiàn)線路中的故障問題，并將相關(guān)信息傳遞給相關(guān)人員，便于其及時(shí)采取有效的解決措施，促進(jìn)輸電線路的穩(wěn)定運(yùn)行，在時(shí)效性、智能化方面具有較為明顯的優(yōu)勢。

1 多旋翼無人機(jī)在輸電線路運(yùn)維檢修中的應(yīng)用優(yōu)勢與功能定位

1.1 多旋翼無人機(jī)應(yīng)用優(yōu)勢

將無人機(jī)應(yīng)用于輸電線路運(yùn)維檢修中具有非常明顯的優(yōu)勢。相較于常規(guī)方式而言，無人機(jī)并不受地形方面的限制，并且也不受復(fù)雜環(huán)境、惡劣天氣等方面的影響，其巡視范圍較為廣泛且精度較高，降低了人工作業(yè)強(qiáng)度，同時(shí)也降低了作業(yè)過程中的風(fēng)險(xiǎn)。此外，與其他技術(shù)相比，通過無人機(jī)展開相關(guān)作業(yè)能有效降低運(yùn)維和檢修成本，如時(shí)間成本、人力成本和費(fèi)用成本，使運(yùn)維檢修工作變得更加靈活、高效。無人機(jī)在輸電線路缺陷識(shí)別方面也具有較強(qiáng)的能力，如線路基礎(chǔ)、塔體設(shè)備故障等關(guān)鍵部位的缺陷。

1.2 多旋翼無人機(jī)巡檢的功能定位

在輸電線路運(yùn)維和檢修過程中使用無人機(jī)展開相關(guān)工作，要求無人機(jī)具備以下幾項(xiàng)功能，才能保證運(yùn)維和檢修工作的有效展開。第一，具備通信功能，包括對(duì)飛行狀態(tài)、機(jī)載設(shè)備工作狀態(tài)、飛行參數(shù)、設(shè)備參數(shù)、信息傳輸與記錄以及后背冗余鏈路等方面的通信功能，實(shí)現(xiàn)地面與無人機(jī)采集信息的有效對(duì)接。第二，具備安全保護(hù)功能，包括對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)、意外安全保護(hù)、安全油量返航、容錯(cuò)控制以及鏈路中斷返航等安全保護(hù)功能。第三，具備監(jiān)控顯示功能，要能實(shí)時(shí)記錄無人機(jī)各個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)、飛行航跡、遙測參數(shù)綜合梳理以及地圖編輯等方面的數(shù)據(jù)信息。同時(shí)，具有對(duì)外通信的接口，方便和外部設(shè)備及地面信息站進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和交換。

2 多旋翼無人機(jī)在輸電線路運(yùn)維檢修中的應(yīng)用

2.1 線路缺陷巡視

我國輸電線路敷設(shè)的范圍非常廣泛，在一些偏遠(yuǎn)山區(qū)、地形復(fù)雜的區(qū)域也有大量的線路敷設(shè)，但由于受到各方面自然因素的影響，使得線路中的缺陷問題無法及時(shí)被發(fā)現(xiàn)。如果單純地靠人工方式進(jìn)行巡檢，不僅會(huì)花費(fèi)大量的時(shí)間和精力，而且會(huì)增加成本[1]。而使用無人機(jī)進(jìn)行線路巡視，能在降低成本的同時(shí)節(jié)省檢修時(shí)間。通過對(duì)無人機(jī)進(jìn)行控制來對(duì)輸電線路進(jìn)行航拍，并將所拍攝到的畫面通過終端及時(shí)傳遞到地面控制中心，對(duì)人工巡視工作中受到遮擋的缺陷位置進(jìn)行更加全面的觀測，如圖1所示。

圖1 線路缺陷巡視

2.2 線路故障巡視

我國輸電線路錯(cuò)綜復(fù)雜且規(guī)模較為龐大，極易受地形地貌、惡劣氣候條件、異物以及施工等方面的影響而出現(xiàn)故障。例如：線路遭受雷擊而導(dǎo)致斷線漏電，異物落在線路上而導(dǎo)致線路短路等，都會(huì)影響人們的正常生產(chǎn)和生活。當(dāng)出現(xiàn)故障問題時(shí)，使用無人機(jī)來對(duì)故障進(jìn)行檢修，不僅不會(huì)受自然條件和地形地貌的影響，而且安全方便。無人機(jī)自身搭載的各種設(shè)備和系統(tǒng)能對(duì)故障位置進(jìn)行準(zhǔn)確定位，并能根據(jù)故障位置信息確定精準(zhǔn)航線，第一時(shí)間飛到故障區(qū)域查找故障點(diǎn)，將相關(guān)信息傳輸?shù)娇刂浦行模欣诠ぷ魅藛T及時(shí)采取相應(yīng)的措施解決故障。

2.3 樹障測量

在實(shí)際情況中，檢修人員在檢修過程中極易受到樹木的遮擋而影響正常檢修，無法對(duì)導(dǎo)線凈空進(jìn)行有效測量，或是測量出的數(shù)據(jù)與實(shí)際情況存在較大誤差，進(jìn)而導(dǎo)致停電周期過長，運(yùn)維管理單位無法及時(shí)獲得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，從而為線路的安全和穩(wěn)定運(yùn)行帶來了一定隱患。而借助無人機(jī)及相關(guān)裝置（如視頻采集裝置、超聲波測距裝置等），通過其搭載的裝置，能更加精準(zhǔn)地測量樹障與導(dǎo)線凈空，為檢修工作提供有效的參考，提升檢修效率。

2.4 新建線路的驗(yàn)收

當(dāng)新線路建成后，需要對(duì)線路進(jìn)行全面驗(yàn)收，而過去普遍采用人工登塔走線的方式來進(jìn)行驗(yàn)收。采用該方式進(jìn)行驗(yàn)收，不僅工作量大，而且危險(xiǎn)性較高。如果受到自然因素的影響（如北方連續(xù)降雪、南方雨季等），還可能會(huì)耽誤驗(yàn)收工作，影響電力系統(tǒng)的正常運(yùn)作。而使用無人機(jī)技術(shù)來進(jìn)行運(yùn)維管理，能事先按照設(shè)定好的精準(zhǔn)航線進(jìn)行懸停，并對(duì)輸電線路中的導(dǎo)線、鐵塔、絕緣子以及附屬設(shè)施等進(jìn)行全方面、精細(xì)化的檢查，并及時(shí)保存和傳輸相關(guān)影像資料，以保證輸電線路驗(yàn)收的質(zhì)量。同時(shí)，其在復(fù)檢消缺方面具有較大的便捷性，能有效提高作業(yè)效率，降低危險(xiǎn)性。

3 可測距的多旋翼無人機(jī)研發(fā)的必要性分析

輸電線路大多分布在野外，運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜。按照輸電線路運(yùn)行規(guī)程的要求，線路管理部門需要定期對(duì)線路走廊開展巡視工作，測量走廊內(nèi)的樹木和建筑物與導(dǎo)線的距離，及時(shí)砍伐距離小于安全距離的樹木。常用的測量儀器包括激光測距儀、經(jīng)緯儀以及測高桿等，但均存在一定的局限性，如測量精度較差、使用受地形限制等。

因此，研發(fā)可測距的多旋翼無人機(jī)就顯得非常必要。在研發(fā)過程中，使無人機(jī)掛載激光測距儀，并進(jìn)行一定的改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、高精度地測量各類樹障、建房、外破等隱患點(diǎn)與導(dǎo)線的實(shí)際距離，同時(shí)覆蓋經(jīng)緯儀測量方法無法作業(yè)的盲區(qū)。

4 可測距的多旋翼無人機(jī)的研發(fā)方案

4.1 無人機(jī)測距系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本無人機(jī)測距平臺(tái)主要包括無人機(jī)系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)、測距系統(tǒng)和地面站。無人機(jī)系統(tǒng)通過機(jī)載GPS定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲得飛行高度、速度以及位置等信息，通過機(jī)載變焦攝像機(jī)實(shí)時(shí)記錄拍攝到的圖像信息，通過機(jī)載數(shù)傳和圖傳把飛行數(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛嬲镜谋O(jiān)控器，為操控人員提供及時(shí)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持[2]。為實(shí)現(xiàn)圖像采集與測距裝置的有效結(jié)合，系統(tǒng)配備測距顯示系統(tǒng)，由專門人員負(fù)責(zé)測距工作，當(dāng)?shù)孛婀ぷ魅藛T通過工作站向機(jī)載測距單元發(fā)送采集指令之后，機(jī)載數(shù)據(jù)采集模塊根據(jù)指令完成數(shù)據(jù)采集，并通過機(jī)載數(shù)傳把測得的數(shù)據(jù)發(fā)送到地面工作站，地面工作站對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、計(jì)算和保存，如圖2所示。

圖2 無人機(jī)控制系統(tǒng)示意圖

4.2 激光測距云臺(tái)研制

第一，為達(dá)到較好的測距效果，無人機(jī)云臺(tái)采用三軸云臺(tái)，結(jié)合精密的云臺(tái)控制算法，精準(zhǔn)控制相機(jī)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)拍攝圖像的零抖動(dòng)。無人機(jī)上掛載光學(xué)變焦相機(jī)，通過無線通信實(shí)現(xiàn)空中變焦，便于巡檢人員對(duì)線路、桿塔的具體部位進(jìn)行檢查。在無人機(jī)一側(cè)，安裝圖像監(jiān)測裝置，將圖像實(shí)時(shí)回傳至地面，為操控手選擇最終懸停位置及姿態(tài)調(diào)整提供決策依據(jù)。另外，通過在無人機(jī)前端安裝激光測距裝置，使無人機(jī)與漂浮異物之間距離實(shí)時(shí)顯示在地面站顯示屏上，為操控手快速進(jìn)入最佳懸停作業(yè)位置提供支持，同時(shí)利用可靠的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)規(guī)避了經(jīng)驗(yàn)偏差風(fēng)險(xiǎn)。

第二，將激光測距傳感器、傾角傳感器和IOSD視頻疊加模塊安裝到云臺(tái)中，實(shí)時(shí)將飛行器的多項(xiàng)狀態(tài)信息（高度、速度、姿態(tài)角、電池電壓、控制模式）疊加到視頻信息上，通過無線數(shù)傳、圖傳發(fā)送至地面監(jiān)控器，使操作人員實(shí)時(shí)掌握無人機(jī)的狀態(tài)和坐標(biāo)[3]。

第三，測距系統(tǒng)軟件開發(fā)。激光測距儀測出的數(shù)值和云臺(tái)的角度通過數(shù)傳直接傳到地面站，測距軟件能自動(dòng)解算出導(dǎo)線到障礙物的凈空距離。將軟件算出的測量數(shù)據(jù)與實(shí)際距離進(jìn)行對(duì)比，若誤差保持在0.5 m以內(nèi)，就滿足設(shè)計(jì)和應(yīng)用要求。圖3為云臺(tái)相機(jī)示意圖。

4.3 效果分析

本項(xiàng)目研制成功后，在班組的日常巡視中，若發(fā)現(xiàn)有隱患點(diǎn)，便能及時(shí)進(jìn)行隱患點(diǎn)的準(zhǔn)確測量，并給隱患點(diǎn)定級(jí)，有序地開展隱患管控工作。可測距的多旋翼無人機(jī)在輸電線路運(yùn)維中的應(yīng)用大大減少了工作人員的工作量，同時(shí)提升了測量效率和精度，對(duì)保障輸電線路的安全運(yùn)行具有重要意義。

圖3 云臺(tái)相機(jī)示意圖

5 結(jié) 論

隨著我國電力系統(tǒng)的發(fā)展，輸電線路的規(guī)模逐漸擴(kuò)大，線路敷設(shè)的復(fù)雜性也越來越高，從而為輸電線路的檢修工作帶來一定的影響。因此，我國相關(guān)部門已經(jīng)使用無人機(jī)技術(shù)對(duì)輸電線路進(jìn)行運(yùn)維和檢修。本文在傳統(tǒng)多旋翼無人機(jī)的基礎(chǔ)上添加云臺(tái)系統(tǒng)，構(gòu)建可測距的多旋翼無人機(jī)，能進(jìn)一步擴(kuò)展無人機(jī)在輸電線路運(yùn)維中的應(yīng)用范圍，提升線路運(yùn)維成效。