輸電線路無人機精細化巡檢自動駕駛系統研發與應用

王成皓，黃海鵬，周海峰，唐光輝

（深圳供電局有限公司輸電管理所，廣東 深圳 518001）

0 引 言

隨著高等級輸電線路的不斷發展，輸電線路的精細化巡檢作業對維護區域電網的安全、穩定及高效運行越來越重要，成為電網運行的當務之急[1,2]。輸電線路跨區域分布，點多面廣，所處地形復雜，自然環境惡劣，設備長期暴露在野外，受到持續的機械張力、雷擊閃電、材料老化、覆冰以及人為因素的影響容易造成倒塌、斷股、磨損、腐蝕與舞動等現象，此外絕緣子還存在被雷擊損傷、樹木生長引起高壓放電以及絕緣劣化導致輸電線路事故，桿塔存在被偷盜等意外事件[3-5]。傳統的人工輸電線路精細化巡檢工作強度大、時效和巡視效果差，難以多方位觀察線路本體、線路附屬設備、桿塔本體以及塔上附屬設備的狀況，需要巡檢人員爬塔，并借助輔助器材對電力設施進行近距離巡視，對人身安全構成很大威脅[6,7]。無人機技術的發展和通航領域政策的逐步放開，有效解決了電力線路巡檢的難題，推進了傳統人工巡檢模式向機巡模式的轉變[8]。南方電網“十三五”規劃明確提出，要全面推行“機巡+人巡”的巡線模式，并在2020年底基本實現“機巡為主、人巡為輔”的協同巡檢目標[9]。

隨著無人機市場的不斷擴大和無人機精細化巡檢的不斷深入，多旋翼無人機具有靈活快速、安全性高、操作簡單、中、近距離的定點以及機動巡查等特點。通過搭建RTK高精度定位模塊，可實現輸電線路的精細化巡檢[10]。無人機飛手通過采用人工操控多旋翼無人機的方式進行精細化巡檢，由于操作水平的不同，無人機的拍攝位置、高度、部位以及順序等均會有較大差異，每次的拍攝質量也因人而異，增加了巡視的安全風險和后續缺陷分析的難度[11]。為有效解決上述問題，本文基于輸電線路精細化巡檢的內容和要求，采用智能飛行控制技術和機器學習算法，自主研發了一款針對輸電線路無人機精細化巡檢的自動駕駛系統，以減少人工操作，降低安全風險，減少事故率，實現無人機輸電線路的自動精細化巡檢。

1 輸電線路精細化巡檢方法及內容

1.1 輸電線路精細化巡檢方法

電力巡檢是指及時并準確地巡視檢測電力線路和附屬設備的運行狀態以及電力線路走廊周邊的環境狀況。通過排查發現故障點及危及電力安全的潛在隱患并進行有效排除，確保輸電線路安全可靠運行。目前，常用的電力巡檢方法有傳統人工巡檢、特種機器人巡檢、載人直升機巡檢、固定翼無人機巡檢以及多旋翼無人機巡檢等，將無人機應用于電力巡檢可以大幅度減輕電力巡檢方面的各項投入，降低人工成本和勞動強度，提高工作效率，保障作業安全，解決傳統巡線中所遇到的困難，有利于推動智能電網數字化建設，實現安全、高效、精細且經濟的電力巡檢目的。

1.2 輸電線路精細化巡檢內容

無人機技術的發展大大減輕了電力巡檢人員的作業負擔，以多旋翼無人機為例，通過多旋翼無人機精細化巡檢可以清楚判斷輸電線路的重要部件是否受到損壞，保證輸電線路的安全，保障居民用電。其主要用于220 kV及以上輸電線路的架空輸電線路巡檢，主要巡檢方式為拍照和錄像等，巡檢對象為線路本體、線路附屬設備、桿塔本體以及塔上附屬設備。

多旋翼無人機精細化巡檢分為正常巡檢、故障巡檢以及特殊巡檢。其中，正常巡檢主要對輸電線路導線、地線和桿塔上部的塔材、金具、絕緣子、附屬設施以及線路走廊等進行常規性檢查。故障巡檢主要是在線路發生故障后，根據故障信息確定重點巡檢區段和部位，采用無人直升機查找故障點及其他異常情況。特殊巡檢主要是根據季節特點、設備內外部環境及特殊生產需要做出的加強性、防范性及針對性巡檢，如鳥害巡檢、樹竹巡檢、防火燒山巡檢、外破巡檢以及災后巡檢等。

除正常巡檢、故障巡檢以及特殊巡檢外，還可將無人機應用在電網災后故障巡檢。當災害導致道路受阻人員無法巡檢時，無人機可以發揮替代作用，開展輸電線路巡查，準確定位桿塔和線路故障，且視角更廣，能避免盲點。

2 自動駕駛系統各模塊功能

輸電線路無人機精細化巡檢自動駕駛系統是基于Android移動操作系統和大疆SDK自主研發的、針對輸電線路精細化巡檢的作業特點深度定制的無人機自動駕駛系統。系統功能分為數據采集、模式切換、任務管理以及飛行記錄4大模塊，具體功能如下。

2.1 數據采集模塊

數據采集模塊主要用于精細化巡檢作業的顯示，內置Google地圖和高德地圖兩種互聯網主流地圖，每種地圖均包含常用路網地圖或衛星影像地圖，可通過地圖切換完成轉換顯示。提供快速定位功能，當設備連接時定位功能進行的是無人機定位，當設備未連接時定位功能進行的是手機定位。在無人機的飛行過程中，可實時顯示無人機在飛行過程中的位置、視頻以及各種姿態參數等信息，并提供GPS信號強度、衛星數量、圖傳信號強度、遙控器信號強度、電量、云臺角度、飛行高度、飛行距離、飛行速度、垂直速度、飛行時長、曝光數量、曝光補償以及相機模式等參數的顯示功能。此外，還提供實時天氣預報功能和禁飛區提示功能。

2.2 精細巡視模塊

精細巡視模塊可分為學習模式和巡檢模式。學習模式可以記錄飛行的軌跡和拍攝位置，記錄下來的信息將會在巡檢模式中作為飛行依據，而巡檢模式可以按照學習模式記錄下來的信息進行自動飛行。該模塊具備KML或者Excel格式的桿塔坐標位置導入功能，可以新增桿塔、追加桿塔、刪除桿塔、保存單點桿塔的飛行路徑，還可同時保存多個桿塔的飛行路徑，并將其保存為KML文件。為確保每個巡視人員能夠安全操作無人機進行精細化巡視，可以在學習模式下由有經驗的巡視人員先控制無人機進行巡視，完成之后再由其他的非專業巡視人員在巡檢模式下按照學習模式記錄的軌跡和拍照位置進行自動化巡檢。

2.3 任務管理模塊

任務管理模塊用于記錄所有飛行任務的名稱、日期、高度、重疊度、航線規劃以及完成狀態，支持任務的預覽、刪除、編輯、上傳、斷點續飛等功能，還提供影像預覽、上傳圖像、拼接圖像、刪除任務等功能。可以通過藍牙將任務的信息同步到其他移動端，也可以將影像數據上傳到云端或者傳輸到深度影像處理系統中進行處理。

2.4 飛行記錄模塊

飛行記錄模塊具有飛行記錄預覽、飛行信息統計、飛行記錄查看以及飛行記錄刪除等功能，可查看每次飛行任務的日期、經度、緯度、里程、飛行時長等基本信息，提供該架無人機的總飛行時間、里程、次數等統計信息，并可瀏覽和刪除飛行記錄。

3 工程應用

基于多旋翼無人機，利用該自動駕駛系統在深圳市大鵬區500 kV輸電線路進行測試應用，獲取的精細化巡檢影像如圖1所示，巡檢線路的點云數據如圖2所示。輸電線路精細巡檢數據的獲取是進行桿塔缺陷隱患分析的前提和基礎，將獲取的精細化巡檢數據應用于桿塔的缺陷隱患分析中可實現缺陷隱患的自動識別與分類，缺陷自動識別的結果如圖3所示。

圖1 精細化巡檢影像

圖2 巡檢線路的點云數據

試驗結果表明，該系統具有高精度定位、航線自動規劃、一鍵起飛、自主作業、自動返航、斷點續飛以及智能避障等特點，可有效地完成精細化的輸電線路無人機巡視作業，保證作業安全。利用無人機自動駕駛系統采集得到的影像數據質量好，距離桿塔近，能夠清楚地展示桿塔的部件信息。將其應用于缺陷隱患識別軟件中可實現缺陷的自動識別，具有較高的效率。

4 結 論

輸電線路無人機精細化巡檢自動駕駛系統具有數據采集、模式切換、任務管理以及飛行記錄4大模塊，可自動記錄人工操控無人機巡檢的起飛位置、桿塔部位的選定位置及拍攝角度等全過程信息，詳細記錄巡視路徑節點，形成每個點位的最佳采集方案，并存貯在系統中，形成機器學習的全自動化桿塔精細化空中飛行巡視采集作業流程。

通過試驗表明，利用無人機自動駕駛系統采集得到的影像數據質量好，距離桿塔近，能夠清楚地展示桿塔的部件信息。將其應用于缺陷隱患識別軟件中可實現缺陷的自動識別，具有較高的效率，對于無人機輸電線路的精細化巡視作業具有良好的適用性。