全時效巡檢無人機的研究與應用

陳海華，楊 磊，陳鳳翔，李若愚

（貴州電網有限責任公司，貴州 貴陽550000）

輸電線路巡檢作業通常安排在日間進行，以獲得良好光照條件。但山區輸電線路面臨多變的風、霧、霜、雨等微氣象環境，對機巡裝備提出了特別要求。同時，應急檢修作業也需要在夜間或復雜氣象條件下進行，當線路設備出現故障，或在臺風、山火、洪水、覆冰等災害發生后，通過無人機緊急勘察線路設備受損情況，以免帶故供電對人員和資產造成損害。輸電線路現有的無人機系統部分已具備一定的防雨、抗風、抗低溫能力，搭載紅外熱成像載荷的情況下能夠在夜間進行機巡作業，但缺少針對性的檢測負載，存在山區作業難度大、效率低、成本高等問題。本文研究結合紅外熱成像攝像頭、高清可見光攝像頭、LED補光燈設計一款針對山區復雜氣象環境的全時效特種作業無人機，獲取夜間真色彩、低噪度圖像，實現無人機夜間作業和雙通道融合檢測功能，為復雜光照和氣象條件下的應急巡檢提供一種可行、高效的技術方法。

1 全時效無人機整體設計

全時效無人機是指具備一定復雜氣象適應能力，在日間和夜間均能進行高效巡檢作業的無人機系統，包括全天候無人機飛行平臺和全時效作業負載。全天候無人機飛行平臺以多旋翼能夠懸停觀測的無人機為主，以現有某無人機系統為例，機身防護能力達到了IP45，可承受15m/s大風，最大遙控距離8公里，具備LTE備份通信鏈路和冗余導航定位系統，機身六向采用了光流和紅外避障技術，有效避障距離達到5m以上，可搭載水平環掃毫米波雷達實現對線纜級細小物體的避障，配備了夜航燈和主動示蹤通信系統，基本滿足夜間和復雜氣象條件下的飛行要求。負載方面無人機廠家提供了可見光、紅外熱成像一體相機，日間可見光檢測線路的銷釘級缺陷，日間或夜間被動紅外熱成像檢測設備表面溫度異常情況，單相機負載不具備夜間檢測銷釘級缺陷的能力。搭配探照燈多負載模式下通過云臺同步能夠擴展夜間檢測能力，但存在增加了機身起飛重量和耗電，縮短了續航時間；復雜氣象條件下探照燈使用時間不確定，常態多負載配置成本高等問題。電網線路巡檢需要集成度更高的一體化載荷以適應復雜多變的山區作業環境和時敏性任務作業需求。

全時效負載整體設計主要從以下幾方面考慮：一是應能兼容主要的飛行平臺，從重量、能耗、控制、功能等方面均能適配現有輕型、小型無人機飛行平臺（最大起飛重量分別為小于等于7kg和25kg），且不影響飛行平臺本身性能；二是可見光和紅外熱成像相機的空間分辨率均能滿足距離成像10m以外發現銷釘級缺陷或線纜直徑大小異常溫度區域的要求；三是可見光、紅外熱成像、LED補光燈高度集成同時工作情況下，能夠避免光源、熱源相互干擾，實現長時間穩定工作。

2 全時效負載設計

依據功能開放程度，無人機飛行平臺可分開放負載軟件開發包（SDK）和不開放負載SDK兩類。其中，前者機身防護等級更高，功能更強，代表了無人機發展趨勢；后者使用簡單，存量巨大。前者為研究的主要兼容方向。

2.1 功能模塊

對于開放負載SDK的無人機系統，通過SDK開發，能夠實現云臺檢測，下行遙測、上行遙控鏈路，配合遙控端SDK開發，能夠在現有無人機系統基礎上集成自研負載，功能模塊設計如圖1所示。

圖1 傳感器功能模塊設計

無人機SDK調用無人機功能函數，實現基本模塊加載、數據訂閱、云臺控制、相機控制、圖傳、遙控器可視化控件等功能，搭建相機運行的基本功能環境?？梢姽夂图t外熱成像圖像經鏡頭分別采集后交由海思平臺處理，形成碼流傳回地面實時圖傳信號，或存儲在機身存儲介質內；支持二次分析的紅外熱成像原始照片交由STM平臺處理，存儲在機身內，飛行完成后進行詳細分析。相機控制包括圖像合成模式、拍攝錄像、LED燈由無人機SDK、海思平臺、STM平臺共同完成，實現完整的無人機負載功能。

2.2 檢測能力

可見光和紅外熱成像均應根據10m外檢測銷釘級缺陷為指標選用鏡頭和傳感器，空間分辨率如圖2所示。

圖2 視場角示意圖

鏡頭視場角和傳感器大小決定目標成像分辨率?？臻g分辨率如下式所示：

P為水平方向空間分辨率，單位為弧度；R為鏡頭視場角，單位為度；X為傳感器水平方向像元數。像元映射物體大小與物距相關，可按照下式略算：

N為該距離像元對應的物體大小，單位為m，又稱像方分辨率；L為相機至目標物體距離，單位為m。銷釘尺寸通常在20mm左右，輸電線纜直徑通常在10mm以上?？梢姽鈾z測銷釘缺陷時，銷釘成像大小應在10個像素以上，方能識別銷釘并判斷是否有缺失；紅外熱成像檢測時，線纜成像大小應在2至3個像素以上，方能區別顯示常見的溫度異常區域。當物距為10m時，不同分辨率和視場角的相機，像方分辨率如表1所示。

表1 像方分辨率計算

由計算可知，視場角越小，單位像素對應的物體越小，圖像分辨率越高。檢測要求可見光10個像素對應物體小于20mm，紅外熱成像2個像素對應物體小于10mm，結合表1計算結果可知，可見光視場角應小于55.5°，紅外熱成像視場角應小于25°，需選用滿足視場角要求的相機鏡頭作為全時效集成部件。實現結果中，可見光顯示中心將與紅外熱成像重合，顯示區域將大于紅外熱成像，以在融合檢測中實現各自的功能效果。

2.3 集成設計

全時效負載應能在夜晚正常作業，現有的可見光難以滿足低照度或無光條件下獲取真色彩、低噪度圖像要求，通過LED補光能夠在一定距離內實現夜間可見光檢測，同時LED補光可補充紅外熱成像反射光源，使熱成像效果距離更遠，成像效果更加細膩。但在相機內同時集成可見光、紅外熱成像傳感器，LED補光燈，控制芯片和圖像處理芯片等可能導致功耗器件過于密集，造成相互干擾和熱量積聚，影響設備穩定性和準確性。集成設計應從器件布局、結構材質等方面進行優化，布局圖如圖3所示。

圖3 傳感器布局圖

通過雙LED布局側邊布局高效利用相機空間，提供高亮度光源，滿足夜間巡視要求。散熱設計和實物如圖4所示。

圖4 傳感器散熱設計和實物圖

LED補光燈主要是熱源和光源，采用聚光、密封減少光源干擾，通過陶瓷隔熱片、金屬散熱片、內置風扇和底部透風孔，加快相機內外熱量交換，減少熱源干擾，保障高密度集成器件長時間正常工作。

3 全時效巡檢無人機應用實例

實際應用中，全時效巡檢無人機在夜間打開LED補光燈的情況下，能夠極大提高可見光成像質量，滿足夜間巡檢銷釘級缺陷的要求，重量和功耗相比單個融合傳感器并無明顯增加，以較少的硬件改動擴展了機巡作業無人機的夜間作業能力；同時可見光和紅外熱成像同屏顯示，互為補充，為夜間快速尋找缺陷隱患位置提供了融合感知手段，如圖5所示。

圖5 全時效巡檢無人機成像效果

4 結束語

隨著機巡作業在輸電線路巡檢應用中的深度發展，機巡裝備的標準化、特異化將同時得到增強，無人機將能覆蓋更大范圍和更多作業場景。通過研究基于現有無人機平臺的可見光、紅外熱成像、LED燈一體化任務負載，探索驗證了特種裝備研制方法，通過整體設計、傳感器選型、基礎搭建和散熱改良，研制了一款能夠保障輸電線路夜間和復雜氣象條件下巡視的特種負載，提高和完善了無人機巡檢的技術手段和適用范圍，對于提高電網服務水平、保障供電安全具有現實意義。