基于多旋翼無人機平臺的高性能電力綜合巡檢系統(tǒng)設計

李 寧，李 波，陳 煒，康 瑞，楊少賓

（國網(wǎng)寧夏電力有限公司檢修公司，寧夏銀川 750011）

近年來，我國的電網(wǎng)建設取得了迅速的發(fā)展。從特高壓輸電到主動配電網(wǎng)均獲得了較大的發(fā)展，也逐漸改變了能源的供應方式，提升了能源的供應效率[1]。但日益擴大的電網(wǎng)規(guī)模需要花費更多的人力、物力去維護，由此也產(chǎn)生了較高的運維檢修費用；同時由于大部分的輸電線路和高壓變電站地理分布較為復雜，通常需要穿越高山、冰區(qū)及無人區(qū)等[2]。這不僅增加了運維檢修成本，且存在較大的安全隱患。因此，利用無人機進行電力巡檢成為一種可靠的解決方案。在近年來，隨著無人機技術(shù)與性能的不斷提升，極大地減少了電力設備巡檢的工作量和危險性[3-5]。

目前，國內(nèi)外學者針對無人機電力設備巡檢系統(tǒng)和硬件均作了較大的改進。文獻[6]對無人機的電力線路巡檢中關(guān)鍵技術(shù)作了全面的論述；文獻[7]對微型四旋翼無人機在電力巡檢中的應用開發(fā)了較靈活、實用的系統(tǒng)。國外由于巡檢系統(tǒng)結(jié)構(gòu)已較為完善，其研究主要集中于提升無人機的續(xù)航能力[8]、操作靈活性[9]以及圖像識別[10]等方面，旨在開發(fā)出一種高性能、準確度高的無人機電力巡檢軟硬件平臺。

綜上所述，雖然無人機電力巡檢已被應用于電力系統(tǒng)的設備巡檢中。但受制于無人機的性能和續(xù)航能力、圖像識別、數(shù)據(jù)處理的準確性等，尚存在較多可提升的方面，具有較大的研究潛力及意義。

1 無人機巡檢系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能

1.1 整體方案

典型的無人機巡檢系統(tǒng)主要分為5 個部分[11]，包括無人機本體、導航、跟蹤、云平臺及地面信息平臺。其主要構(gòu)成與聯(lián)系如圖1 所示。

圖1 無人機巡檢系統(tǒng)構(gòu)成

無人機巡檢系統(tǒng)中的無人機系統(tǒng)是電力巡檢的主要載體，也是最重要的部分，保障無人機系統(tǒng)的安全、可靠運行是通過無人機進行電力巡檢的基礎(chǔ)。無人機系統(tǒng)主要是指無人機內(nèi)部的控制系統(tǒng)，用于自平衡、自動調(diào)整飛行角度、故障保護等。導航系統(tǒng)作為無人機電力巡檢平臺的定位手段，借助GPS[12]和北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)[13]可以較準確地定位無人機的位置。同時通過云平臺返回其方位和所拍攝圖形的位置，以便巡檢人員判斷無人機與電力設備所在的具體位置。航點跟蹤系統(tǒng)作為無人機失靈時的保護系統(tǒng)，在目前無人機可靠性有限的情況下具有較重要的作用。云平臺系統(tǒng)和地面信息系統(tǒng)是處理無人機拍攝成果的主要渠道，無人機將拍攝的圖片、視頻、地理位置等其他信息上傳至云平臺，進而傳輸至地面信息處理站點。地面信息處理站通過圖像識別或人為判斷，可以判斷該處電力設備的運行狀態(tài)。地面信息系統(tǒng)可同時向無人機發(fā)送控制指令，方便操作人員更全面地查看某電力設備[14]。

1.2 四旋翼無人機本體設計

四旋翼無人機是無人機電力巡檢最關(guān)鍵的設備，其飛機本體上搭載有通信設備和飛行控制系統(tǒng)。其中飛行控制系統(tǒng)是無人機系統(tǒng)的核心，關(guān)系著無人機飛行的穩(wěn)定性和控制的靈活性[15]。

飛行控制系統(tǒng)應具備的功能有：

1）在不同的環(huán)境因素（溫度、風速）下保持飛行器的穩(wěn)定性；

2）根據(jù)操作員的指令調(diào)整飛行；

3）與地面信息站和云平臺進行信息交換與傳遞；

4）具備一定的二次開發(fā)功能。

1.3 定位設計

無人機巡檢系統(tǒng)的定位設計主要是通過測量飛行器所處位置，利用組合定位技術(shù)對多種物體進行測量，進而根據(jù)測量值之間的比較，得出相對誤差并修正參數(shù)。位置信息可分為GPS 數(shù)據(jù)和INS 數(shù)據(jù)。在這一問題上，卡爾曼濾波法通常被認為是較好的解決方式。

結(jié)合卡爾曼濾波，通過GPS、INS 的位置信息探測結(jié)果，得到相對準確的定位信息。其具體原理如圖2 所示。

圖2 差分GPS/INS組合定位原理

2 系統(tǒng)軟硬件環(huán)境搭建

2.1 Onboard系統(tǒng)設計

Onboard[16]系統(tǒng)由傳感、計算及通信等設備組成，該系統(tǒng)具有豐富、全面的功能，包含較多的飛行模式選擇、飛行數(shù)據(jù)獲取和自主巡航等能力，而且具備二次開發(fā)性。其具體構(gòu)成關(guān)系如圖3 所示。

圖3 云平臺檢測系統(tǒng)

其軟件實現(xiàn)過程和命令的過程如下：

1）無人機飛行狀態(tài)與云平臺控制；

2）無人機搭載相機拍攝圖像指令控制；

3）無人機搭載相機拍攝視頻指令控制；

4）設備與云平臺數(shù)據(jù)交換控制；

5）無人機飛行路徑控制（圓弧或矩形）；

6）獲取無人機各個系統(tǒng)的詳細數(shù)據(jù)。

2.2 硬件環(huán)境

定位基站的發(fā)送信號與接收信號分布在不同的模塊，其通過串口與云平臺進行數(shù)據(jù)傳輸，然后通過信息傳送設備將圖像、視頻等傳輸至地面信息站。

3 多旋翼無人機控制算法及改進

3.1 航線控制算法

無人機航線控制算法主要由系統(tǒng)巡檢平臺搭載和實現(xiàn)。對于激光雷達無人機采集的高精度數(shù)據(jù)和關(guān)鍵點，比如桿塔周圍、線路沿線及變壓器等，鐵塔一般需要根據(jù)其線路回數(shù)取不同的采集點。無人機主要懸浮位置如圖4 所示。

圖4 無人機巡檢主要懸浮位置

根據(jù)巡檢需要，無人機的巡檢路線和停留懸浮關(guān)鍵點需滿足式（1）的要求：

式（1）中，y1、y2分別為在一定的磁場干擾下，無人機保持既定路線的距離。實際使用中，需要根據(jù)式（1）與不同的應用場景綜合制定關(guān)鍵點的采集位置，由此得出無人機的最優(yōu)巡檢、懸浮路線，保證四旋翼無人機的穩(wěn)定、高效工作。

3.2 圖像識別處理

圖像的信息識別是各行各業(yè)開展無人工作的研究重點，識別信息的準確性直接決定了所采集信息是否能夠被使用。該文基于四旋翼無人機的高性能電力綜合巡檢平臺，采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡作為圖像識別的方法。該方法結(jié)合梯度下降算法進行訓練，且需要收集大量的原始數(shù)據(jù)進行訓練、提取特征和分類。收集數(shù)據(jù)輸入至卷積神經(jīng)網(wǎng)絡的系統(tǒng)中，最終形成合格的圖形識別流程和模式，并對大量數(shù)據(jù)進行智能訓練分析。

卷積神徑網(wǎng)絡原理如圖5 所示。

圖5 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡原理

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡的輸入輸出關(guān)系如式（2）所示。

式（2）中，Wi為權(quán)值向量；f(·)為激勵函數(shù)；Hi為特征圖。

下采樣層的主要功能一方面是對所采取的數(shù)據(jù)進行降維處理，另一方面需要保持關(guān)鍵特征值不變。假設Hi是下采樣層，則：

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡映射后的數(shù)學模型為：

式（4）中，W和b為可變參數(shù)。設η為殘差控制傳播強度，則有：

該文所建立的無人機巡檢系統(tǒng)是基于上述卷積神經(jīng)網(wǎng)絡方法進行的。在多次的訓練后，能夠生成智能特征提取模型。在處理數(shù)據(jù)后，還需對數(shù)據(jù)進行校驗和改正，整理誤差數(shù)據(jù)并形成操作報告。這種做法正是在大量數(shù)據(jù)找規(guī)律的基礎(chǔ)上進行的，顯著提升了處理效率和準確性。

3.3 遙控距離增程

在無人機內(nèi)部飛控主板引一條36 V 供電焊點，通過5 V 降壓模塊連接到2.3 W 的2.4/5.8 雙頻功率放大芯片。將兩個信號接發(fā)端口與無人機原有端口連接，提升無人機收發(fā)信號的強度。具體結(jié)構(gòu)如圖6、圖7 所示。

圖6 天線接口示意圖

圖7 無人機遙控器功率放大接線

3.4 電池續(xù)航

我國無人機電力巡檢的主要瓶頸在于無人機的性能，比如無人機續(xù)航能力、飛行穩(wěn)定性等因素。國內(nèi)外目前正在開發(fā)石墨烯電池，但并未實現(xiàn)技術(shù)突破。氫燃料電池雖然續(xù)航能力強，但成本過高，而且穩(wěn)定性、安全性和小型化等因素始終是阻礙民用無人機技術(shù)應用的重要原因。

該文以DJI Mavic 2 無人機為例，其采用智能鋰聚合物電池，提高其續(xù)航能力的方案如下：

第一步，并聯(lián)增容，使用EV2300 將無人機智能電池連接至PC 電腦USB 接口處。利用BQ30Z50 電池狀態(tài)調(diào)參軟件將無人機智能電池固件備份，以防電池鎖住。

第二步，更改電機濾波器算法，將無人機拆解，找到電調(diào)與飛控連接焊點處。使用電烙鐵將其拆解開，然后將兼容Betaflight-Configurator 軟件的飛控重新焊接至電調(diào)上。將數(shù)據(jù)線的一端與飛控連接，另一端連接PC 的USB 接口。打開Betaflight-Configurator 軟件，使用電機極數(shù)將ERPM 轉(zhuǎn)換為RPM。RPM 濾波是一組36 陷波濾波器，用于陀螺儀和Dterm（可選）。Dterm 使用RPM 遙測數(shù)據(jù)，以預定精度去除電機噪聲。以上操作完成后，通過飛控命令欄保存電調(diào)參數(shù)。

4 系統(tǒng)應用實踐

根據(jù)上述原理，建立四旋翼無人機電力巡檢平臺并進行應用實踐。測試所使用的無人機型號為大疆精靈Phantom 4 RTK，采用北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)，測試對象為23 km 的同塔雙回110 kV 線路。

實踐結(jié)果表明，該高性能無人機平臺顯著提升了電力巡檢的準確性和效率，減少了電力巡檢尤其是輸電線路巡檢的危險性，保證了作業(yè)質(zhì)量。詳細作業(yè)指標參數(shù)對比如表1 所示。

表1 作業(yè)關(guān)鍵指標參數(shù)對比

該文所述的高性能電力綜合巡檢系統(tǒng)大幅度提升了四旋翼無人機的續(xù)航里程和圖形識別精度。在經(jīng)濟性方面，110 kV 線路1 km 成本從500 元降低至100 元；巡檢線路故障準確性由95%提升至98%；工作效率由20 min/km 降低至5 min/km；續(xù)航平均時長由15 min 提升至22 min。在保證精度和提升效率的前提下，顯著降低了電力巡檢的經(jīng)濟性，并提升了電力巡檢的安全性。

5 結(jié)束語

目前智能電網(wǎng)的發(fā)展較為迅速，研究者結(jié)合泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的概念，對電力設備的無人機自動巡檢系統(tǒng)進行了大量的探索。作為實現(xiàn)智能化巡檢的載體，對無人機高性能電力綜合巡檢平臺的研究尤為重要。該文基于現(xiàn)有四旋翼無人機，對其續(xù)航能力和數(shù)據(jù)處理準確性進行了改進。結(jié)合無人機精確控制算法，使無人機能夠自主捕捉觀測關(guān)鍵點。結(jié)果表明，文中所建立的無人機高性能電力綜合巡檢系統(tǒng)平臺能夠?qū)﹄娏υO備進行準確、高效的檢測，且不存在安全風險。