基于無人機(jī)低空遙感的輸變電線路定時巡檢系統(tǒng)

徐 梁，卜 京

（1.南京理工大學(xué)，江蘇南京 210094；2.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院有限公司，江蘇南京 211106）

目前，輸變電線路定時巡檢系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于我國高危電路巡檢領(lǐng)域，其可代替工作人員定期完成輸變電線路安全巡檢工作，為巡檢人員減輕了工作量，并保證工作人員的安全。但是輸變電線路定時巡檢系統(tǒng)在工作時，也逐漸暴露出一些功能問題，比如巡檢路線不完全、巡檢工作疏忽等，導(dǎo)致其難以達(dá)到大眾對系統(tǒng)工作的預(yù)期效果[1-2]。

設(shè)計(jì)輸變電線路定時巡檢系統(tǒng)的目的是在保證巡檢結(jié)果的基礎(chǔ)上減輕傳統(tǒng)輸變電巡檢的勞動強(qiáng)度，但是傳統(tǒng)的輸變電線路定時巡檢系統(tǒng)在工作過程中自動化程度低、事故風(fēng)險(xiǎn)高，并且部分巡檢的結(jié)果不具有意義[3]。為了解決以上問題，該文提出基于無人機(jī)低空遙感的輸變電線路定時巡檢系統(tǒng)，完善系統(tǒng)的功能，促進(jìn)輸變電線路定時巡檢系統(tǒng)的發(fā)展。該文從輸變電線路定時巡檢系統(tǒng)的硬件區(qū)域和軟件區(qū)域兩方面出發(fā)，突破傳統(tǒng)系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)，使無人機(jī)低空遙感的輸變電線路定時巡檢系統(tǒng)具有成本低、工作效率高、靈敏度強(qiáng)的特點(diǎn)，滿足巡檢工作的要求。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于無人機(jī)低空遙感的輸變電線路定時巡檢系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

1.1 攝像器

為了實(shí)現(xiàn)基于無人機(jī)低空遙感的輸變電線路定時巡檢系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集有效性，在TYU-98 攝像器內(nèi)置紅外光攝像頭，機(jī)器的長焦高分辨率可以達(dá)到1 024×720，另外具有30 倍的光學(xué)變焦，立體5.1 聲道，配有2.7 英寸的攝像屏幕。其示意圖如圖2 所示。該攝像器采用五軸光學(xué)防抖技術(shù)，配置920 萬像素，可以在外界干擾下保證巡檢拍攝的高清圖，TYU-98 攝像器的最大優(yōu)勢是可以實(shí)現(xiàn)定時拍照以及識別拍照，有利于系統(tǒng)巡檢線路的工作需求[4-5]。

圖2 TYU-98攝像器

1.2 定位器

基于無人機(jī)低空遙感的輸變電線路定時巡檢系統(tǒng)硬件區(qū)域的CMOS 定位器采用雙卡板衛(wèi)星GPS 定位模式。當(dāng)巡檢線路內(nèi)信號差時，采用雙卡板衛(wèi)星GPS 模式，可以增強(qiáng)信號連通的可能性，降低定位器單GPS 產(chǎn)生的定位誤差故障，滿足吸引巡檢過程中對定位器功能的要求[6]。另一方面CMOS 定位器根據(jù)我國地圖更新速度進(jìn)行規(guī)律更新，保證無人機(jī)巡檢線路各個位置的定位誤差不超過1 m，采用DSD音頻處理，內(nèi)置4+1 定位流程，保證輸變電線路內(nèi)點(diǎn)位的定位精度。CMOS 定位器定位過的位置不會經(jīng)過其他途徑面向他人，發(fā)送定位信息后，會立即對定位緩沖信息進(jìn)行銷毀，保證系統(tǒng)巡檢的安全性[7-8]。定位器電路如圖3 所示。

圖3 定位器電路

1.3 傳感器

硬件區(qū)域的傳感器的工作任務(wù)主要是對硬件區(qū)域其他器件采集的信息進(jìn)行互相傳輸，并且協(xié)作遙感器向軟件區(qū)域發(fā)送系統(tǒng)巡檢指令。精度測量單元也被稱為IMU，對于輸變電線路的測量精度可以精確到厘米，為無人機(jī)巡檢路線的規(guī)劃提供了基礎(chǔ)[9-10]。傳感器結(jié)構(gòu)如圖4 所示。計(jì)算機(jī)單元向遙感器提供輸變電線路精確的位置基準(zhǔn)，同時為慣性穩(wěn)定平臺提供精確的指向。

圖4 傳感器結(jié)構(gòu)

1.4 遙感器

為了滿足輸變電線路定時巡檢系統(tǒng)的功能要求，該文采用GYS-8390 遙感器，該遙感器的載荷能力為80 kg，在一個電池續(xù)航周期內(nèi)，可以持續(xù)工作72 h，該遙感器的遙感測量速度最快可以達(dá)到180 km/h，懸停升限為2 500 m。因?yàn)檩斪冸娋€路所屬的環(huán)境條件不穩(wěn)定，因此，GYS-8390 遙感器的抗風(fēng)能力為5 級，并且可以抵抗基本的電磁壓力，遙感器的適應(yīng)度較好，可以很快進(jìn)入工作狀態(tài)[11-12]。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

無人機(jī)遙感技術(shù)是一項(xiàng)集成了無人駕駛飛行器技術(shù)、遙感傳感器技術(shù)、通信技術(shù)以及GPS 定位技術(shù)的綜合性航空遙感技術(shù)，主要應(yīng)用于空間信息的采集以及數(shù)據(jù)處理等領(lǐng)域，無人機(jī)遙感技術(shù)是在無線基礎(chǔ)上進(jìn)行工作的，不但可以完成有人飛行機(jī)飛行任務(wù)，還可以完成無人駕駛的無人機(jī)飛行任務(wù)[13-14]。對于無人機(jī)低空遙感技術(shù)該文應(yīng)用到了兩個核心算法，分別是機(jī)器學(xué)習(xí)算法和回歸算法。

機(jī)器學(xué)習(xí)算法主要用于遙感技術(shù)估算輸變電線路各個點(diǎn)位是否需要巡檢的可能性，計(jì)算結(jié)果如果出現(xiàn)巡檢的可能性，則輸變電線路的該點(diǎn)位就需要進(jìn)行巡檢。機(jī)器學(xué)習(xí)算法的理論定義是假設(shè)輸變電線路上的點(diǎn)位為(x,y)，x表示m維樣本特征向量，y有兩種表達(dá)形式，分別為0 和1，表示是否屬于某塔型，那么這個樣本塔x屬于某塔型（即y=1）的概率可以通過下面的邏輯函數(shù)來表示：

其中，x表示包含塔的高度、尺寸等屬性的特征向量；θ表示對應(yīng)x的模型回歸系數(shù)；σ表示sigmoid 函數(shù)。

回歸算法是無人機(jī)在巡檢過程中，一旦由于特殊原因?qū)е嘛w行信號、頻現(xiàn)等信息中斷時，無人機(jī)低空遙感技術(shù)通過回歸算法根據(jù)中斷時的數(shù)據(jù)，計(jì)算出無人機(jī)中斷后的動向，快速與巡檢的無人機(jī)信號關(guān)聯(lián)上，保證無人機(jī)的安全，使無人機(jī)繼續(xù)完成任務(wù)。回歸算法的核心是根據(jù)無人機(jī)中斷前和當(dāng)前的飛行軌跡以及飛行速度等其他參數(shù)作為自變量x，無人機(jī)中斷后可能存在的位置作為因變量y，構(gòu)建一個線性回歸方程，表達(dá)之間的關(guān)系，計(jì)算出無人機(jī)信號中斷后的位置。

經(jīng)過以上對基于無人機(jī)低空遙感的輸變電線路定時巡檢系統(tǒng)硬件器件功能的設(shè)計(jì)和無人機(jī)低空遙感技術(shù)的分析，該文總結(jié)了線路定時巡檢系統(tǒng)的工作流程，具體內(nèi)容如圖5 所示。

圖5 系統(tǒng)工作流程

1）系統(tǒng)在執(zhí)行巡檢任務(wù)前需要進(jìn)行檢查工作，首先通過無人機(jī)的遙控器將系統(tǒng)打開，然后將無人機(jī)與工作的計(jì)算機(jī)進(jìn)行無線連接，在該計(jì)算機(jī)內(nèi)部同時安裝該文設(shè)計(jì)的輸變電線路定時巡檢系統(tǒng)，當(dāng)計(jì)算機(jī)內(nèi)“設(shè)備未連接”變?yōu)轱w機(jī)的名稱時，表明3臺設(shè)備內(nèi)接成功，完成檢查工作；

2）然后系統(tǒng)將根據(jù)任務(wù)指令對需要巡檢的輸變電線路內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，該文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用云采集模式，采集過程中計(jì)算機(jī)可以隨意查看數(shù)據(jù)。線路的初始數(shù)據(jù)采集完成后，系統(tǒng)根據(jù)線路的實(shí)際長度和環(huán)境情況選擇系統(tǒng)巡檢的塔臺，并導(dǎo)入線路的桿塔坐標(biāo)文件；

3）導(dǎo)入無人機(jī)低空遙感的巡檢塔臺后，通過遙感技術(shù)對將要巡檢的輸變電線路進(jìn)行策劃，合理地找出各個需要巡檢的點(diǎn)位，根據(jù)點(diǎn)位的位置系統(tǒng)自動規(guī)劃設(shè)置無人機(jī)的巡檢最佳飛行路線，其中設(shè)置的主要參數(shù)為無人機(jī)的巡檢高度、巡檢速度、側(cè)面距離以及起降高度；

4）以上基于無人機(jī)低空遙感的輸變電線路定時巡檢系統(tǒng)在巡檢前的準(zhǔn)備工作一切就緒后，根據(jù)系統(tǒng)策劃的線路定期巡檢，工作人員點(diǎn)擊巡檢按鈕，無人機(jī)就開始自動對需要巡檢的線路按照規(guī)劃的路線進(jìn)行巡檢排查，在此過程中系統(tǒng)巡檢的數(shù)據(jù)結(jié)果都會存儲并且傳回計(jì)算機(jī)，方便工作人員后期工作[15-16]；

5）無人機(jī)對輸變電線路巡檢完成后，會自動根據(jù)線路周圍的環(huán)境以最快的速度返回出發(fā)地，在巡檢過程中，系統(tǒng)會實(shí)時監(jiān)測無人機(jī)周圍的環(huán)境，一旦出現(xiàn)不在計(jì)劃范圍內(nèi)的障礙時，系統(tǒng)通過遙感技術(shù)、定位器和傳感器互相配合，重新發(fā)出飛行指令，避開障礙物，保證無人機(jī)巡檢任務(wù)的安全。

3 實(shí)驗(yàn)分析

為了檢驗(yàn)基于無人機(jī)低空遙感的輸變電線路定時巡檢系統(tǒng)是否具有研究意義以及是否達(dá)到預(yù)期的效果，該文設(shè)計(jì)了對比實(shí)驗(yàn)完成驗(yàn)證，并將基于無人機(jī)低空射頻技術(shù)的輸變電線路定時巡檢系統(tǒng)作為對比實(shí)驗(yàn)的對照系統(tǒng)，輔助完成實(shí)驗(yàn)。

為了保證實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性和真實(shí)性，該文選擇遼寧省電網(wǎng)某供電局所管轄的110 kV 線路作為實(shí)驗(yàn)的巡檢任務(wù)，此線路長達(dá)8 km，并且線路險(xiǎn)峻，可以達(dá)到巡檢任務(wù)的要求難度，使巡檢實(shí)驗(yàn)具有意義。為了保證實(shí)驗(yàn)的安全性，兩種系統(tǒng)在工作時同時連接計(jì)算機(jī)，一方面可以實(shí)時記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，另一方面在實(shí)驗(yàn)過程中一旦出現(xiàn)意外情況，工作人員可以隨時終止實(shí)驗(yàn)，保證安全。在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行前，對兩個系統(tǒng)進(jìn)行初始化，防止系統(tǒng)錯誤，影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)主要過程是在同一時間向兩個系統(tǒng)發(fā)布巡檢任務(wù)，然后工作人員記錄兩個系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，每個系統(tǒng)都巡檢完成后，關(guān)閉系統(tǒng)、整理數(shù)據(jù)、得出結(jié)論。巡檢時間實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6 所示。

圖6 巡檢時間實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過工作人員對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理，得出該文設(shè)計(jì)的基于無人機(jī)低空遙感的輸變電線路定時巡檢系統(tǒng)比傳統(tǒng)的輸變電線路定時巡檢的數(shù)據(jù)精度高，并且完成時間快。

定時精準(zhǔn)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7 所示。

圖7 定時精準(zhǔn)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

相比傳統(tǒng)的輸變電線路定時巡檢系統(tǒng)，該文設(shè)計(jì)的巡檢系統(tǒng)采用遙感器和TYU-98 攝像器，可以在線路的任意相對空間位置進(jìn)行懸停拍攝，既縮短拍攝的時間，又提高了拍攝的精準(zhǔn)度。但是傳統(tǒng)的巡檢系統(tǒng)采用最普通的攝像器，只能在無人機(jī)停止的時候進(jìn)行拍攝，這就降低了系統(tǒng)巡檢的效率。該文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用低空遙感技術(shù)，不受線路地形、氣候的影響，提高了系統(tǒng)巡檢數(shù)據(jù)結(jié)果的采集效率。該文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)功能性強(qiáng)于基于無人機(jī)低空射頻的輸變電線路定時巡檢系統(tǒng)，采用定位器和傳感器，兩個器件互相作用，可以準(zhǔn)確地偵查出需要巡檢的輸變電線路內(nèi)不同位置的巡查等級，然后器件向軟件區(qū)域發(fā)出指令，各個區(qū)域緊密聯(lián)系，完成輸變電線路定位巡檢工作。

經(jīng)上述實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可知，該文研究的基于無人機(jī)低空遙感的輸變電線路定時巡檢系統(tǒng)可以完成精細(xì)化的巡檢工作，并且系統(tǒng)工作效率高，具有較強(qiáng)的電網(wǎng)巡檢規(guī)范性。

4 結(jié)束語

該研究設(shè)計(jì)了基于無人機(jī)低空遙感的輸變電線路定時巡檢系統(tǒng)，將輸變電線路巡檢需要完成的任務(wù)與無人機(jī)低空遙感技術(shù)的功能進(jìn)行對接，最終設(shè)計(jì)一個具有高精度、低成本、功能強(qiáng)大的輸變電線路定時巡檢系統(tǒng)，最大程度地滿足輸變電巡檢領(lǐng)域的需求。