基于5G 無人機的電力輸電線路自動巡線

劉喜軍

（勝利油田電力分公司調度中心，山東 東營 257000）

0 引 言

近幾年，很多電力企業將無人機應用在電力輸電線路巡檢，但目前大多采用的是人工操控和無人機相結合的方式，自動化水平不高，隨著通信技術、5G 技術、數字技術、無人機技術等技術的快速發展，很多專家和學者嘗試將5G 技術和無人機技術結合起來，以實現無人機自動巡檢電力輸電線路[1,2]。

1 基于5G 和無人機的通信技術路線

1.1 總體設計

通過對電力輸電線路自動巡檢工作整體進行梳理，對基于5G 和無人機的通信系統進行了設計，主要組成部分是通信指揮中心、地面方艙及5G 空中通信網?；?G 無人機空中通信網，利用無人機搭載任務載荷進行組網通信[3]。無人機載荷的主要組成部分是能量供應管理模塊、組網模塊以及5G通信模塊，具體的體系結構如圖1 所示。

圖1 無人機載荷體系架構

其中，5G 通信模塊利用定向天線覆蓋技術和全雙工雙向中繼技術來實現5G 信號的全面覆蓋；組網模塊使用全向天線技術組建無人機之間的鏈路并完成智能組網，主要實現飛控和組網的功能；能量供應管理模塊主要用于供電。另外，組網模塊還實現了飛行控制及智能部署等功能。

地面方艙主要包含5G核心網絡設備和5G宏基站，利用光纖將5G 宏基站的回程信號傳遞給5G 核心網絡設備；利用光纜實現5G 核心網設備與附近固定通信公網站臺之間的相互通信，從而保持無人機和指揮中心之間的雙向通信。相關管理人員可通過瀏覽器/服務器模式來訪問5G 網管服務平臺，填寫正確的管理員賬號和密碼后，即可成功登錄5G 網管服務平臺。在該平臺，查看無人機自動巡檢電力輸電線路的執行情況，通過對無人機采集信息的分析及處理，發現需要檢修的位置并安排相關檢修人員及時檢修。

1.2 無人機任務載荷設計

1.2.1 通信模塊

通信模塊的主要組成部分有通信處理器和5G 射頻電路，將搭載5G 通信模塊的無人機作為通信匯聚節點，5G 射頻信號直接連在天線上，作用是收發并處理物理層的5G 射頻信號；通信處理器主要用來處理5G 基帶信號。其中，該模塊的主頻率是3.5 GHz，應用定向天線和全雙工雙向中繼技術，結合放大轉發中繼策略，實現5G 信號的全面覆蓋[4]。

其具體的工作流程如下：相同子區域內的相鄰使用者可直接通過端到端完成信息通信；如果相同子區域內相鄰使用者不能直接進行通信，則可利用相同5G 通信模塊完成信息交互；處于不同子區域的使用者，用戶信號經過源節點5G 信號模塊，后經通信處理器進行一定轉換，得到相應的基帶信號。通過組網模塊的分析和處理，經過一定的網絡路由后到達目的節點的5G 通信模塊，該通信模塊需要將此信號依照相關協議重組后下發給目標用戶終端，從而完成信息交互。與此同時，終端和指揮中心的通信流程為5G 模塊識別用戶信號，通信處理器將該用戶信號轉換成基帶信號，用戶信號再經過組網模塊的相應處理后被送入5G 網絡進行傳輸，經過通信匯聚節點到達指揮中心；反之，信息依次經匯聚節點、組網模塊傳遞到目標5G 通信模塊，依照相關協議重組后到達用戶終端。

1.2.2 組網模塊

組網模塊的主要組成部分是組網處理器和組網射頻電路。組網射頻電路主要收發和處理物理層的組網射頻信號；組網處理器主要用于飛控運行和組網以及處理飛控和組網信號。組網模塊主要有2 個方面的作用：（1）完成中繼信息的協議轉換，實現信息的互聯互通；（2）對飛控指令信息實現協議轉換，建立相關控制鏈路以實現無人機控制平臺和無人機之間的互聯互通[5]。另外，還可利用人工控制和預編程結合的方式來控制與智能部署無人機，以使無人機自動完成電力輸電線路巡檢任務。該模塊的主工作頻率為5.8 GHz，主要結合使用自適應路由協議、改進的MAVLink 協議和全向天線技術等，實現基于5G 的無人機通信組網和電力輸電線路自動巡線。

1.2.3 能量管理模塊

能量管理模塊的主要組成部分有休眠喚醒系統和供電系統，為載荷模塊提供能量，能源不足時可自動發起充電請求并發出報警。另外，該模塊增加了休眠喚醒功能，減小功耗增長時間[6]。通常，通信模塊的工作功率低于3 W，組網模塊的工作功率低于2 W，整個無人機載荷功率小于5 W，供電系統可維持無人機載荷巡檢6 h 以上。

1.3 無人機組網數量估計

無人機組網屬于自由空間傳播的一種，指的是上空大氣層相同且均勻媒質傳播，在這種傳播方式中，信號損耗主要受電波頻率影響。經過相關分析和計算，最后得出區域和通信匯聚節點數量的關系為：在Mkm×Mkm 的區域中，為達到5G 信號的全面覆蓋，至少有個。

2 自動巡檢控制技術

自動巡檢控制技術的主要原理是對通過全球定位系統（Global Positioning System，GPS）、氣壓計獲得的原始數據進行分析和處理，經過濾波融合后來判斷無人機的位置，從而實現無人機自動飛行巡檢電力輸電線路的任務。目前，利用無人機巡檢仍然需要相關巡檢人員的操縱，無人機自動化程度不高，因此本文提出一種自動巡檢控制思路。

2.1 串級位置PID 控制器

無人機自動飛行過程中主要的控制參數有垂直位置、水平位置、飛行速度以及加速度等，串級PID控制器具體的結構示意如圖2 所示[7]。

圖2 串級PID 控制器結構

該控制器同時完成無人機的加速度、位置和速度的閉環控制，根據飛行中的加速度，計算出相應速度，再結合相應位置信息，向加速度環、速度環和位置環提供對應的信號值。和單級位置控制器不同的是，在該3 級閉環控制器中，速度環的設定值來自位置環的輸出，加速度環的設定值來自速度環的輸出，這種設計方式可以很大程度上提高無人機輸電線路巡檢時的抗干擾能力。

2.2 自動起飛設計

利用串級PID 位置控制器可以讀取無人機的加速度、速度和垂直高度，從而實現對無人機的控制?？柭鼮V波后初始值取高度環的反饋值和設定值，將高度環的輸出值作為速度環的輸入值，再結合加速度的值經導航系統運算器計算出反饋值，將速度環的輸出值作為加速度環的輸入值。無人機自動抵達設定位置，需要自動調整自身的加速度、垂直位置及速度，這是由飛行控制器輸出值調整控制電機旋轉來實現的。無人機在垂直方向移動后，借助慣性導航元件和氣壓計的相關高度值來計算高度。以往無人機自動巡檢起飛前的操作相對復雜，本文通過一定改進和優化，提高了無人機自動化程度，使操作復雜性大大降低。

2.3 航線飛行規劃

無人機在自動起飛后，經過一定航線達到目標位置，該航線是由相關人員預先設計好并上傳到無人機系統中[8]。無人機自動飛行流程如下：將自身系統中的桿塔坐標航線進行加載，按照航線中桿塔坐標依次完成輸電線路巡檢任務，并記錄相關數據。檢測數據精度及衛星數量，當GPS 數據滿足要求時，無人機從飛行模式換成自動巡檢模式。其中，無人機自動飛行規劃流程如圖3 所示。

圖3 無人機航線規劃流程

2.4 自動返航降落設計

無人機在整個巡檢過程中，都會對相關數據進行保存，同樣會保持起飛前的GPS 數據，無人機返航和降落前先控制高度，設置返航高度為10 m，到達該高度后對無人機水平位置進行控制，讀取起飛前的初始坐標，將其設置為水平位置設定值。對比初始起飛位置和當前水平位置的差距，當差距滿足條件時，將當前位置作為返航降落的初始位置，控制垂直高度，實現無人機自動降落返航。無人機下降過程只用到加速度、速度控制的PID 位置控制器。其中，下降速度是速度環控制器的數值，且該值又是加速度反饋值。速度環的輸出值使用加速度環的設定值。無人機著陸狀態要檢測加速度和速度的反饋值，當這2個反饋值都是0時，表示無人機已經自動固定在機巢上。

3 應用成效

基于5G無人機進行電力輸電線路自動巡線測試，發現無人機可在較復雜的電力設備環境中可靠飛行，是一種安全、高效且智能的巡檢工具。無人機巡檢一個有172 座鐵塔、半徑在3.5 km 區域內的電力輸電線路，單次飛行時間大概是35 min，對于大型鐵塔的全面巡檢僅需要10 min 左右，且是在無人操作的情況下，極大解放了生產力，降低成本的同時提高了電力輸電線路的巡檢效率。無人機自動巡檢和以往人工巡檢相比的另一個優勢是，無人機具有較強的環境適應能力，可以到達很多人力不方便或不可達的區域，加上裝置的高清攝像頭，可以拍攝大量高清電力設備的圖片，用以發現安全隱患或是為今后維護提供依據。綜上所述，基于5G 無人機在電力輸電線路的自動巡線有效降低了人力、物力和時間成本，提高了電力輸電線路巡檢的質量和效率，讓電力輸電線路的“自動巡檢和無人值守”成為可能。

4 結 論

經實驗表明，基于5G 無人機在電力輸電線路自動巡線大大提高了輸電線路巡檢的質量和效率，且巡檢過程安全高效，在一定程度上，5G 無人機實現了電力輸電線路自動巡線。另外，5G 無人機還可以裝載很多模塊，從而實現更多的功能，對此需要相關的專家和研究人員加大這方面的研究，期待更多的先進技術在電力行業廣泛應用，促進電力向更智能、更好、更快的方向發展。