陳西廣，董 罡，王濱海，田 兵，喬耀華

（1.山東電力研究院 國家電網(wǎng)公司電力機器人技術實驗室，山東 濟南 250002；2.山東電力集團公司，山東 濟南 250000；3.山東魯能智能技術有限公司，山東 濟南 250002；4.山東電力集團公司超高壓公司，山東 濟南 250002）

0 引言

近年來，我國國民經(jīng)濟的持續(xù)快速發(fā)展對我國電力工業(yè)提出了越來越高的要求。為了安全、可靠的供電，巡線維護自動化和現(xiàn)代化已日益顯示出其迫切性。傳統(tǒng)的人工巡檢方法工作量大、條件艱苦，特別是對于山區(qū)和大江大河的輸電線路巡檢存在很大困難，甚至一些巡檢項目靠常規(guī)方法是難以完成的。歐美各國在20世紀50年代開始研究并使用直升機完成巡線、帶電作業(yè)和線路施工［1-3］，20世紀80年代開始，我國也開始研究利用直升機巡線的技術［4-7］，近年來，我國在有人直升機巡線和無人直升機巡線方面進行了較為廣泛的研究，并取得了長足的進步。

截至2009年我國110 kV以上輸電線路已達到55.3萬km，500 kV線路已成為各大電力系統(tǒng)的骨架和跨省區(qū)的聯(lián)絡線，面對如此龐大的輸電網(wǎng)絡，要完成高效率的輸電線路的巡檢任務，需要航程大于100 km的無人駕駛智能巡檢飛機進行電網(wǎng)系統(tǒng)全天候、全地貌巡檢，可及時發(fā)現(xiàn)線路的隱患，并實時地將情況傳回基地，同時與無人直升機短程局部重點巡檢相結合，實現(xiàn)全網(wǎng)巡檢與局部重點巡檢（包括空中作業(yè)）有機結合，以便快速、正確判斷及時排除線路故障，從而不斷提高線路巡檢的效率和精度。

無人直升機具有起降靈活，可自由懸停等諸多優(yōu)點，但現(xiàn)階段國內大載荷無人直升機技術還不成熟，國外成熟產(chǎn)品又處于對華禁售的狀態(tài)，無人直升機要進行長航時、長航程的輸電線路巡查還存在技術難度，而固定翼無人機可長時間滯空的特點能彌補這方面的不足，不但可以對線路、桿塔局部進行精細巡檢，又可以對線路走廊全局進行快速普查，從而滿足現(xiàn)階段電網(wǎng)對無人機巡線的要求。

近年來江西電力、云南電力、廣西電力、海南電力已開始采用固定翼無人機進行電力巡線的嘗試，固定翼無人機巡線已開始引起人們的重視。

1 固定翼無人機巡檢系統(tǒng)功能定位

固定翼無人機具有速度快、滯空時間長、飛行半徑大等優(yōu)勢，可主要應用以下幾個方面：

1）輸電線路、桿塔機械故障、熱缺陷和局部放電等故障檢測；

2）基建線路選址，可替代人工實地查看，提高線路選址效率；

3）輸電線路走廊的整體普查，及時發(fā)現(xiàn)線路走廊內違章建筑和高大樹木；

4）災后應急評估，可為救災搶險提供第一手的現(xiàn)場資料，為決策部署提供事實依據(jù)。

明確固定翼無人機巡檢系統(tǒng)的功能定位可與有人直升機和無人直升機形成功能互補，滿足不同現(xiàn)場的功能應用，是輸電領域智能化建設的集中體現(xiàn)。

2 固定翼無人機巡檢系統(tǒng)整體架構

固定翼無人機巡檢系統(tǒng)主要有固定翼無人機分系統(tǒng)、檢測分系統(tǒng)、無線通訊分系統(tǒng)、數(shù)據(jù)智能管理分析分系統(tǒng)等四大部分。整體框架結構圖如圖1。

固定翼無人機分系統(tǒng)是固定翼無人機巡檢系統(tǒng)的飛行載體，負責執(zhí)行飛行巡檢任務，機上搭載飛行控制系統(tǒng)，其主要由機載傳感器、機載飛行控制計算機、驅動裝置，功能是根據(jù)固定翼無人機的實時飛行狀態(tài)將地面站發(fā)出的飛行任務解算成為控制指令，并驅動舵機以控制固定翼無人機。

圖1 系統(tǒng)整體框架結構圖

檢測分系統(tǒng)包括光電吊艙、可見光檢測設備、紫外檢測設備、紅外檢測設備和三維激光掃描設備。增穩(wěn)吊艙需根據(jù)飛機不同的姿態(tài)自動調整吊艙的方位和俯仰角度，要求重量輕，體積小，符合無人機攜帶和安裝；可見光檢測設備用來獲取可見光視頻和高清晰度可見光照片，發(fā)現(xiàn)線路、桿塔和線路走廊內的異常情況；紫外檢測設備用來完成對電暈放電信息的采集，并通過紫外圖像與可見光視頻的融合，對缺陷部位進行定位；紅外檢測設備，能完成對設備的溫度信息采集，在紅外圖像上能直觀地發(fā)現(xiàn)高溫設備區(qū)域；三維激光掃描設備可對輸電線路相間距離，交跨線間距離、導線與建筑物、導線與地面植被間的距離進行測量，安全快速，數(shù)據(jù)精確可靠，避免了傳統(tǒng)人工上線作業(yè)的危險性和人為因素對測量結果的影響，數(shù)據(jù)成果更加客觀、真實，從而為輸電線路可靠運行提供決策支持。

通訊分系統(tǒng)包括數(shù)傳模塊和圖傳模塊，負責進行地面控制部分與空中飛行平臺的控制指令與圖像信號的傳輸。

數(shù)據(jù)智能管理分析分系統(tǒng)采用機器視覺、數(shù)據(jù)庫、實時數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)模型管理等技術實現(xiàn)對后臺巡檢數(shù)據(jù)的智能化管理和輸電線路實時跟蹤。

3 固定翼無人機巡線系統(tǒng)組成

3.1 固定翼無人機分系統(tǒng)

固定翼無人機分系統(tǒng)主要包括固定翼飛行器平臺、發(fā)動機、電氣和導航飛控4個子系統(tǒng)，組成框圖如圖2。

無人機的氣動外形采用常規(guī)氣動布局。發(fā)動機安裝位置在無人機的中后部，為后推式，與前拉式布置相比，可有效防止油漬污染檢測設備。在機翼上設有副翼，控制無人機的橫側向運動；尾翼采用雙尾撐雙尾翼形式，在水平尾翼上設有升降舵，用于控制無人機的縱向運動，在尾翼上設有方向舵，控制無人機的橫向運行。固定翼無人機外形如圖3。

圖2 固定翼無人機分系統(tǒng)組成框圖

圖3 固定翼無人機外形圖

為適應實際巡線的需要，固定翼無人機飛行平臺需具備一鍵式自主滑跑起飛和降落，具備前飛、爬升、俯沖和盤旋等功能，能按照事先規(guī)劃的路線進行三維全自主飛行，主要參數(shù)如表1。

表1 固定翼無人機主要性能參數(shù)

為保證無人機按照一定的姿態(tài)角機動飛行和按照預定設計的航路實施程控飛行，導航飛控系統(tǒng)需具備以下功能：

1）在復雜的氣流擾動中保持飛機姿態(tài)穩(wěn)定；

2）保持飛機按給定的高度平穩(wěn)飛行；

3）保持飛機按給定的航向角平穩(wěn)飛行；

4）自動控制飛機飛向預定的目的地；

5）按給定的姿態(tài)角進行爬升、俯沖和左右盤旋等機動動作；

6）采集飛機的飛行姿態(tài)參數(shù)以及空間位置信息，并通過遙測系統(tǒng)發(fā)送至地面顯示；

7）實時地發(fā)出控制指令，控制飛機做出相應的動作；

8）具有應急處理功能，保證飛機的飛行安全；

9）具有自主地按預設航路起飛、空中飛行和滑行降落功能；

10）根據(jù)地面人員控制指令，控制任務設備。

3.2 檢測分系統(tǒng)

檢測分系統(tǒng)包括機載部分和地面站兩部分，機載部分可搭載于固定翼無人機飛行平臺，用于檢測110～1 000 kV輸電線路、桿塔故障，主要有機載光電吊艙、可見光檢測設備、紫外檢測設備、紅外檢測設備、三維激光掃描設備等組成；地面站部分可對機載檢測部分獲得的信息進行處理，實現(xiàn)決策系統(tǒng)的智能化，系統(tǒng)結構如圖4所示。

圖4 檢測分系統(tǒng)結構圖

3.2.1 機載檢測部分

無人機載巡線專用光電吊艙通過配備高精度陀螺穩(wěn)定平臺使得成像傳感器（可見光、紅外、紫外）瞄準線在機載高振動環(huán)境下保持高精度穩(wěn)定，并利用視頻跟蹤原理，使瞄準線自動跟蹤地面目標，完成對輸電線路、桿塔等設備的搜索、觀察和拍攝等工作任務。

可見光檢測主要包括檢測桿塔的損壞、變形、被盜、異物懸掛、線路走廊巡查、災后線路走廊普查。

紫外檢測需在不受太陽光影響下對劣化絕緣子（陶瓷、復合、玻璃絕緣子）的表面放電以及運行中復合絕緣子及其護套電蝕進行檢測；對線路運行過程中外部損傷、斷股、散股等原因產(chǎn)生的電暈放電進行檢測。

紅外檢測由于導線斷股、絕緣子破損、壓接管連接不良等原因引起的局部熱點等缺陷。

三維激光掃描設備需檢測輸電線路相間距離，交跨線間距離、導線與建筑物、導線與地面植被間的距離進行三維測量。

3.2.2 地面站檢測部分

地面檢測部分是一套基于圖像識別技術的電網(wǎng)狀態(tài)診斷與評估系統(tǒng)，為電網(wǎng)狀態(tài)維修決策提供有效支持。此套系統(tǒng)是通過分析、處理和識別飛行器機載圖像獲取設備 （可見光相機、紅外熱像儀、紫外成像儀、三維激光掃描儀）所獲得的不同光源圖像，自動診斷架空輸電線路設備故障?？梢姽鈭D像、紅外圖像和紫外視頻可通過圖像傳輸系統(tǒng)實時傳輸?shù)降孛?，系統(tǒng)在獲取實時圖像的同時，對獲得的圖像進行預處理和分析，提取圖像特征，并根據(jù)圖像特征來判斷設備是否出現(xiàn)異常。主要判斷的故障包括：鐵塔變形和破損、絕緣子破損、防震錘脫落或移位、導線斷裂或斷股設備結點過熱、電暈放電等。

由于激光掃描設備獲得的數(shù)據(jù)點云數(shù)據(jù)量巨大，無法實時傳回地面，需在飛機落地后將采集到的數(shù)據(jù)轉移到專用數(shù)據(jù)處理服務器上進行處理，經(jīng)建模匹配后得到線路走廊的三維圖像，從而可以得到精確的線路走廊中輸電線路相間距離，交跨線間距離、導線與建筑物、導線與地面植被間的距離。

3.3 無線通訊分系統(tǒng)

無線通訊系統(tǒng)包含數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和圖像傳輸系統(tǒng)，數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)主要完成固定翼無人機飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)的下行傳輸，以及地面控制站控制指令的上行傳輸，從而保證地面站對固定翼無人機的實時控制；圖像傳輸系統(tǒng)主要完成可見光視頻、紅外視頻、紫外視頻的下行傳輸，以及云臺控制指令及狀態(tài)數(shù)據(jù)的上、下行傳輸，從而保證各檢測設備圖像的實時傳輸及地面站操作人員對云臺的實時操控。

為滿足固定翼無人機100 km的有效控制半徑，無線通訊分系統(tǒng)需架設中繼子系統(tǒng)。中繼子系統(tǒng)是接收固定翼無人機（地面站）無線發(fā)射設備的無線信號，并根據(jù)接收到的信號進行解調和處理，最后生成自身發(fā)射信號的裝置。它可以完成差錯控制、功率調整、信道測量、干擾協(xié)調等功能。

無線通訊分系統(tǒng)需具備如下特點：

1）穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸能力。在移動的環(huán)境中，實現(xiàn)無人機和地面站之間穩(wěn)定可靠的無線通訊。

2）較強的繞射和穿透能力。在城區(qū)、城郊、建筑物內等非通視和有阻擋的環(huán)境中應用，無線通訊系統(tǒng)要能表現(xiàn)出卓越的繞射和穿透能力。

3）較強的抗干擾能力。無人機進行電力巡線時，其對高壓線及高壓設備產(chǎn)生的電磁干擾要有很強的抗干擾能力。

4）實時性要好，以便后臺操控人員及時觀察電力巡線的現(xiàn)場情況。

5）誤碼率低，提高地面站接收圖像的質量，減少圖像中馬賽克出現(xiàn)的幾率。

數(shù)據(jù)/圖像傳輸系統(tǒng)可采用最新的編碼正交頻分復用技術，利用其較強的抗電磁干擾和繞障能力，地面站與固定翼無人機之間通過中繼子系統(tǒng)建立無線通訊鏈路，中繼子系統(tǒng)可架設于無人機、飛艇或山坡上，盡可能與地面站、無人機保持通視狀態(tài)，最大程度延長通訊距離。數(shù)據(jù)/圖像傳輸系統(tǒng)物理連接框圖如圖5所示。

3.4 據(jù)智能管理分析分系統(tǒng)

數(shù)據(jù)智能管理分析分系統(tǒng)主要有三部分組成，分別是圖像與桿塔自動匹配模塊、缺陷自動識別模塊和圖像自動拼接模塊。

圖5 無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)物理連接框圖

數(shù)據(jù)智能管理分析分系統(tǒng)主要功能是在離線狀況下，先由圖像導入子模塊將機載檢測設備中的圖像導入到數(shù)據(jù)庫中，通過圖像中時間、GPS信息與數(shù)據(jù)庫已有數(shù)據(jù)進行比照，從而將圖像與桿塔一一進行匹對，從而確定圖像與桿塔的對應關系，再由圖像分析子模塊對圖像進行智能分析，發(fā)現(xiàn)缺陷并生成缺陷報告。將拍攝圖片根據(jù)桿塔模型自動進行拼接，最終生成整個線路走廊的高清晰圖像。通過以上3個模塊可有效的提高后臺檢測的效率，提高檢測精度，有利于對故障缺陷的集中管理和查詢。

4 固定翼無人機巡線系統(tǒng)關鍵技術研究

4.1 適合巡線飛行模式的研究

制定針對不同的巡檢要求，制定不同的巡檢模式，如巡線模式、巡塔模式、線路走廊巡視模式。以有利的巡航高度、速度和有利的航線飛抵任務區(qū)域上空，對所要巡檢的線路、塔等實施長距離、連續(xù)巡檢。

4.2 平飛高度穩(wěn)定性的研究

平飛高度穩(wěn)定性是影響巡線質量的關鍵問題之一，在無人飛行器巡線過程中希望無人飛行器離輸電線路的距離維持在一個相對穩(wěn)定的水平上，既可以減少飛行器進行不必要的機動動作，也可以有效提高檢測系統(tǒng)的檢測效果，也可以提高機體和機載設備的安全性。

4.3 檢測系統(tǒng)巡線清晰度的研究

固定翼無人機飛行速度一般都大于100 km/h，且無法進行懸停，在高速運動的情況下如何保證動態(tài)圖像和靜態(tài)圖像的清晰是需要解決的問題。在不能降低飛行速度的情況下，需尋找適合高度運動狀態(tài)下進行工作的攝像機和照相機，以便能拍攝出清晰的圖像，方便后續(xù)的圖像處理和故障識別，提高故障診斷的精度。

4.4 固定翼無人機巡線系統(tǒng)保障問題的研究

人員保障也是無人機巡線系統(tǒng)保障問題需要重點考慮的問題，固定翼無人機巡線系統(tǒng)需要專業(yè)人員來進行操作和維護，建設一支技術過硬的無人機保障隊伍，是能夠高效、安全完成巡線任務的關鍵所在。

固定翼無人機起飛方式主要有火箭助推、彈射和滑跑起飛三種方式。降落則主要有傘降和滑跑降落兩種方式。可根據(jù)實際需求選擇不同起降方式的無人機實現(xiàn)電力線路巡檢功能，但設定幾個固定的起飛場地，對固定翼無人機系統(tǒng)的安全應用有著重要保障的作用。

對于安全保障措施主要包括人員安全措施、線路安全措施、飛行安全措施、防火安全措施和緊急狀況預案等。

5 結束語

本文闡述了一種用于的輸電線路巡視的固定翼無人機系統(tǒng)，包括固定翼無人機分系統(tǒng)、檢測分系統(tǒng)、無線通訊分系統(tǒng)、數(shù)據(jù)智能管理分析分系統(tǒng)等四大部分，并分別對各分系統(tǒng)組成、功能等方面進行了技術探討。同時，還對固定翼無人機巡線系統(tǒng)的幾個關鍵技術進行了梳理，這為固定翼無人機巡線系統(tǒng)在電力行業(yè)的應用提供了應用指導。

固定翼無人機在輸電線路巡檢中的應用也將會為固定翼無人機在電力行業(yè)的其他領域應用做打下一個良好的基礎。