鄭天茹 ，王濱海 ，張晶晶 ，陳西廣 ，王 騫 ，劉 俍

（1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250002；2.國(guó)家電網(wǎng)公司電力機(jī)器人技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250002）

0 引言

隨著我國(guó)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)及特高壓輸電網(wǎng)架的建設(shè)，電網(wǎng)規(guī)模日益擴(kuò)大，線路長(zhǎng)度迅速增加，巡線的工作量也日益加大。由于我國(guó)國(guó)土遼闊，地形復(fù)雜，丘陵及山區(qū)較多，氣象條件復(fù)雜等因素，人工巡檢勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低，為保證安全和可靠地供電，無(wú)人機(jī)已作為一種運(yùn)載工具，被應(yīng)用在輸電線路巡檢中，通過搭載各種檢測(cè)設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸電線路的日常巡視，提高線路運(yùn)維效率。

進(jìn)入21世紀(jì)后，國(guó)內(nèi)多家電力系統(tǒng)內(nèi)單位及其他公司開始研究和嘗試在低海拔地區(qū)利用無(wú)人駕駛飛機(jī)進(jìn)行電力巡線，并已取得良好效果。從技術(shù)角度而言，目前無(wú)人機(jī)巡檢適用于低海拔區(qū)域，且可大大提高巡檢的效率和巡檢質(zhì)量。而無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)于3000 m以上高海拔地區(qū)幾乎無(wú)任何負(fù)載能力，甚至都無(wú)法正常起飛，因此更無(wú)法滿足高海拔地區(qū)巡線要求。但高海拔地區(qū)沿線惡劣的環(huán)境給線路運(yùn)行檢修工作構(gòu)成了巨大威脅，現(xiàn)有的人工巡線作業(yè)方式勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作條件艱苦，勞動(dòng)效率低，難以滿足高海拔地區(qū)輸電線路運(yùn)維工作的發(fā)展要求。因此，為了尋求適用于高海拔地區(qū)的安全有效的無(wú)人機(jī)巡檢平臺(tái)，需要對(duì)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有無(wú)人機(jī)平臺(tái)機(jī)型進(jìn)行在高海拔地區(qū)的實(shí)地測(cè)試，通過分析實(shí)際得到的測(cè)試數(shù)據(jù)，總結(jié)各種機(jī)型用于高海拔地區(qū)巡檢的優(yōu)缺點(diǎn)，最終根據(jù)實(shí)際情況需要選擇相應(yīng)飛行平臺(tái)［1-3］。

1 高海拔地區(qū)環(huán)境氣候?qū)o(wú)人機(jī)的影響

無(wú)人機(jī)系統(tǒng)是由無(wú)人機(jī)本體、地面控制站、遙控遙測(cè)、飛控導(dǎo)航系統(tǒng)組成的可進(jìn)行自主或遙控飛行的無(wú)人駕駛飛機(jī)。無(wú)人機(jī)本體是無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的核心部分，其他系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研制均圍繞它來(lái)進(jìn)行。無(wú)人機(jī)平臺(tái)由以下幾個(gè)主要部分組成：動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、螺旋槳（或旋翼）、機(jī)身、起落系統(tǒng)。其中前兩部分產(chǎn)生和傳遞動(dòng)力的部分，第三部分是動(dòng)力執(zhí)行機(jī)構(gòu)。在高海拔地區(qū)，含氧量低且氣壓低，使得動(dòng)力系統(tǒng)入氣量降低，燃燒不充分，導(dǎo)致動(dòng)力系統(tǒng)動(dòng)力輸出大大降低。此外，高海拔地區(qū)空氣稀薄，相比低海拔地區(qū)，螺旋槳在同等轉(zhuǎn)速下的推力會(huì)降低。上述兩個(gè)原因會(huì)導(dǎo)致無(wú)人機(jī)在高海拔地區(qū)的升力下降，以至于載重能力大大下降或甚至無(wú)法飛行。

在環(huán)境因素上，高海拔地區(qū)主要存在低溫、微氣候環(huán)境和風(fēng)沙等情況，且高海拔地區(qū)屬于高輻射區(qū)域。無(wú)人機(jī)的飛控導(dǎo)航系統(tǒng)在導(dǎo)航方面使用自適應(yīng)擴(kuò)展卡爾曼（EKF）算法，把 IMU、地磁傳感器、GPS、氣壓高度計(jì)和地形匹配高度計(jì)等傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行深度融合，在惡劣條件下對(duì)上述傳感器可能存在影響。低溫對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)和機(jī)載航電系統(tǒng)的影響很大；微氣候會(huì)導(dǎo)致無(wú)人機(jī)的氣動(dòng)受破壞，給飛行帶來(lái)危險(xiǎn)；風(fēng)沙會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)，并對(duì)其他設(shè)備造成物理傷害；高輻射可能會(huì)影響GPS或航向計(jì)［4-5］。上述分析都需要通過高海拔地區(qū)實(shí)地測(cè)試獲得分析結(jié)果。

2 高海拔地區(qū)測(cè)試

通過高海拔地區(qū)測(cè)試，能夠確定無(wú)人直升機(jī)和固定翼無(wú)人機(jī)平臺(tái)帶負(fù)載飛行的海拔高度，以確定無(wú)人機(jī)巡檢系統(tǒng)的適用海拔高度。

2.1 測(cè)試方法設(shè)計(jì)

固定翼無(wú)人機(jī)具有飛行速度快、航時(shí)長(zhǎng)等特點(diǎn)，可以快速、及時(shí)的發(fā)現(xiàn)輸電線路故障和隱患，適用于較長(zhǎng)距離的快速巡檢和災(zāi)后普查。直升機(jī)是一種依靠旋翼為主要升力面和操縱面的飛行器，具有垂直起降、空中懸停等特點(diǎn)，能夠拍攝出高清晰度的圖片。

高海拔地區(qū)對(duì)固定翼無(wú)人機(jī)和無(wú)人直升機(jī)都提出了更高的設(shè)計(jì)和加工要求，為了能夠挑選出適用于高海拔地區(qū)巡檢的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)，有必要提出一整套測(cè)試方法，對(duì)無(wú)人機(jī)的續(xù)航時(shí)間、載重能力、起飛海拔和飛行海拔等重要參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試的項(xiàng)目、試驗(yàn)儀器、試驗(yàn)步驟和判斷依據(jù)如表1所示。

2.2 高海拔地區(qū)測(cè)試

2.2.1 測(cè)試地點(diǎn)選擇

根據(jù)高海拔地區(qū)實(shí)際地形情況，結(jié)合測(cè)試方法，在海拔2836 m（甘肅烏鞘嶺）、海拔3090 m（青海金銀灘）、海拔 3246 m（青海湖邊）、海拔 3354 m（日月山）、海拔 3820 m（青海拉雞山）、海拔 4503 m（青海西大灘）和海拔4800 m（可可西里）等地點(diǎn)選擇適宜起降和飛行場(chǎng)所進(jìn)行測(cè)試。

表1 測(cè)試方法說明

2.2.2 測(cè)試機(jī)型選擇

為得到高海拔地區(qū)全面、綜合的測(cè)試結(jié)果，選取了不同動(dòng)力、不同氣動(dòng)結(jié)構(gòu)、不同起降方式的無(wú)人機(jī)平臺(tái)，總計(jì)8個(gè)機(jī)型，分別為單旋翼帶尾槳CBH-900型無(wú)人直升機(jī)（廈門加能公司）、六旋翼JY-UAV-10型電動(dòng)無(wú)人機(jī)（西安翔宇公司）、三旋翼帶尾槳EWZ-H型無(wú)人直升機(jī)（湖北易瓦特公司）、智能鳥天鷹1600型固定翼無(wú)人機(jī)（717研究所）、智能鳥V尾kc2400型固定翼無(wú)人機(jī)（717研究所）、SY2000型傘翼機(jī)（717研究所）、龍雁固定翼無(wú)人機(jī)（503研究所）、ASN-216型固定翼無(wú)人機(jī) （西工大第365研究所）。圖1～圖6為部分機(jī)型飛行測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)照片。

圖1 JY-UAV-10型電動(dòng)無(wú)人機(jī)

圖2 SY2000型傘翼機(jī)

圖3 單旋翼帶尾槳型無(wú)人直升機(jī)

圖5 ASN-216型固定翼無(wú)人機(jī)

圖4 三旋翼帶尾槳EWZHCBH-900型無(wú)人直升機(jī)

圖6 智能鳥天鷹1600型固定翼無(wú)人機(jī)

2.3 測(cè)試結(jié)果

2012年10月至12月，通過分析各個(gè)機(jī)型的高原測(cè)試數(shù)據(jù)，得到測(cè)試結(jié)果，包括飛行平臺(tái)的動(dòng)力來(lái)源、在高海拔地區(qū)（海拔 2500 m、3100 m、3400 m、3800 m及4500 m）飛行的成功率及性能優(yōu)缺點(diǎn)，如表2所示。

3 有益效果

在進(jìn)行高海拔地區(qū)無(wú)人直升機(jī)及固定翼無(wú)人機(jī)多個(gè)飛行平臺(tái)的高海拔地區(qū)實(shí)際應(yīng)用測(cè)試，主要針對(duì)無(wú)人直升機(jī)的帶載能力、續(xù)航時(shí)間、起飛海拔高度、正常飛行海拔高度和抗風(fēng)能力等參數(shù)的測(cè)試和研究，測(cè)試的機(jī)型包括二旋翼CBH-900型、六旋翼JY-UAV-10型和三旋翼EWZ-H型；針對(duì)固定翼無(wú)人機(jī)的帶載能力、續(xù)航時(shí)間、起飛海拔高度、正常起降方式和抗風(fēng)能力等參數(shù)的測(cè)試和研究，測(cè)試的機(jī)型包括固定翼智能鳥天鷹1600型、固定翼智能鳥V尾kc2400型、傘翼SY2000型、固定翼龍雁和固定翼ASN-216型；測(cè)試方法為從海拔2500 m開始，做海拔逐漸升高的漸進(jìn)式飛行測(cè)試，并在每個(gè)測(cè)試場(chǎng)地由零負(fù)載開始做負(fù)載逐漸增加的測(cè)試，由實(shí)際飛行數(shù)據(jù)全面說明各型號(hào)無(wú)人直升機(jī)和固定翼無(wú)人機(jī)平臺(tái)的各項(xiàng)參數(shù)。

此適用于高海拔地區(qū)輸電線路巡檢的無(wú)人機(jī)測(cè)試分析結(jié)果，對(duì)不同海拔、不同風(fēng)力及不同檢測(cè)要求的條件下進(jìn)行電力巡線所需無(wú)人機(jī)機(jī)型的選擇具有指導(dǎo)意義。

4 后續(xù)研究工作

無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)選擇及優(yōu)化。以電力巡檢需求為導(dǎo)向，結(jié)合國(guó)內(nèi)外無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)的發(fā)展，并優(yōu)化改進(jìn)現(xiàn)有飛控系統(tǒng)，提高飛行控制精度，通過研究慣導(dǎo)系統(tǒng)、雙余度控制系統(tǒng)和雙余度執(zhí)行機(jī)構(gòu)，提升無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)對(duì)高海拔環(huán)境的適應(yīng)性，擴(kuò)大適用范圍。

靜態(tài)模擬測(cè)試。利用實(shí)驗(yàn)室、輸電線路培訓(xùn)場(chǎng)地等條件，靜態(tài)模擬高海拔地區(qū)大風(fēng)、揚(yáng)沙等環(huán)境，檢驗(yàn)無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)對(duì)高海拔地區(qū)氣候的適應(yīng)性。

豐富檢測(cè)手段。無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)確定后，應(yīng)有效增加檢測(cè)手段，可逐步通過搭載可見光檢測(cè)設(shè)備、紅外檢測(cè)設(shè)備、紫外檢測(cè)設(shè)備分別實(shí)現(xiàn)對(duì)輸電線路物理缺陷、熱缺陷、局部放電的檢測(cè)功能；通過對(duì)檢測(cè)吊艙的升級(jí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)特定區(qū)域的全覆蓋自動(dòng)步進(jìn)拍照功能；通過研究輸電線路和桿塔識(shí)別技術(shù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備自動(dòng)跟蹤和缺陷自動(dòng)檢測(cè)的功能。

表2 高海拔地區(qū)無(wú)人機(jī)飛行的成功率及性能優(yōu)缺點(diǎn)

［1］B.Wang， L.Han， H.Zhang， Q.Wang， and B.Li， “A flying robotic system for power line corridor inspection，” in Proc.IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics （ROBIO’09），pp.2468–2473，2009.

［2］厲秉強(qiáng)，王騫，王濱海，等.利用無(wú)人直升機(jī)巡檢輸電線路［J］.山東電力技術(shù)，2010（1）：1－4.

［3］Binhai Wang， Xiguang Chen， Qian Wang， Liang Liu， Hailong Zhang and Bingqiang Li.Power Line Inspection with A Flying Robot.In Proc.the 1st International Applied Robotics for the Power Industry （CARPI2010）.P0646 Montreal Canada， Oct.2010.

［4］石愛琴，羅國(guó)璽，高原環(huán)境下工程機(jī)械使用技術(shù)［J］.青海大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，27，（4）：75－91.

［5］沃洛特科AM.復(fù)雜環(huán)境條件下飛機(jī)和直升機(jī)的應(yīng)用［M］.張貴銀，譯.北京：中國(guó)人民解放軍總參謀部氣象局，1995.