王柯，蔡艷輝，彭向陽，劉正軍，麥曉明，張金鐸

(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣東 廣州 510080；2.中國測繪科學(xué)研究院，北京 100830)

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用于電力線巡檢的大型無人直升機(jī)多傳感器系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)

王柯1，蔡艷輝2，彭向陽1，劉正軍2，麥曉明1，張金鐸2

(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣東 廣州 510080；2.中國測繪科學(xué)研究院，北京 100830)

摘要：基于電力線路安全巡檢需要，設(shè)計(jì)了集可見光相機(jī)、紅外熱像儀、紫外成像儀、激光掃描儀和定位定姿系統(tǒng)等設(shè)備為一體的無人直升機(jī)多傳感器系統(tǒng)。提出了基于全球定位系統(tǒng)時間系統(tǒng)的高精度后處理軟同步方法，實(shí)現(xiàn)各個傳感器系統(tǒng)的獨(dú)立、協(xié)調(diào)同步工作。同時提出基于服務(wù)器-客戶端軟件架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)各個傳感器控制和數(shù)據(jù)采集的相互獨(dú)立，最大限度提高傳感器系統(tǒng)工作的安全性和可靠性。多傳感器集成的無人機(jī)巡檢試驗(yàn)結(jié)果顯示，該系統(tǒng)能夠在單次飛行中同步獲取多波段、多種類型的巡檢數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)之間具有強(qiáng)相關(guān)性，可以用于多源數(shù)據(jù)聯(lián)合診斷分析，滿足電力線路安全隱患多要素自動診斷的需要。

關(guān)鍵詞：大型無人直升機(jī)；可見光相機(jī)；激光掃描儀；紅外熱像儀；紫外成像儀

傳統(tǒng)輸電線路人工巡檢工作量大、條件艱苦， 特別是在大面積水域、山區(qū)和大跨越等復(fù)雜地形下的巡檢工作存在很大困難，越來越不適應(yīng)電力運(yùn)行管理現(xiàn)代化建設(shè)的需要。采用直升機(jī)、無人機(jī)進(jìn)行巡檢能有效克服上述不足，歐美各國在20世紀(jì)50年代開始研究并使用直升機(jī)完成巡線、帶電作業(yè)和線路施工[1-2]，我國在20世紀(jì)80年代也開始研究利用直升機(jī)巡線的技術(shù)[3-8]。由于直升機(jī)應(yīng)用成本高、投資大，同時也存在一定的作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，現(xiàn)在國內(nèi)擁有直升機(jī)實(shí)用化電力作業(yè)能力的單位為數(shù)不多。

近年來英國、德國、澳大利亞、西班牙和日本先后開展了固定翼無人機(jī)、無人直升機(jī)電力巡檢的相關(guān)技術(shù)研究，由于各種原因，主要還是處于實(shí)驗(yàn)室水平，并未廣泛應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中。我國在無人飛機(jī)巡線方面也進(jìn)行了較為廣泛的研究并取得了長足的進(jìn)步[9-13]，在近年來涌現(xiàn)了大量的無人機(jī)研制單位，對社會開展銷售、租賃航拍服務(wù)等業(yè)務(wù)。

無人直升機(jī)電力巡檢關(guān)鍵技術(shù)問題就是在保證飛行安全的前提條件下，實(shí)現(xiàn)最有效的傳感器載荷集成，以便能達(dá)到準(zhǔn)確、快速地發(fā)現(xiàn)電力線路故障、缺陷和隱患的目的。受以往無人機(jī)有效載荷小的限制，目前市面常見的傳感器集成方式多為長短焦可見光相機(jī)、攝像機(jī)以及紅外熱像儀的組合，進(jìn)行無人機(jī)的半自動、全自動飛行及傳感器的定時定點(diǎn)自動、手動拍攝。這種集成方式雖然拓展了巡檢人員的視野，但隨之產(chǎn)生的海量弱相關(guān)數(shù)據(jù)處理極大地增加了后期工作量，增大了無人機(jī)巡檢作業(yè)的應(yīng)用難度。

提高傳感器集成的有效性，一方面需要拓展傳感器種類，另一方面需要有效組織傳感器集成方式以產(chǎn)生有序的巡檢數(shù)據(jù)，前者隨著無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展和大載荷機(jī)型逐步進(jìn)入民用市場，已為多傳感器集成應(yīng)用提供了必要條件，而后者目前仍然鮮見可參考的研究成果。本文通過對電力線路安全巡檢的需求分析，提出了一種將多種傳感器用于電力線路巡檢的集成方案，針對無人直升機(jī)飛行平臺進(jìn)行多傳感器集成設(shè)計(jì)和研發(fā)，并基于此開展了大量的現(xiàn)場試驗(yàn)，驗(yàn)證了該集成方案的有效性。

1無人機(jī)電力線路巡檢需求

在無人機(jī)巡檢工作中，希望通過傳感器合理配置，在一次飛行中發(fā)現(xiàn)盡可能多的故障、缺陷和隱患，提高巡檢工作效率，降低飛行風(fēng)險(xiǎn)。同時，傳感器數(shù)據(jù)間應(yīng)具有較強(qiáng)的空間和時間關(guān)聯(lián)性，便于數(shù)據(jù)的同步展示和聯(lián)合冗余分析，提高巡檢質(zhì)量。

與人工巡檢不同，無人機(jī)系統(tǒng)巡檢時不便或不可能實(shí)現(xiàn)直接人工干預(yù)，對問題的判斷多依賴于后期數(shù)據(jù)處理分析，從而對傳感器的功能、性能和集成提出了較高要求。根據(jù)電力線路故障、缺陷和隱患的類型，可以明確傳感器選擇需求；根據(jù)傳感器配置、安裝以及無人機(jī)平臺的載荷限制，可以明確傳感器集成需求。

1.1傳感器選擇需求

目前市面上可選的傳感器種類主要有以下5類：

a)可見光檢測設(shè)備。采用可見光波段的成像傳感器對導(dǎo)地線、桿塔、金具、絕緣子等部件的外形、大小、顏色、完整性，以及線路走廊內(nèi)的樹木生長、地理環(huán)境、交叉跨越等情況進(jìn)行記錄，代替人眼進(jìn)行工作，必要時可進(jìn)行全程跟蹤錄像[8]?？梢姽庠O(shè)備主要包括高清數(shù)碼相機(jī)、高清攝像機(jī)等，并配以多種規(guī)格的可見光鏡頭。

b)紅外檢測設(shè)備。采用紅外熱像儀等成像型測溫設(shè)備對電力線路導(dǎo)線、金具、絕緣子等進(jìn)行紅外成像和溫度反演，通過熱輻射的分布特征分析數(shù)據(jù)，并判斷溫度是否在正常范圍，必要時進(jìn)行全程紅外跟蹤錄像[14]。紅外設(shè)備主要包括制冷型和非制冷型測溫設(shè)備，并配以多種規(guī)格的紅外鏡頭。

c)紫外檢測設(shè)備。通過特殊的濾鏡，使儀器檢測波長在240～280 nm之間的光信號，以排除太陽光的干擾，實(shí)現(xiàn)全天候?qū)У鼐€、金具和絕緣子串異常放電檢測，再通過與可見光、紅外檢測結(jié)果對比，綜合分析確定異常放電的原因[15-16]。紫外檢測設(shè)備通常具備放電強(qiáng)度計(jì)量功能，并與可見光攝像機(jī)進(jìn)行視場配準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)雙光譜顯示。

d)空間掃描設(shè)備?？臻g掃描設(shè)備通過掃描電力線路及其覆蓋區(qū)域的地物地貌，構(gòu)建線路設(shè)備與走廊的三維空間關(guān)系，用于重建線路走廊三維模型和空間量測。空間量測可以測定輸電線路與周邊物體的安全距離，分析電力線走廊地表變化和樹木生長速度[17-18]。常用的設(shè)備有激光掃描儀和立體相機(jī)等。

e)定位定姿系統(tǒng)(position and orientation system，POS)。POS是全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(global navigation satellite system，GNSS)接收機(jī)與慣性組合導(dǎo)航系統(tǒng)，可以為各傳感器提供實(shí)時的高精度位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)整體的空間分析。使用空間掃描設(shè)備時需要該系統(tǒng)。

1.2傳感器集成需求

多傳感器集成需求主要包含以下5個方面：

a)時鐘同步。為保證傳感器獲取數(shù)據(jù)能夠有效統(tǒng)一在同一時間坐標(biāo)下，傳感器集成時需采用時鐘同步技術(shù)，為所有傳感器數(shù)據(jù)標(biāo)記統(tǒng)一的時間戳。

b)集成安裝。為保證傳感器獲取數(shù)據(jù)能夠有效統(tǒng)一在同一空間坐標(biāo)下，集成時應(yīng)保證各傳感器視軸方向一致，安裝框架應(yīng)有足夠的剛度，以保證在振動條件下各傳感器的視軸變化在容許的范圍內(nèi)。

c)視軸穩(wěn)定。在飛行中，考慮到無人機(jī)飛行姿態(tài)變化、振動、側(cè)風(fēng)等因素影響，集成傳感器必須安置在穩(wěn)定平臺上，實(shí)現(xiàn)振動及干擾力矩隔離，保證傳感器視軸穩(wěn)定、拍攝圖像清晰。

d)體積重量限制。目前民用無人機(jī)系統(tǒng)規(guī)格和載重水平有限，集成多種傳感器時應(yīng)充分考慮吊艙控制性能和重量體積的折中。視軸穩(wěn)定性要求越高，所需的機(jī)械結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，能夠集成的傳感器也越有限。對于電力巡檢工作，控制精度不是首要考慮的因素，因此在集成設(shè)計(jì)時可適當(dāng)向功能方向傾斜。

PCI—外設(shè)部件互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)，Peripheral Component Interconnect的縮寫；PPS—輸出秒脈沖，pulse per second的縮寫。圖3　多傳感器集成系統(tǒng)構(gòu)成

e)自動跟蹤。自動化巡檢需要傳感器吊艙具備自動跟蹤的能力，以減少人工操作工作強(qiáng)度，提高巡檢數(shù)據(jù)獲取質(zhì)量。目前軍事吊艙用的圖像識別跟蹤算法對輸電設(shè)備識別跟蹤效果不理想，在集成設(shè)計(jì)時可不考慮安裝圖像識別設(shè)備，而是利用空間坐標(biāo)計(jì)算等方式，從上層控制實(shí)現(xiàn)吊艙的自動跟蹤。

2無人機(jī)多傳感器巡檢系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1無人機(jī)電力巡檢系統(tǒng)構(gòu)成

目前比較主流的巡檢系統(tǒng)主要由無人機(jī)平臺、傳感器吊艙系統(tǒng)、無線通信系統(tǒng)和地面控制系統(tǒng)等部分組成[19]，各系統(tǒng)之間的相互關(guān)系如圖1所示，實(shí)線箭頭為無人機(jī)控制信號通道，虛線箭頭為吊艙系統(tǒng)控制信號通道。

圖1　無人機(jī)電力線路巡檢系統(tǒng)

無人機(jī)平臺主要實(shí)現(xiàn)按計(jì)劃自動飛行以及運(yùn)載吊艙系統(tǒng)兩大任務(wù)[20-22]；通信鏈路實(shí)現(xiàn)控制數(shù)據(jù)、狀態(tài)信息以及實(shí)時圖像的傳輸，提供地面控制系統(tǒng)與無人機(jī)平臺、吊艙系統(tǒng)的遠(yuǎn)程交互控制；地面控制系統(tǒng)完成控制指令發(fā)送、無人機(jī)平臺和吊艙系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)接收、實(shí)時圖像集中顯示等[18]。

目前國內(nèi)無人機(jī)巡檢系統(tǒng)的有效載荷水平以及通信鏈路的穩(wěn)定性為多傳感器集成設(shè)計(jì)及功能實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。民用無人直升機(jī)的有效載荷已經(jīng)超過20 kg，這是開展多傳感器集成的必要條件[10]。多傳感器集成的功能實(shí)現(xiàn)受航線跟蹤精度和定位精度影響較大，無人機(jī)的位置信息主要依靠全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)、北斗定位系統(tǒng)等獲得，必要時還可通過地面發(fā)送實(shí)時GPS差分信號提高無人機(jī)的GPS定位精度，目前通信鏈路帶寬和延遲特性能夠滿足差分信號準(zhǔn)確傳輸?shù)男枰?，為多傳感器集成?yīng)用提供了充分條件。

2.2多傳感器吊艙集成設(shè)計(jì)

2.2.1傳感器選擇

本文研究中選用了目前國內(nèi)民用最大規(guī)格的無人直升機(jī)之一，有效任務(wù)載荷50～80 kg，吊艙掛載點(diǎn)允許的最大質(zhì)量45 kg，掛載點(diǎn)離地47.5 cm。為最大化該款無人機(jī)有效載荷的利用率，根據(jù)巡檢任務(wù)的需求，選擇傳感器如下：高清數(shù)碼相機(jī)2臺(長焦和短焦)、三維激光掃描儀1臺、紅外熱像儀1臺、紫外成像儀1臺、POS 1臺。此外，設(shè)計(jì)集成框架、系統(tǒng)時鐘卡、雙軸雙框架穩(wěn)定平臺等部件，裝配成1個多傳感器集成系統(tǒng)，具體配置見表1。通過這種配置方式，吊艙系統(tǒng)在一次飛行中可以完成包括線行環(huán)境觀測、桿塔設(shè)備拍照、異常發(fā)熱和放電監(jiān)測、通道安全距離測算以及輸電線路三維建模等多項(xiàng)任務(wù)，有效減少大型無人機(jī)起飛前后用于準(zhǔn)備和撤收工作的邊際時間成本，提高巡檢工作效率。

表1傳感器及其他設(shè)備配置參數(shù)

設(shè)備名稱數(shù)量類型參數(shù)高清相機(jī)2Canon5DMarkII紅外熱像儀1定制測溫精度:±1℃紫外成像儀1定制紫外靈敏度:3×10-18W/cm2,包含可見光和紫外兩路攝像通道激光掃描儀1RieglVZ400POS1定制航向測量精度:0.07°;姿態(tài)測量精度:0.008°;定位測量精度:3～5m;速度測量精度:0.05m/s穩(wěn)定平臺*1定制角度精度:0.05°系統(tǒng)時鐘卡*1定制測時精度:1.0μs

注：*標(biāo)識的設(shè)備不屬于本文所述傳感器。

2.2.2集成框架設(shè)計(jì)

上節(jié)所選傳感器各自具有獨(dú)特外形和尺寸，其外殼具備防護(hù)特性和安裝結(jié)構(gòu)，不便拆除外殼進(jìn)行集成，設(shè)計(jì)中盡量利用傳感器本身的安裝結(jié)構(gòu)，將各傳感器盡量平衡配置安裝在集成框架中，消除傳感器自身質(zhì)量分布不均帶來的影響。吊艙系統(tǒng)僅作低速轉(zhuǎn)動，設(shè)計(jì)和裝配時僅考慮靜態(tài)平衡性能。

無人機(jī)載荷的質(zhì)量和安裝空間有限，集成框架需具有結(jié)構(gòu)緊湊、強(qiáng)度剛度高、質(zhì)量輕的特點(diǎn)。設(shè)計(jì)中采用整塊金屬加工形成多塊主體骨架，通過拼裝形成框架，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)局部的剛度和強(qiáng)度；大量使用加強(qiáng)筋和鏤空結(jié)構(gòu)，在保證剛度強(qiáng)度的前提下盡可能減輕框架質(zhì)量。

傳感器布置以質(zhì)量和體積最大的激光掃描儀為中心，考慮到吊艙安裝位置離地高度不足的情況，在其兩側(cè)均衡地布置其他設(shè)備，集成框架的組裝完成圖如圖2(a)所示，各傳感器的安裝如圖2(b)所示。集成框架通過兩側(cè)的安裝法蘭和穿線孔與外部的穩(wěn)定平臺連接，外覆碳纖板材，起到防塵和電氣屏蔽的作用。

(b)傳感器安裝

(b)傳感器安裝1—長焦高清相機(jī)；2—短焦高清相機(jī)；3—紅外熱像儀；4—紫外成像儀；5—激光掃描儀；6—POS的慣性測量單元。圖2　集成框架結(jié)構(gòu)及傳感器安裝

2.2.3多傳感器集成系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

多傳感器集成系統(tǒng)以工業(yè)控制計(jì)算機(jī)(內(nèi)置圖像采集卡)和系統(tǒng)時鐘卡為核心進(jìn)行集成設(shè)計(jì)，系統(tǒng)數(shù)據(jù)連接構(gòu)成方式如圖3所示。

工業(yè)控制計(jì)算機(jī)既用作控制吊艙的計(jì)算平臺，接收轉(zhuǎn)發(fā)來自通信鏈路機(jī)載端發(fā)出的控制指令，又用作視頻采集保存的存儲平臺，采集和保存紫外成像儀輸出的逐行倒相(phase aternating line，PAL)格式模擬視頻信號以及紅外熱像儀輸出的數(shù)字視頻信號。

系統(tǒng)時鐘卡是多傳感器集成的核心部件之一，為全部傳感器提供統(tǒng)一的時間基準(zhǔn)并完成時間測量。雖然各傳感器都維持自有的時間系統(tǒng)，但由于存在初始值差異、漂移和頻偏，多傳感器間難以利用自有時間系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)同步功能。本文通過準(zhǔn)確測量各傳感器工作時發(fā)出的外部觸發(fā)脈沖，完成傳感器數(shù)據(jù)的軟同步。

系統(tǒng)時鐘卡的總體實(shí)施策略如下：

a)通過GPS信號維持1個GPS絕對時間；

b)通過PPS信號和NMEA(National Marine Electronics Association)協(xié)議的語句實(shí)現(xiàn)GPS絕對時間的傳遞；

c)根據(jù)GPS絕對時間，利用系統(tǒng)時鐘卡自身的時鐘和芯片邏輯構(gòu)成一個GPS絕對時間測量系統(tǒng)，測量外部脈沖的發(fā)生時刻。

該時鐘卡的工作機(jī)制如圖4所示。激光掃描儀僅使用系統(tǒng)時鐘卡輸出的PPS信號和NMEA協(xié)議的語句，直接與GPS信號進(jìn)行時間同步，故不在上述時間測量和軟同步機(jī)制范圍內(nèi)。

GPIO—通用輸入輸出接口，general purpose input output的縮寫。圖4　多傳感器時鐘同步工作機(jī)制

吊艙系統(tǒng)工作時，將外部傳感器的工作觸發(fā)脈沖信號連接到系統(tǒng)時鐘卡，用時鐘卡本地高精度GPS絕對時間測量系統(tǒng)實(shí)時檢測外部傳感器觸發(fā)脈沖，測量工作觸發(fā)脈沖上沿或下沿達(dá)到時刻，完成各個傳感器設(shè)備相關(guān)操作的時間測量，并將測量數(shù)據(jù)實(shí)時輸出記錄。在時間測量的基礎(chǔ)上，根據(jù)POS的位置、姿態(tài)、穩(wěn)定平臺角度、飛機(jī)相對運(yùn)動速度計(jì)算各個傳感器工作觸發(fā)脈沖對應(yīng)時刻的傳感器空間位置姿態(tài)，通過運(yùn)動時間補(bǔ)償完成各個傳感器數(shù)據(jù)的時空軟同步。

3無人機(jī)多傳感器集成

3.1硬件集成

多傳感器硬件集成主要包括系統(tǒng)時鐘卡研發(fā)、多傳感器及設(shè)備接口控制等內(nèi)容。因工業(yè)控制計(jì)算機(jī)串口數(shù)量不足，另配置了串口擴(kuò)展卡。分部件集成調(diào)試完成后按設(shè)計(jì)進(jìn)行多傳感器吊艙裝配。

3.1.1系統(tǒng)時鐘卡

該時鐘卡基于嵌入式ARM STM32-CortexM3處理器開發(fā)，其系統(tǒng)主頻72 MHz，時鐘周期14 ns。由于STM32103F維持一個獨(dú)立于系統(tǒng)的時鐘，該時鐘可以直接用于系統(tǒng)時間測量，可支持5路時鐘信號的高精度時間測量。時鐘卡采用GPS接收機(jī)提供的PPS時鐘同步本地時鐘，再通過本地時鐘完成各個傳感器的時間測量。系統(tǒng)時鐘卡的實(shí)物外觀如圖5所示。

圖5　系統(tǒng)時鐘卡

3.1.2傳感器及其他設(shè)備接口

各傳感器和設(shè)備的軟硬件控制、數(shù)據(jù)輸出以及外部觸發(fā)脈沖信號的接口有較大差別，見表2。其中使用RJ45網(wǎng)口以及通用串行總線(universal serial bus，USB)接口的設(shè)備可直接連接至工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，使用串口的設(shè)備通過串口擴(kuò)展板與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)連接，外部觸發(fā)脈沖直接連接至系統(tǒng)時鐘卡，不在工業(yè)控制計(jì)算機(jī)中轉(zhuǎn)。

3.1.2.1各傳感器外部觸發(fā)脈沖信號的選擇

a)由于對焦及曝光延遲，高清相機(jī)的實(shí)際曝光時刻通常晚于用戶控制命令發(fā)出時刻，故使用相機(jī)外部曝光同步信號作為外部觸發(fā)脈沖以提高測試準(zhǔn)確性。

b)紅外熱像儀及紫外成像儀均為視頻提供了幀同步信號，本文使用該信號作為外部觸發(fā)脈沖對每一幀圖像提供測時和軟同步。

表2　傳感器及其他設(shè)備接口參數(shù)

注：*標(biāo)識的設(shè)備不屬于本文所述傳感器；API—應(yīng)用程序接口，application programming interface的縮寫。

c)激光傳感器直接使用系統(tǒng)時鐘卡轉(zhuǎn)發(fā)的GPS時間信息，無需外部觸發(fā)信號。

3.1.2.2各傳感器數(shù)據(jù)輸出的形式

a)高清相機(jī)的數(shù)據(jù)輸出可用兩種方式：本地存儲、通過USB口在工業(yè)控制計(jì)算機(jī)上保存。因相片數(shù)據(jù)量大(通常為10 MB以上)、曝光間隔短，通過USB口傳輸?shù)姆€(wěn)定性較差，因此首選內(nèi)部存儲，巡檢后再通過USB口輸出。

b)紅外熱像儀同時提供數(shù)字和模擬兩路視頻，其中數(shù)字視頻用作事后智能診斷測溫用，直接通過RJ45網(wǎng)口保存在工業(yè)控制計(jì)算機(jī)上；模擬視頻用作實(shí)時監(jiān)控，通過無人機(jī)通信鏈路實(shí)時回傳。

c)紫外成像儀提供3路視頻信號(可見光、紫外放電光斑以及疊加視頻)，其中可見光和紫外放電光斑視頻用于事后放電分析，通過視頻采集卡保存至工業(yè)控制計(jì)算機(jī)；疊加視頻用作實(shí)時監(jiān)控，通過無人機(jī)通信鏈路實(shí)時回傳。

d)激光掃描儀數(shù)據(jù)通過RJ45網(wǎng)口直接保存在工業(yè)控制計(jì)算機(jī)上。

由于所選無人直升機(jī)的視頻鏈路僅支持一路視頻輸入，因此為了在地面對所有機(jī)載視頻進(jìn)行監(jiān)控，增加了一塊視頻分配及選通電路，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)通過系統(tǒng)時鐘卡轉(zhuǎn)發(fā)串口控制指令，實(shí)現(xiàn)2路回傳視頻的切換。

3.1.3串口擴(kuò)展卡

從表2可知，POS、穩(wěn)定平臺、紫外成像儀、系統(tǒng)時鐘卡等的硬件輸入輸出以及無人機(jī)的通信鏈路設(shè)備大多都使用RS232或者RS422接口，因此在多傳感器集成系統(tǒng)中配置了一塊標(biāo)準(zhǔn)串口擴(kuò)展卡，將工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的一個USB口擴(kuò)展成4個可配置的標(biāo)準(zhǔn)串口，滿足集成需要。

3.1.4多傳感器吊艙裝配

按2.2節(jié)所述的集成框架設(shè)計(jì)方法，加工裝配得到多傳感器吊艙，裝載于無人機(jī)后的外觀如圖6所示。

圖6　完成裝配的多傳感器吊艙軟件集成

3.2軟件集成

系統(tǒng)軟件集成基于Windows多任務(wù)系統(tǒng)，采用多進(jìn)程、多線程編程相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)機(jī)載主控程序、高清相機(jī)、紅外熱像儀、激光掃描儀、紫外成像儀、穩(wěn)定平臺、POS的控制和協(xié)同工作。多傳感器控制軟件系統(tǒng)采用了服務(wù)器-客戶端程序架構(gòu)，如圖7所示。通過一個系統(tǒng)控制主服務(wù)器程序?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程控制命令的接收和分發(fā)，各傳感器的工作分別采用各自的客戶端程序運(yùn)行，通過Socket完成與主服務(wù)器程序的命令交換。系統(tǒng)根據(jù)電力巡線任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)生成的任務(wù)文件及當(dāng)前飛機(jī)所處的位置、吊艙姿態(tài)對穩(wěn)定平臺和各傳感器進(jìn)行動態(tài)調(diào)度，始終使傳感器對準(zhǔn)桿塔、導(dǎo)線方向并進(jìn)行拍攝和攝像。各傳感器獲取的數(shù)據(jù)快速存儲在機(jī)載控制計(jì)算機(jī)的可拆卸固態(tài)硬盤中，供后期處理和分析使用。

圖7　傳感器控制軟件框架

4巡檢應(yīng)用及展望

該多傳感器集成系統(tǒng)在無人機(jī)整機(jī)調(diào)試完成后，在廣東地區(qū)已經(jīng)開展了10余條線路共計(jì)超過200 km的實(shí)際線路巡檢試驗(yàn)。飛行過程中多傳感器吊艙和集成系統(tǒng)工作狀態(tài)良好，通過可見光檢測、紅外檢測、激光掃描儀等傳感器發(fā)現(xiàn)了大量缺陷、隱患。應(yīng)用該多傳感器吊艙對清遠(yuǎn)市某條220 kV線路開展無人機(jī)巡檢工作(如圖8所示)，實(shí)際拍攝到的部分線路缺陷如圖9所示。

圖8　實(shí)際線路無人機(jī)巡檢試驗(yàn)

(a)某處樹障缺陷的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)

d為缺陷相導(dǎo)線上某點(diǎn)距315號塔的水平距離，d=0 m處為315號塔，d=660 m處為314號塔；h為缺陷相導(dǎo)線上某點(diǎn)距下地物垂直距離，h最小值為2.13 m，該處距離315號塔約280 m。(b)圖(a)中缺陷導(dǎo)線對地物距離曲線(虛線為智能診斷預(yù)警值)

(c)可見光檢測缺陷(鳥巢、絕緣子自爆、防振錘缺失等)

(d)線路設(shè)備發(fā)熱現(xiàn)象(熱點(diǎn)1為線夾，溫升約4 K；熱點(diǎn)2為跳線復(fù)合絕緣子護(hù)套高壓端，溫升約2 K)圖9　實(shí)際線路無人機(jī)巡檢試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)缺陷

利用多傳感器集成技術(shù)，獲得的數(shù)據(jù)可以按照嚴(yán)格的時間和空間坐標(biāo)進(jìn)行組織，圖10是多傳感器數(shù)據(jù)同步瀏覽界面，可以看出多幅圖像的數(shù)據(jù)具有良好的一致性。通過該技術(shù)的應(yīng)用，用戶可以方便地同步瀏覽多個傳感器數(shù)據(jù)，并能對同一缺陷進(jìn)行多源數(shù)據(jù)聯(lián)合分析，提高缺陷判斷的準(zhǔn)確性。

(a)高清相機(jī)

(b)紫外成像儀紫外通道

(c)紅外熱像儀

(d)紫外成像儀可見光通道圖10　多傳感器數(shù)據(jù)同步瀏覽

受目前的傳感器技術(shù)水平限制，本文開展的多傳感器集成和設(shè)計(jì)研究存在吊艙質(zhì)量偏大、外形的空氣動力學(xué)性能不足等問題，所能集成的傳感器種類和數(shù)量也接近極限。隨著技術(shù)的快速發(fā)展，傳感器向著輕小化方向不斷改進(jìn)，有望在更小的空間集成更多更先進(jìn)的傳感器，進(jìn)一步提高無人機(jī)巡檢工作的先進(jìn)性和智能化水平。

5結(jié)論

a)基于電力線路安全巡檢需要，為全面檢測線路設(shè)備的故障缺陷情況，需要綜合使用可見光檢測、紅外檢測、紫外檢測、激光掃描儀等多種傳感器。

b)利用系統(tǒng)時鐘卡和外部觸發(fā)信號，可以實(shí)現(xiàn)絕對時間信息的準(zhǔn)確測量，使得傳感器數(shù)據(jù)能夠按照時間和空間進(jìn)行軟同步，是多傳感器集成的核心方法。

c)不同的商業(yè)傳感器軟硬件接口具有很大的差異。以工業(yè)控制計(jì)算機(jī)為核心，能夠靈活實(shí)現(xiàn)多種傳感器的有效控制，完成多傳感器的軟硬件集成。

d)多傳感器集成的吊艙系統(tǒng)能夠在一次飛行中獲得多種類型的檢測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)之間具有很強(qiáng)的空間、時間關(guān)聯(lián)性，不但可以實(shí)現(xiàn)多傳感器數(shù)據(jù)同步瀏覽，還能對單一缺陷進(jìn)行多源數(shù)據(jù)聯(lián)合分析，提高缺陷判斷的準(zhǔn)確性。

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彭向陽(1971)，男，湖北黃岡人。教授級高工，工學(xué)碩士，從事輸電線路及高電壓技術(shù)工作，主要研究方向?yàn)檩旊娋€路運(yùn)行、故障診斷及高效、智能運(yùn)維檢測技術(shù)，電力系統(tǒng)過電壓及絕緣配合，高電壓試驗(yàn)技術(shù)等。

(編輯彭艷)

廣東電網(wǎng)大型無人機(jī)電力線路全自動巡檢系統(tǒng)

為了有效解決生產(chǎn)運(yùn)行中面臨的巡線難度大、風(fēng)險(xiǎn)高等問題，由廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院牽頭開發(fā)，并與總參謀部第六十研究所、佛山供電局、清遠(yuǎn)供電局等8家單位組建無人機(jī)巡檢科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合攻關(guān)無人機(jī)巡檢應(yīng)用難題，歷時4年終將無人機(jī)技術(shù)有效應(yīng)用于電網(wǎng)巡檢工作中。僅2014年度，項(xiàng)目研發(fā)的無人機(jī)在廣東電網(wǎng)7個供電局的巡檢里程達(dá)680 km，飛行架次52次，發(fā)現(xiàn)輸電線路缺陷、隱患200余項(xiàng)?，F(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用表明該機(jī)能夠良好適應(yīng)夏冬天高低溫、晴、陰、雨、霧、大風(fēng)等不同天氣環(huán)境，以及平原、丘陵、山區(qū)、江河等不同地形環(huán)境，其搭載的光學(xué)、紅外、紫外傳感器，不僅能夠發(fā)現(xiàn)絕緣子自爆、防污涂料脫落等可見缺陷，而且能夠發(fā)現(xiàn)線夾溫升異常、放電等一般巡線難以發(fā)現(xiàn)的缺陷，因而能夠有效滿足各類現(xiàn)場飛行要求。

(本刊編輯部整理)

Integrated Design on Multi-sensor System of Large Unmanned Helicopter for Electric Power Inspection

WANG Ke1, CAI Yanhui2, PENG Xiangyang2, LIU Zhengjun2, MAI Xiaoming1, ZHANG Jinduo2

(1.Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Co., Ltd., , Guangzhou, Guangdong 510080, China; 2.Chinese Academy of Surveying and Mapping, Beijing 100830, China)

Abstract：Based on requirements for safe inspection on electric power lines, a kind of multi-sensor system of unmanned helicopter which includes visible light camera, infrared imager, ultraviolet imager, laser scanner, positioning and orientation system (POS), and so on is designed. Meanwhile, a high-precision and post-process soft synchronization method based on global positioning system (GPS) is proposed for realizing independent, coordinate and synchronous work of each sensor system. Software structure based on server-customer is designed to realize mutual independence of each sensor control and data acquisition, and furthest improve security and reliability of the sensor system. Experimental results of inspection of the multi-sensor integrated unmanned helicopter indicate that this system could obtain multi-wave and polytype inspection data at the same time in one single flying, and there is strong correlation among data which could be used for united diagnosis and analysis on multi-source data and satisfy requirement for automatic diagnosis on multi-factor in potential safe hazards of electric power lines.

Key words：large unmanned helicopter; visible light camera; laser scanner; infrared thermal imager; ultraviolet imager

作者簡介：

中圖分類號：TM726；TP212

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1007-290X(2016)02-0095-09

doi:10.3969/j.issn.1007-290X.2016.02.019

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金(41371406)；國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2013AA12A201)；南方電網(wǎng)公司重點(diǎn)科技項(xiàng)目(K-GD2013-030)

收稿日期：2015-11-04