陳海華，楊 磊，陳鳳翔，李若愚

（貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司，貴州 貴陽550000）

輸電線路巡檢作業(yè)通常安排在日間進行，以獲得良好光照條件。但山區(qū)輸電線路面臨多變的風(fēng)、霧、霜、雨等微氣象環(huán)境，對機巡裝備提出了特別要求。同時，應(yīng)急檢修作業(yè)也需要在夜間或復(fù)雜氣象條件下進行，當(dāng)線路設(shè)備出現(xiàn)故障，或在臺風(fēng)、山火、洪水、覆冰等災(zāi)害發(fā)生后，通過無人機緊急勘察線路設(shè)備受損情況，以免帶故供電對人員和資產(chǎn)造成損害。輸電線路現(xiàn)有的無人機系統(tǒng)部分已具備一定的防雨、抗風(fēng)、抗低溫能力，搭載紅外熱成像載荷的情況下能夠在夜間進行機巡作業(yè)，但缺少針對性的檢測負載，存在山區(qū)作業(yè)難度大、效率低、成本高等問題。本文研究結(jié)合紅外熱成像攝像頭、高清可見光攝像頭、LED補光燈設(shè)計一款針對山區(qū)復(fù)雜氣象環(huán)境的全時效特種作業(yè)無人機，獲取夜間真色彩、低噪度圖像，實現(xiàn)無人機夜間作業(yè)和雙通道融合檢測功能，為復(fù)雜光照和氣象條件下的應(yīng)急巡檢提供一種可行、高效的技術(shù)方法。

1 全時效無人機整體設(shè)計

全時效無人機是指具備一定復(fù)雜氣象適應(yīng)能力，在日間和夜間均能進行高效巡檢作業(yè)的無人機系統(tǒng)，包括全天候無人機飛行平臺和全時效作業(yè)負載。全天候無人機飛行平臺以多旋翼能夠懸停觀測的無人機為主，以現(xiàn)有某無人機系統(tǒng)為例，機身防護能力達到了IP45，可承受15m/s大風(fēng)，最大遙控距離8公里，具備LTE備份通信鏈路和冗余導(dǎo)航定位系統(tǒng)，機身六向采用了光流和紅外避障技術(shù)，有效避障距離達到5m以上，可搭載水平環(huán)掃毫米波雷達實現(xiàn)對線纜級細小物體的避障，配備了夜航燈和主動示蹤通信系統(tǒng)，基本滿足夜間和復(fù)雜氣象條件下的飛行要求。負載方面無人機廠家提供了可見光、紅外熱成像一體相機，日間可見光檢測線路的銷釘級缺陷，日間或夜間被動紅外熱成像檢測設(shè)備表面溫度異常情況，單相機負載不具備夜間檢測銷釘級缺陷的能力。搭配探照燈多負載模式下通過云臺同步能夠擴展夜間檢測能力，但存在增加了機身起飛重量和耗電，縮短了續(xù)航時間；復(fù)雜氣象條件下探照燈使用時間不確定，常態(tài)多負載配置成本高等問題。電網(wǎng)線路巡檢需要集成度更高的一體化載荷以適應(yīng)復(fù)雜多變的山區(qū)作業(yè)環(huán)境和時敏性任務(wù)作業(yè)需求。

全時效負載整體設(shè)計主要從以下幾方面考慮：一是應(yīng)能兼容主要的飛行平臺，從重量、能耗、控制、功能等方面均能適配現(xiàn)有輕型、小型無人機飛行平臺（最大起飛重量分別為小于等于7kg和25kg），且不影響飛行平臺本身性能；二是可見光和紅外熱成像相機的空間分辨率均能滿足距離成像10m以外發(fā)現(xiàn)銷釘級缺陷或線纜直徑大小異常溫度區(qū)域的要求；三是可見光、紅外熱成像、LED補光燈高度集成同時工作情況下，能夠避免光源、熱源相互干擾，實現(xiàn)長時間穩(wěn)定工作。

2 全時效負載設(shè)計

依據(jù)功能開放程度，無人機飛行平臺可分開放負載軟件開發(fā)包（SDK）和不開放負載SDK兩類。其中，前者機身防護等級更高，功能更強，代表了無人機發(fā)展趨勢；后者使用簡單，存量巨大。前者為研究的主要兼容方向。

2.1 功能模塊

對于開放負載SDK的無人機系統(tǒng)，通過SDK開發(fā)，能夠?qū)崿F(xiàn)云臺檢測，下行遙測、上行遙控鏈路，配合遙控端SDK開發(fā)，能夠在現(xiàn)有無人機系統(tǒng)基礎(chǔ)上集成自研負載，功能模塊設(shè)計如圖1所示。

圖1 傳感器功能模塊設(shè)計

無人機SDK調(diào)用無人機功能函數(shù)，實現(xiàn)基本模塊加載、數(shù)據(jù)訂閱、云臺控制、相機控制、圖傳、遙控器可視化控件等功能，搭建相機運行的基本功能環(huán)境?？梢姽夂图t外熱成像圖像經(jīng)鏡頭分別采集后交由海思平臺處理，形成碼流傳回地面實時圖傳信號，或存儲在機身存儲介質(zhì)內(nèi)；支持二次分析的紅外熱成像原始照片交由STM平臺處理，存儲在機身內(nèi)，飛行完成后進行詳細分析。相機控制包括圖像合成模式、拍攝錄像、LED燈由無人機SDK、海思平臺、STM平臺共同完成，實現(xiàn)完整的無人機負載功能。

2.2 檢測能力

可見光和紅外熱成像均應(yīng)根據(jù)10m外檢測銷釘級缺陷為指標選用鏡頭和傳感器，空間分辨率如圖2所示。

圖2 視場角示意圖

鏡頭視場角和傳感器大小決定目標成像分辨率。空間分辨率如下式所示：

P為水平方向空間分辨率，單位為弧度；R為鏡頭視場角，單位為度；X為傳感器水平方向像元數(shù)。像元映射物體大小與物距相關(guān)，可按照下式略算：

N為該距離像元對應(yīng)的物體大小，單位為m，又稱像方分辨率；L為相機至目標物體距離，單位為m。銷釘尺寸通常在20mm左右，輸電線纜直徑通常在10mm以上?？梢姽鈾z測銷釘缺陷時，銷釘成像大小應(yīng)在10個像素以上，方能識別銷釘并判斷是否有缺失；紅外熱成像檢測時，線纜成像大小應(yīng)在2至3個像素以上，方能區(qū)別顯示常見的溫度異常區(qū)域。當(dāng)物距為10m時，不同分辨率和視場角的相機，像方分辨率如表1所示。

表1 像方分辨率計算

由計算可知，視場角越小，單位像素對應(yīng)的物體越小，圖像分辨率越高。檢測要求可見光10個像素對應(yīng)物體小于20mm，紅外熱成像2個像素對應(yīng)物體小于10mm，結(jié)合表1計算結(jié)果可知，可見光視場角應(yīng)小于55.5°，紅外熱成像視場角應(yīng)小于25°，需選用滿足視場角要求的相機鏡頭作為全時效集成部件。實現(xiàn)結(jié)果中，可見光顯示中心將與紅外熱成像重合，顯示區(qū)域?qū)⒋笥诩t外熱成像，以在融合檢測中實現(xiàn)各自的功能效果。

2.3 集成設(shè)計

全時效負載應(yīng)能在夜晚正常作業(yè)，現(xiàn)有的可見光難以滿足低照度或無光條件下獲取真色彩、低噪度圖像要求，通過LED補光能夠在一定距離內(nèi)實現(xiàn)夜間可見光檢測，同時LED補光可補充紅外熱成像反射光源，使熱成像效果距離更遠，成像效果更加細膩。但在相機內(nèi)同時集成可見光、紅外熱成像傳感器，LED補光燈，控制芯片和圖像處理芯片等可能導(dǎo)致功耗器件過于密集，造成相互干擾和熱量積聚，影響設(shè)備穩(wěn)定性和準確性。集成設(shè)計應(yīng)從器件布局、結(jié)構(gòu)材質(zhì)等方面進行優(yōu)化，布局圖如圖3所示。

圖3 傳感器布局圖

通過雙LED布局側(cè)邊布局高效利用相機空間，提供高亮度光源，滿足夜間巡視要求。散熱設(shè)計和實物如圖4所示。

圖4 傳感器散熱設(shè)計和實物圖

LED補光燈主要是熱源和光源，采用聚光、密封減少光源干擾，通過陶瓷隔熱片、金屬散熱片、內(nèi)置風(fēng)扇和底部透風(fēng)孔，加快相機內(nèi)外熱量交換，減少熱源干擾，保障高密度集成器件長時間正常工作。

3 全時效巡檢無人機應(yīng)用實例

實際應(yīng)用中，全時效巡檢無人機在夜間打開LED補光燈的情況下，能夠極大提高可見光成像質(zhì)量，滿足夜間巡檢銷釘級缺陷的要求，重量和功耗相比單個融合傳感器并無明顯增加，以較少的硬件改動擴展了機巡作業(yè)無人機的夜間作業(yè)能力；同時可見光和紅外熱成像同屏顯示，互為補充，為夜間快速尋找缺陷隱患位置提供了融合感知手段，如圖5所示。

圖5 全時效巡檢無人機成像效果

4 結(jié)束語

隨著機巡作業(yè)在輸電線路巡檢應(yīng)用中的深度發(fā)展，機巡裝備的標準化、特異化將同時得到增強，無人機將能覆蓋更大范圍和更多作業(yè)場景。通過研究基于現(xiàn)有無人機平臺的可見光、紅外熱成像、LED燈一體化任務(wù)負載，探索驗證了特種裝備研制方法，通過整體設(shè)計、傳感器選型、基礎(chǔ)搭建和散熱改良，研制了一款能夠保障輸電線路夜間和復(fù)雜氣象條件下巡視的特種負載，提高和完善了無人機巡檢的技術(shù)手段和適用范圍，對于提高電網(wǎng)服務(wù)水平、保障供電安全具有現(xiàn)實意義。