无人机电力线路安全巡检的关键技术

2019-01-14蔡文霞

通信电源技术 2019年12期

蔡文霞

（石家庄学院物理学院机电学院，河北石家庄 050035）

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我国地域辽阔，不同地方的地形地貌、水文信息、气候环境及地质构造等存在很大的差异。由于输电线路长期曝露在室外，受到风雪雷电等自然灾害的影响，输电线路的杆塔可能出现下沉、电气设备绝缘体破裂及输电线路断开等问题，导致电力故障，造成大范围停电事故。因此，为了确保输电线路安全有序运行，需要定期或者不定期对线路进行巡视，防止线路出现故障问题。由于输电线路运行范围广、运行环境负责，不利于电力线路巡检工作的开展。将无人机应用在电力线路安全巡检过程中，利用无人机的体积小、不容易受到地形环境影响、操作方便等特点，可以提高电力线路巡检的工作效率，降低巡检人员的工作强度。

1 无人机巡检技术

无人机巡检是将可见光红外热像仪、遥感设备及数码相机等设备搭载在无人机内部，实现对输电线路巡视检查的新型巡检技术。无人机巡检系统由无人机分系统、任务搭载系统及综合保障系统三部分构成。其中，无人机分系统由无人机驾驶航空器、地面站及通信系统构成，向无人机发布遥控指令完成飞行任务；任务搭载系统主要完成信息采集、记录和检测等功能，主要由光电吊舱、云台及地面控制装置等构成；综合保障系统主要是无人机的工作站设备，包括供电设备、动力设备及储运车辆等[1]。与传统的人工巡检相比，无人机巡检技术具有如下优点。第一，无人机可以垂直起飞和降落，不需要任何辅助设置，不需要铺设专门的跑到和机场，在野外可以随时起飞和降落，方便随时对线路进行巡视。第二，无人机飞行的精度比较高，可以根据巡检要求，随时调整无人机的角度，可以让无人机进行前飞、后飞及侧飞等各种飞行模式，从而全方位对线路进行检查。一旦发现问题，无人机可以及时将采集的数据信息发送到控制中心，便于控制中心对问题线路进行分析，并采取有效的措施，防止故障的发生。无人机巡检技术弥补了人工巡检在复杂地形巡视不足。第三，无人机具有智能控制技术，可以根据巡检的要求，调整无人机的飞行高度、飞机飞行的方向和航线，具有较强的容错性能，适应野外负责的飞行任务。第四，无人具有一定的空间，可以在无人机内部搭载红外热像仪、高清摄像头等设备。红外线成像仪可以监测输电线路的温度，如果输电线路的温度存在异常情况，可以及时发现并分析问题的原因，并及时处理。高清摄像头可以拍摄选检线路的电力设备运行情况，并将拍摄的视频和图片发送到数据中心，便于数据中心对视频、图像进行分析[2]。

2 无人机电力线路安全巡检的关键技术

2.1 通信技术

通信技术是无人机电力线路安全巡检的关键技术，无人机发布飞行命令、调整飞行线路、控制飞行高度，并将无人机巡检过程中拍摄的图像视频信息发送到数据中心，数据中心对数据信息进行分析，及时发现电力线路中存在的问题。因此，通信技术直接关系到无人机飞行任务的完成。目前，通信技术主要有光纤通信技术、电力电缆通信技术以及无线通信技术。电力电缆通信技术是利用电力传输线作为信号传输通道，将信号加载到电力线上，实现语音、数据等信息的高速传输。这种通信技术相对比较成熟，安全性高。光纤通信技术指用光波作为传输载波，将光纤作为传输媒介实现数据信息的传输。光纤通信系统由光发信机、光收信机、光纤或者光缆、中继器、耦合器以及光纤连接器等构成。光纤通信技术具有通信容量大、传输距离远、抗干扰性好、保密性强等优点。无线通信技术主要分为微波通信技术和移动通信技术[3]。微波通信技术是利用数字中继器进行数据信息交换，将数据信息加载到微波载体上并通过电波空间进行数据传输。移动通信技术主要为了满足手机、电脑等移动终端设备的通信要求。目前，我国移动通信技术已经发展到5G 时代，移动通信质量和速度有了显著提高。这3 种通信方式各有特色，且相互补充。无人机电力线路安全巡检过程中，无人机飞行距离一定程度上影响到通信质量。目前，无人机的通信系统主要利用波段—视距状态下的空地直接链路，采用Ku 波段和Ka 波段，飞行达到一定的高度，则选择Ka 波段，减少数据信息的损失。目前，无人机的通信技术还无法满足远距离飞行任务要求，因此无人机线路巡检技术还需要加大通信技术方面的研究。

2.2 遥感技术

遥感技术是利用电磁波的原理，将各种传感设备对远距离目标发出辐射和反辐射的电磁波信号，根据电磁波反射回来的信号进行分析、处理并最终形成图像（不同的物体辐射和反辐射的信息不同），从而对地面建筑物、林木及矿产等进行探测和识别的一种综合技术[4]。遥感技术根据不同的电磁波谱段，可以分成可见光遥感、红外线遥感及紫外线遥感技术。可见光遥感技术主要针对波长在0.4 ～0.7 μm 的可见光，将感光胶皮或者光电探测器作为感测元件。但是这种遥感技术只能在白天使用，才能获得比较高的地面分辨率。红外遥感技术根据波长可以分为近红外遥感技术、中红外遥感技术及远红外遥感技术。近红外遥感技术主要针对波长为0.7 ～1.5 μm 的红外光，中红外遥感技术主要针对波长为1.5 ～5.5 μm 的红外光，远红外遥感技术主要针对波长为5.5 ～1 000 μm 的红外光。红外感光技术不受时间的控制，可以实现晚上作业。多普段遥感技术主要利用几个不同谱段同时对某一个地区进行遥感测量，从而获得各个普段相对应的信息，将不同普段的遥感信息组合以后就可以获得更多物体更加全面的信息。紫外遥感技术主要针对波长0.3 ～0.4 μm 的紫外光进行紫外摄影，从而获得信息。将遥感技术应用在无人机线路巡检工作中，可以根据实际情况，结合各种遥感技术，采集空间云数据信息，自动获取线路空间区域的建筑、河流、植被信息。无人机搭载的计算机测图软件还可以对采集的摄像摄像进行纠正，并利用点云分割实现数据信息的处理，提取地面建筑物、植被、河流及道路交通等数据信息，利用几何模型对图像进行几何和辐射校正，剔除一些无效信息，留下有价值的信息。

2.3 激光雷达探测技术

激光雷达探测技术是向探测对象发射激光信号，激光信号将探测对象的信息反射回来后，与原来的发射信号进行对比分析，经过处理以后可以获得探测对象的位置、距离、方位、速度及形状等参数。激光雷达技术使用激光束进行探测，可以获得很高的分辨率，并同时跟踪多个目标，速度分辨率可以达到10 m/s 以内。激光雷达探测技术的隐蔽性好、抗干扰能力强，激光发射系统的口径比较小，可接受区域比较小，所以其他干扰信号不容易进入接收机。激光雷达探测器可以实现零高度工作，即便距离比较近的物体也可以实现探测。激光雷达探测系统使用的设备体积小、质量轻，适合无人机线路巡视要求。激光雷达探测技术可以获取高精度、高密度云空间数据信息，并利用高分辨率的数码相机进行摄影，然后利用计算机软件提取相机的数据信息，建立三维模型，然后发现电力线路故障位置、距离和方向，提高线路巡检的工作效率和质量，不需要巡检人员一一对线路进行巡检，就可以完成巡检的工作任务[5]。

2.4 控制技术

小型无人机的重量轻，在飞行过程中，容易受到风的影响，导致线路偏航，无法完成巡检任务。因此，需要加强无人机系统的控制能力，即便无人机飞行过程中出现了偏差，无人机的自动化控制系统也可以按照预先设定的线路和方向对无人机进行调整，让无人机恢复到原来的位置。目前，无人机的控制技术还不够完善，无法达到自动调整和控制。无人机控制技术是当前无人机巡检技术研究的重点和方向。