基于5G网络的智能网联无人机系统在风力发电机叶片维护中的应用探讨

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1 固定四旋翼无人机系统简述

1.1 飞行原理

四旋翼无人机是一种特殊的直升机，通过调节四个电机的转速来实现升力的变化从而实现对飞行器飞行姿态和位置的控制。它的特点是垂直起降、结构简单，四个电机不同的转速为飞行器提供了诸多飞行状态，分别是滚转、俯仰和偏航这3种飞行动作，每个飞行动作有两种飞行方向，因此有六种飞行方式。M1和M3与M2和M4电机转速相反，通过反扭矩力、扭矩力、重力等作用力，实现无人机的飞行。

1.2 系统结构

无人机可分为动力系统、遥控系统、飞控系统、飞机云台等。动力系统是无人机动能供给。遥控系统起着连接无人机和地面飞手作用。飞控系统是整个无人机的控制核心。各部分系统构成主要参数指标及作用如下：

（1）动力系统：主要由螺旋桨（主要指标：桨叶数、桨叶型、转动惯量、转速范围、桨叶力效）、无刷直流电机（主要指标：尺寸、KV值、空载电流电压、最大电流、电机效率、总力效）、电调（主要指标：最大持续/峰值电流、电压范围、控制频率、油门行程校准等）、电池（主要指标：电压、容量、放电倍率）组成。动力系统决定飞机的悬停、载重、飞行速度及距离等主要性能。

（2）遥控系统：主要由遥控器（主要指标：频率、通道、油门、遥控距离等）、接收机（遥控接收机、PPM解码板）组成。遥控系统发送飞控手的遥控指令到接收机上，接收机解码后，传给飞控板，进而根据指令做出各种飞行动作。

（3）飞控系统：主要由惯性传感单元、高度位置信息传感单元、烧录仿真单元、通信单元以及各类预留接口等。飞控系统主要负责所有外围硬件运作、无人机的飞行状态、地面通信等核心任务，主要有导航功能（解决在哪里的问题）、控制功能（解决怎么去的问题）、决策功能（解决去哪儿的问题）。

（4）地面站：负责传感器和各类无人机数据的校准，信息交互，航迹的规划及调整，数据分析、在线调参。

（5）数传系统：借助DSP技术和无线电技术实现的高性能专业数据传输电台，其一端接入计算机，另一端接入飞控系统中，实现双向通信。

（6）飞机云台：安装、固定摄像、照相的支撑设备，保证无人机在飞行中稳定拍摄、照相等。

2 需求分析

随我国经济和技术的不断发展完善，风力发电逐渐出现在人们的视野当中，并且随着时代的进步不断地创新以满足现代化建设的需要。我国风力发展的规模不断地扩大，在一定程度上也对于风机的需求进一步增多，对于风机的要求也越来越严格，风力发电机应用的增多和尺寸的不断提升，对面临的问题也逐渐增多。风力发电日常检修，需要停机，对风机内部设施以及外部叶片表面进行巡查。

风力发电机的叶片在高空、全天候条件下工作，时刻受各种介质侵蚀或影响，如未能及时发现问题或忽视小问题，极易造成事故。这类事故通常在大风季节出现，不仅带来昂贵的修补费用，更易造成发电量的严重损失。因此，对叶片进行定期检查维护，早期发现问题并尽快采取措施，才是避免事故、减少风险、稳定风电厂收益的有效方式，才能为风电厂安全运行提供有力的保障。具体问题有：

（1）污垢或盐雾腐蚀。污垢或盐雾会在叶片表面形成一层覆盖层，覆盖层会对叶片的效率产生负影响，所以要定期对叶片表面进行清洗，除去覆盖层。

（2）开裂和破损。如果叶片的表层完好无损，仅是开胶裂缝，就只需要用胶把裂缝粘起来即可。薄缘部位的缺口必须依照规定程序来修补。

3 应用方案

3.1 总体方案

根据具体应用场景，选择5G网络+飞控平台+网联无人机+红外热成像仪的方式提供对风力发电机叶片进行日常巡检的应用方案。具体方案如下：

（1）5G网络：在风力发电区域建设5G空域覆盖网络，保障无人机控制信令的下达，实时回传无人机拍摄的图像和照片。

（2）智飞平台：一是自动控制无人机自动巡航巡检。二是控制搭载的热成像仪聚焦拍摄。三是对采集的视频和图像进行二次处理。

（3）网联无人机+红外热成像仪。替代人对叶片进行巡检。其中热成像仪利用叶片损伤后，在旋转过程中会产生温差。通过对温差分析，得出叶片是否损坏的结果。

3.2 网络覆盖方案

（1）试点区域：选择位于吉安新干桃溪五老峰风电场。

（2）5G网络：在试点区域内新建1个5G基站，用于测试5G专用网络在120米以下的低空覆盖情况。

3.3 无人机解决方案

（1）无人机型号：GDU宙普 Z4B中型四旋翼无人机

（2）红外热成像仪型号：高德红外公司分辨率为1280X1024红外成像仪。

（3）无人机通信模块改造：无人机原有通信系统中增加5G的通信方式，即在无人机的通信模块中增加华为MH5000-31 5G模组，在无人机遥控设备中增加同样的5G模组。改造后无人机具有两种通信方式，一种是通过2.4G的专用点对点通信模式，一种是通过5G网络到云服务器到遥控器的通信模式。

（3）智飞平台：在移动公有云中部署普宙公司飞控平台，该平台能够解析、存储、直播无人机拍摄的视频及照片，能够控制无人机完成设定的飞行任务。风力发电厂维护人员可以通过网络和改平台实时观察无人机拍摄的画面。

3.4 性能测试方案

测试中使用1台固定四旋翼无人机，测试主要内容如下：

（1）5G网络覆盖测试：测试公共网络中开通和未开通3D-MIMO技术的覆盖对比；测试专用网络中单个5G基站的空域网络的覆盖范围；测试使用交互网络切片技术对空域网络覆盖的影响。

（2）5G网络传输速率测试：测试上述网络配置条件下，相同高度不同位置，相同位置不同高度，4K图像传输速率。

（3）测试现有点对点通信系统传输速率：相同高度不同位置，相同位置不同高度，4K图像传输速率，红外成像仪图像传输速率。

（4）测试飞控命令端到端时延：分别测试5G网络下和点到点网络下，飞控指令的时延问题。

（5）风力发电叶片排障测试：测试无人机在空中拍摄风力发电叶片的最佳高度和距离；测试红外摄像机拍摄转动时风力发电叶片的效果以及叶片温度差异。

4 效果与结论

4.1 5G网络测试效果

（1）5G基站空域覆盖情况：在试点中，以基站为中心，最大高度约300米，最远距离约400米。

（2）时延情况：通过多次在终端侧对控制台服务器进行Ping测试，已经通过智飞平台对无人机的操作表明，在试点区域，5G网络覆盖内，控制信令时延小于140ms；网络侧时延控制在20ms以内；端到端时延控制在140ms以内。

（3）数据传输情况： 1080P数据传输上行大于10Mbps，下行大于10Mbps；4K数据传输上行大于30M Mbps，下行大于10Mbps；8K数据传输上行大于120Mbps，下行大于10Mbps。

4.2 无人机系统测试效果

（1）飞控平台：通过5G网络，飞控平台与无人机之间端到端时延小于X毫秒，能够满足远程控制的需求。

（2）热成像仪：通过5G网络，热成像仪能够实时回传拍摄的发电机叶片红外图像。维护分析人员可以根据红外图像及时发现叶片上的温度差异，从而发现发电机叶片上的微小裂痕。

4.3 结论

通过现场测试，5G+飞控平台+网联无人机+热成像系统，能够替代现有维护人员对发电机叶片的日常巡检工作，并能够在不中断发电机的情况下，开展近距离、高精度、低时延的监测工作。

5 总结与展望

2016 年以来，无人机市场进入快速发展阶段，国内大疆、亿航等无人机厂商，亚马逊、阿里等互联网企业，海康卫视等垂直行业企业纷纷布局行业无人机市场，行业应用逐渐丰富。2019年，5G 网络正式商用，对通信运营企业来说，发挥5G网络基础优势，整合无人机厂商、垂直领域企业的相关资源，形成针对特定的应用场景网联无人机解决方案，开拓网联无人机市场前景巨大。在风力发电厂这个典型场景中，后续可以增加无人机自动充电设备和完善飞控平台，实现无人机的自动监测和自动充电，从而形成一个较为完善的商用解决方案。