可测距的多旋翼无人机在输电线路运维中的应用

杨静思

（云南电网有限责任公司昭通供电局，云南 昭通 657000）

0 引 言

输电线路运维检修是一项系统性较强且较为复杂的工程。借助人工的方式进行检修不仅会消耗大量的人力、物力和财力，而且会影响输电线路运维和检修的整体效率。而使用无人机技术能有效提高输电线路运维检修工作的质量和效率，及时发现线路中的故障问题，并将相关信息传递给相关人员，便于其及时采取有效的解决措施，促进输电线路的稳定运行，在时效性、智能化方面具有较为明显的优势。

1 多旋翼无人机在输电线路运维检修中的应用优势与功能定位

1.1 多旋翼无人机应用优势

将无人机应用于输电线路运维检修中具有非常明显的优势。相较于常规方式而言，无人机并不受地形方面的限制，并且也不受复杂环境、恶劣天气等方面的影响，其巡视范围较为广泛且精度较高，降低了人工作业强度，同时也降低了作业过程中的风险。此外，与其他技术相比，通过无人机展开相关作业能有效降低运维和检修成本，如时间成本、人力成本和费用成本，使运维检修工作变得更加灵活、高效。无人机在输电线路缺陷识别方面也具有较强的能力，如线路基础、塔体设备故障等关键部位的缺陷。

1.2 多旋翼无人机巡检的功能定位

在输电线路运维和检修过程中使用无人机展开相关工作，要求无人机具备以下几项功能，才能保证运维和检修工作的有效展开。第一，具备通信功能，包括对飞行状态、机载设备工作状态、飞行参数、设备参数、信息传输与记录以及后背冗余链路等方面的通信功能，实现地面与无人机采集信息的有效对接。第二，具备安全保护功能，包括对发动机状态、意外安全保护、安全油量返航、容错控制以及链路中断返航等安全保护功能。第三，具备监控显示功能，要能实时记录无人机各个系统的工作状态、飞行航迹、遥测参数综合梳理以及地图编辑等方面的数据信息。同时，具有对外通信的接口，方便和外部设备及地面信息站进行数据传输和交换。

2 多旋翼无人机在输电线路运维检修中的应用

2.1 线路缺陷巡视

我国输电线路敷设的范围非常广泛，在一些偏远山区、地形复杂的区域也有大量的线路敷设，但由于受到各方面自然因素的影响，使得线路中的缺陷问题无法及时被发现。如果单纯地靠人工方式进行巡检，不仅会花费大量的时间和精力，而且会增加成本[1]。而使用无人机进行线路巡视，能在降低成本的同时节省检修时间。通过对无人机进行控制来对输电线路进行航拍，并将所拍摄到的画面通过终端及时传递到地面控制中心，对人工巡视工作中受到遮挡的缺陷位置进行更加全面的观测，如图1所示。

图1 线路缺陷巡视

2.2 线路故障巡视

我国输电线路错综复杂且规模较为庞大，极易受地形地貌、恶劣气候条件、异物以及施工等方面的影响而出现故障。例如：线路遭受雷击而导致断线漏电，异物落在线路上而导致线路短路等，都会影响人们的正常生产和生活。当出现故障问题时，使用无人机来对故障进行检修，不仅不会受自然条件和地形地貌的影响，而且安全方便。无人机自身搭载的各种设备和系统能对故障位置进行准确定位，并能根据故障位置信息确定精准航线，第一时间飞到故障区域查找故障点，将相关信息传输到控制中心，有利于工作人员及时采取相应的措施解决故障。

2.3 树障测量

在实际情况中，检修人员在检修过程中极易受到树木的遮挡而影响正常检修，无法对导线净空进行有效测量，或是测量出的数据与实际情况存在较大误差，进而导致停电周期过长，运维管理单位无法及时获得准确的数据，从而为线路的安全和稳定运行带来了一定隐患。而借助无人机及相关装置（如视频采集装置、超声波测距装置等），通过其搭载的装置，能更加精准地测量树障与导线净空，为检修工作提供有效的参考，提升检修效率。

2.4 新建线路的验收

当新线路建成后，需要对线路进行全面验收，而过去普遍采用人工登塔走线的方式来进行验收。采用该方式进行验收，不仅工作量大，而且危险性较高。如果受到自然因素的影响（如北方连续降雪、南方雨季等），还可能会耽误验收工作，影响电力系统的正常运作。而使用无人机技术来进行运维管理，能事先按照设定好的精准航线进行悬停，并对输电线路中的导线、铁塔、绝缘子以及附属设施等进行全方面、精细化的检查，并及时保存和传输相关影像资料，以保证输电线路验收的质量。同时，其在复检消缺方面具有较大的便捷性，能有效提高作业效率，降低危险性。

3 可测距的多旋翼无人机研发的必要性分析

输电线路大多分布在野外，运行环境复杂。按照输电线路运行规程的要求，线路管理部门需要定期对线路走廊开展巡视工作，测量走廊内的树木和建筑物与导线的距离，及时砍伐距离小于安全距离的树木。常用的测量仪器包括激光测距仪、经纬仪以及测高杆等，但均存在一定的局限性，如测量精度较差、使用受地形限制等。

因此，研发可测距的多旋翼无人机就显得非常必要。在研发过程中，使无人机挂载激光测距仪，并进行一定的改进，实现远距离、高精度地测量各类树障、建房、外破等隐患点与导线的实际距离，同时覆盖经纬仪测量方法无法作业的盲区。

4 可测距的多旋翼无人机的研发方案

4.1 无人机测距系统设计

本无人机测距平台主要包括无人机系统、图像采集系统、测距系统和地面站。无人机系统通过机载GPS定位系统实时获得飞行高度、速度以及位置等信息，通过机载变焦摄像机实时记录拍摄到的图像信息，通过机载数传和图传把飞行数据和图像数据传输到地面站的监控器，为操控人员提供及时准确的数据支持[2]。为实现图像采集与测距装置的有效结合，系统配备测距显示系统，由专门人员负责测距工作，当地面工作人员通过工作站向机载测距单元发送采集指令之后，机载数据采集模块根据指令完成数据采集，并通过机载数传把测得的数据发送到地面工作站，地面工作站对数据进行分析、计算和保存，如图2所示。

图2 无人机控制系统示意图

4.2 激光测距云台研制

第一，为达到较好的测距效果，无人机云台采用三轴云台，结合精密的云台控制算法，精准控制相机设备，实现拍摄图像的零抖动。无人机上挂载光学变焦相机，通过无线通信实现空中变焦，便于巡检人员对线路、杆塔的具体部位进行检查。在无人机一侧，安装图像监测装置，将图像实时回传至地面，为操控手选择最终悬停位置及姿态调整提供决策依据。另外，通过在无人机前端安装激光测距装置，使无人机与漂浮异物之间距离实时显示在地面站显示屏上，为操控手快速进入最佳悬停作业位置提供支持，同时利用可靠的实时数据规避了经验偏差风险。

第二，将激光测距传感器、倾角传感器和IOSD视频叠加模块安装到云台中，实时将飞行器的多项状态信息（高度、速度、姿态角、电池电压、控制模式）叠加到视频信息上，通过无线数传、图传发送至地面监控器，使操作人员实时掌握无人机的状态和坐标[3]。

第三，测距系统软件开发。激光测距仪测出的数值和云台的角度通过数传直接传到地面站，测距软件能自动解算出导线到障碍物的净空距离。将软件算出的测量数据与实际距离进行对比，若误差保持在0.5 m以内，就满足设计和应用要求。图3为云台相机示意图。

4.3 效果分析

本项目研制成功后，在班组的日常巡视中，若发现有隐患点，便能及时进行隐患点的准确测量，并给隐患点定级，有序地开展隐患管控工作。可测距的多旋翼无人机在输电线路运维中的应用大大减少了工作人员的工作量，同时提升了测量效率和精度，对保障输电线路的安全运行具有重要意义。

图3 云台相机示意图

5 结 论

随着我国电力系统的发展，输电线路的规模逐渐扩大，线路敷设的复杂性也越来越高，从而为输电线路的检修工作带来一定的影响。因此，我国相关部门已经使用无人机技术对输电线路进行运维和检修。本文在传统多旋翼无人机的基础上添加云台系统，构建可测距的多旋翼无人机，能进一步扩展无人机在输电线路运维中的应用范围，提升线路运维成效。