电力线路无人机巡检方案研究

徐永红 黄清云

摘要：隨着中国现代科学与技术的快速发展，人们对电能输送的需求越来越多，架空电力线路工程的规模也越来越大。在架空电力线路工程实施完成后，往往需要穿过复杂的地形和险恶的自然环境与生态环境，借助无人机技术实现对电力线路的巡检，以确保架空线路的运行安全，实现电力线路巡检的自动化。

关键词：电力线路;无人机;巡检方案

1无人机应用于巡检电力线路的技术优势

无人机拥有自动导航和自动悬停技术，巡检时能够做到全方位的高空信息采集，多角度进行观察，高效率降低架空电力线路巡检工作的难度，最大程度上杜绝安全事故的发生，提升巡检效率和巡检质量。这种优势在极端恶劣天气条件下能够得到充分发挥。雨雪天气中，铁塔容易打滑，人工蹬杆走线容易发生危险。无人机能够代替人工工作，保证工作人员安全的同时，保障电网安全可靠地使用运行。在灾后道路不通、工作人员亲自到现场巡检有困难以及危险系数较高时，无人机能够发挥重要作用。许多工作能够在带电情况下完成，效率极高。

在当前的技术条件下，巡检电力线路中应用最多的是遥控直升机和四旋翼无人机。下面将详细介绍这两种不同的无人机技术和功能。遥控直升机装备有图像采集和实时传输装置，装载的是普通直升机的气动布局。在巡检线路过程中，不应该在设备正上方悬停，将采集的信息图像迅速发送到监控中心，方便后台的工作人员及时根据电力线路可能存在的故障进行判断。作为人工遥控的应用遥控直升机，工作时需要工作人员操作来保证无人机能够在距离电力线路安全距离处停留，然后依托无人机内部的拍照机器进行图像拍摄，并且传送回后台监控人员处。四旋翼无人机有着较强的起降能力，主要原因是它的气动布局结构不同于遥控直升机。此外，为了保证传输线路图像的清晰度，四旋翼无人机配备了无线微型高分辨率图像采集装置，能够获得高清信息，并将其传送回地面站。四旋翼无人机在工作流程上和应用遥控无人机有些许不同。四旋翼无人机通过地面站发出的指令自主在距离电力线路安全距离范围内悬停，工作人员通过遥控控制旋翼的航向和减振云台，保证无人机在各个地方拍摄的图像的清晰，实现电力线路设备巡检情况的实时采集和传输。

在巡检电力线路工作中，无人机发挥着重要作用。但是，由于技术问题的局限，它在续航方面存在缺点。首先，无人机体积较大，但是电池容量较小，其巡检时间和距离十分有限。其次，无人机不能够自主分析故障点，需要通过传送图像到后台进行人工判断。所以，在创新技术方面可以从以下几个要点进行分析研究。作为具有自主悬停、自主导航特点的四旋翼无人机，能够及时发现电力线路跳闸的故障。在这一前提下，可以构建一个完整的全方位巡检模型，保障在巡检过程中电力线路的安全，还能够分析在恶劣天气条件影响下电力线路可能发生的灾害。为了解决无人机的工作时长问题，可以对锂电池的选型、电机的选型以及空气动力等进行研究。通过改善飞行控制、结构强度等条件，优化流线型机身碳纤维制作工艺问题，进一步升级四旋翼无人机的技术条件。

2  无人机控制方案

2.1系统设计及构成部分

无人机巡视控制系统包括3部分，分别是无人机飞行控制系统、无人机定位信息系统和数据系统 。

其中，数据系统包括图像采集模块、空地通信模块、设备供电模块和云台及控制模块。图像采集模块对无人机拍摄采集的图像进行杂波滤除、噪声去除、信息提取等一系列图像处理;空地通信模块主要将采集到的数据输送到监控单元进行进一步的分析和判断;设备供电模块为采集模块和通信装置;云台及控制模块为准备好采集的摄像机提供拍摄角度和各种设置。图像采集模块存在图像去噪的优化问题，传统去噪算法的不一定适用与无人机巡线，但采用基于感知的矩阵恢复方案去除成像噪声，可以得到满足实际工作要求的结果。

2.2 飞行航线的生成方法

当无人机接近架空线路时，通常采用两种飞行方式：（1）定高飞行方式。用这种方法，首先选择合适的着陆位置，然后无人机精确定位起点，设定起点高度。通过这种控制方法，当相应的性能参数为定值时，可以显著降低故障率。（2）斜飞方式。特别是在仔细部署了无人机设备后，直接从起飞站出发，向不同的方向移动，通过这种飞行模式，可以快速接近控制目标，提高测试速度，但同时，因为必须双手同时行动，因此会增加控制难度，提高工作失误率。

在使用无人机巡逻设备之前，必须先规划航线，通常是三角和线性航线。如果设计水平三角路线的起点和范围，则无人驾驶器可以进入传输线保护区而不影响架空线路，但如果采用这种路由规划方法，则很难检查操作者所需的设备并掌握设备控制技术进行准确判断和控制。与三角形线路不同，直线线路更适合地形平坦、跨度较小的线路。在拍摄无人机设备时，要求路线通畅，以保证拍摄效果。

2.3飞行速度及飞行姿势控制

在无人机巡视过程中，由于天气环境变化，无人机的前进角度经常出现偏差。为了保证无人机和电力线路的稳定，控制无人机的前进姿态显得非常重要。无人机测控的原理是利用LQG控制器控制无人机仰俯和方向变换时的姿态。当无人机悬停于空中，可以通过绳子施加外力，保证无人机的飞行的稳定性。

获得关于小无人机飞行方向、加速和其他飞行地点的信息，应以下列条件为基础：（1）鉴于无人机有效载荷的限制，位置信息不应过于烦琐，总费用也不应过高;（2）该系统具有良好的声学角、旋转角和旋转角的测量和控制精度，这些精度目前被定义为声学角小于0.75°，旋转角小于1.5°;（3）鉴于无人机的蓄电池容量减少，整个设施系统需要低能耗运行，以降低长期的工作量;（4）由于远离某些子电站或高压塔，系统还必须能够存储数据，以避免由于移动电话信号不足而造成数据丢失;（5）定位算法应足够稳定，以避免无人驾驶航空器飞行位置计算结果的突变和分散。

2.4立足精益化，提出电力线路“N+4”巡视方法

优化无人机巡检路径。目前无人机巡视主要采用高性能锂电池作为动力来源，由于锂电池容量有限且受限于无人机载荷，导致多旋翼无人机续航时间较短，必须合理规划巡检路线，避免无效飞行。为提高无人机巡检的效率和安全性，必须制定出科学合理的拍摄飞行路径和拍摄方法，在满足安全飞行的条件下可以遍历所有巡检点且飞行路程最短的路径。结合大量实践检验、科学验证与分析，将无人机杆塔巡检路径规划等效为不回到起点的TSP问题来，选用穷举法来进行路径规划，结合实际情况将所有可行的路径都计算出来，然后比较得出最优路径。

电力线路通道的“4”路巡视法。针对目前日益增加的线路走廊内施工、树害等问题，结合无人机自身巡视特点，采用电力线路通道的“4”路巡视方法。那就是电力线路杆塔中杆塔大小号侧通道以及纵向左右侧两个方向共计4条通道的巡视工作。在杆塔大、小号侧通道处各拍摄通道1张，要求看到前杆塔电气部分、后杆塔全部及通道情况，飞行高度在最下层导线挂点与弧垂最低点之间。同时拍摄杆塔左、右侧通道内的运行情况，做到全方位、无死角的对杆塔通道运行情况进行掌控。

结论

目前，国家对于无人机的发展重点关注，重点发展。伴随着经济的飞速发展和科技的进步，无人机巡检电力线路的技术水平也在不断提升、完善。在人工巡检过程中，由于观察角度以及巡查人员的水平限制，效率远远小于无人机巡检的排查。无人机巡检排查降低了成本，提升了效率。国家电网在无人机技术和人才培养方面着重进行培养，恰恰说明无人机将迎来新的发展应用阶段。

参考文献：

[1] 周海峰.无人机巡检电力线路技术的应用与分析[J].建筑工程技术与设计，2019，（18）：1238.

[2]陈天添.无人机巡检电力线路技术的应用分析[J].科技与创新，2019，（4）：154-155.