架空线路无人机巡线技术的相关思考

陈利博

摘要：介绍架空电力线路巡线用无人机分类和各类无人机巡线的特点及国内外无人机巡线的研究现状，探讨巡线无人机视觉跟踪、故障探测等关键技术、发展趋势和应用前景。

关键词：架空电力线路;无人机;视觉跟踪;故障探测

架空电力线路的覆盖区域广、穿越区域的地形复杂。为了掌握线路的运行状况和及时排除线路的潜在隐患，每年都要花费巨大的人力和物力资源进行巡线工作。现阶段运用最广泛的巡线方法是人工定期巡线，这种方法不仅劳动强度大，而且耗时长，效率低下，有些线路段受制于地形因素甚至无法接受巡检。无人机技术的发展为架空电力线路的巡线提供了新的移动平台。利用无人机搭载巡检设备进行巡线，能提高巡线效率，降低巡线成本、不会造成人员伤亡。这种高效、经济、安全的巡线方法已经开始成为研究的热点。

1、巡线无人机的分类及巡线特点

无人机（unmannedaerialvehicle，UAV）是一种由无线电遥控设备或自身程序控制装置操纵的无人驾驶飞行器¨]。用于巡线的无人机主要包括3类：固定翼无人机，无人直升机和小型旋翼机。

1.1、固定翼无人机

固定翼无人机的飞行速度比较快，达到100—200km/h，并且续航时间长，很适合进行长距离巡线，用来巡检电力线路的总体状况。固定翼无人机不能悬停，巡线时，沿线路进行单方向快速巡检。一般置于线路的正上方，以俯视的角度巡线拍摄（图1），也可根据实际需要降低巡线速度和高度，沿线路做低空慢速巡检。

1.2、小型旋翼机

小型旋翼机重量小、结构简单，靠无线电遥控飞行，能够定点起飞、降落和空中悬停。其飞行速度较慢，而且续航时间极短，只能作短距离的巡线。一般是在已确定故障段，用小型旋翼机悬停于故障段，低速、定点地进行细节观察。小型旋翼机最大的劣势就是载重过小，只有1—2kg，只能搭载单一、轻型的巡线设备。由于重量轻，动力小，抗风能力明显不足，3级以上的风力就会对起降和飞行带来较大的影响。

1.3、无人直升机

与固定翼无人机相比，无人直升机能够定点起飞、降落，空中悬停，但是飞行速度不如固定翼无人机，大多数在100km/h以内，且续航时间也较短，不适合用于长距离巡线。与小型旋翼机相比，其最大的优势是载重更大，巡线时可以搭载更多的检测设备，取得更全面的巡检效果，但是价格比小型旋翼机要高。一般用来进行中、短距离的巡线或者对已确定的故障段进行悬停式细节检测。

1.4、无人机组合巡线

无人机进行架空线路的巡线使用固定翼无人机搭配无人直升机的方式或固定翼无人机搭配小型旋翼机的方式进行。固定翼无人机用于定期、长距离巡检电力线路的总体情况，无人直升机和小型旋翼机用于已确定故障段的情况下，进行更加接近线路的悬停式检测，仔细、全面地观察线路细节。这样的配置方式有利于合理利用无人机资源，实现机型的互补使用，同时也使巡线更加全面、精确，减少了巡线时的遗漏。鉴于无人直升机的巡检效果更好并且能够进行中距离的巡线，在资金充裕的情况下，以固定翼无人机搭配无人直升机进行巡线为最佳。

2、国内外研究现状

无人机巡线技术是最近十几年才开始发展的一门新兴技术，融合了航空、电子、电力、通信、图像识别等多个高尖技术领域，实现起来难度比较大。世界范围内研究无人机巡线技术的并不多，而且主要集中在无人机技术先进的发达国家。最早利用无人机巡线的是英国的威尔士大学和EA电力咨询公司，使用的机型为无人直升机。已经进行的无人机巡线研究大部分都是以无人直升机为搭载平台，主要原因是无人直升机具有悬停功能并且巡线速度适中。固定翼无人机和小型旋翼机是最近几年才应用于巡线的。

国内关于无人机巡线研究的报道比较少。国家电网公司电力机器人实验室进行过无人直升机的巡线研究，取得了阶段性的成果。研究人员利用无人直升机搭载高清相机和红外热成像仪对线路进行了巡线实验。在巡线拍摄的可见光图像上，杆塔和导线上的物理缺陷都能被鉴别出来;红外图像上，热缺陷导致的发热点也比较明显。

3、无人机巡线的关键技术

3.1、电力线路视觉跟踪技术

无人机巡线时的导航、障碍物规避等功能的实现都依赖于对线路杆塔的视觉跟踪技术。这项技术虽然在实验中获得了成功，但是在实际的应用当中还不是绝对的可靠。无人机巡线时机体产生振动，会影响巡线图像的质量，再加上图像中导线很细，与背景的视觉差异很小，给视觉跟踪带来了难度。另外巡线时如果遇到了与线路类似的直线型结构，比如铁路或者其他的电力导线，有可能会导致跟踪错误，带来严重的后果。文献[9]介绍了一种较简单的基于霍夫变换的跟踪算法，能同时对3条导线进行跟踪，算法能够把无人机橫向和纵向的位移提供给控制系统。即使图像的背景非常的杂乱，这种算法依旧能够实现对线路的跟踪。文献[10]利用向量梯度的霍夫变换实现对线路的视觉跟踪，但是这种方法只能同时跟踪1条导线。

3.2、位置控制技术

无人机巡线时离线路较近，又常常受强风、降雨等气候因素的影响。为了保证无人机和线路的安全，位置的控制就显得尤其重要。文献（11]介绍了一种无人机位置控制系统。该系统利用LQG控制器实现飞机俯仰翻转姿态的控制，利用PID控制器进行偏行控制。系统的高鲁棒性已经得到验证，当无人直升机空中悬停时，用绳索强行拉动机体，控制系统仍然可以正常的工作。

3.3、无线通迅技术

无线传输模块完成地面基站和无人机之间的双向数据传输。包括无人机拍摄的实时视频、图像，线路检测传感器数据，无人机位置状态和由地面基站发出的各种飞行控制命令等，要求具有距离远、抗干扰能力强等特点。

3.4、线路故障探测技术

（1）视觉探测，也就是可见光探测。利用无人机搭载高清相机和高清摄像机，拍摄巡线图片和视频，实时传输到地面基站或存储下来，再由基站工作人员根据图像和视频中线路的外观确定是否发生故障。视觉探测能有效发现线路表面的显性故障，例如导线的断股、异物悬挂、杆塔的变形、金具松脱和绝缘子的破损、闪络等故障。其精度和准确度取决于图像的质量。

（2）红外和紫外探测技术，是利用无人机搭载红外热成像仪和紫外成像仪进行巡线。红外热成像仪能够摄取表面温度超过周围环境温度的异常温升点的红外光谱图像，从图像上可以判断出线路、接头、线夹、绝缘子等设备是否存在故障所导致的发热点u。紫外成像仪能够接收线路设备因放电产生的紫外讯号，并形成图像显示在屏幕上，从图像上可以确定电晕的位置和强度u引。通过紫外成像，能够有效探测出导线外伤、绝缘子放电、污染等存在放电现象的线路故障。

（3）激光雷达探测技术的主要优势在于其精确的定量测量。利用激光测距仪，可以精确地测得线下植被、建筑到线路的距离，从而科学地制定树木砍伐计划和处理违章建筑。激光雷达巡线技术还可以扫描线路走廊，得到大量的高精度的激光点云数据，再配合高分辨率的航空数码影像，可以进行线路走廊地形的三维建模。不过由于载重的限制，现阶段在无人机上搭载激光雷达巡线系统的还比较少。

4、结语

无人机巡线具有广阔的应用前景。与其他巡线方式相比，其独特的优势有：（1）无人驾驶，不会造成人员伤亡;（2）不受地理条件限制;（3）携带方便，便于投入现场;（4）只需一次投入，后续费用低。但是，空域管制、载重较小、气侯影响等因素也在制约着其发展。无人机巡线有2个值得关注的发展趋势：（1）多传感巡线无人机。1架无人机集合多种故障探测仪器，同时实现多种巡检方式。这要求无人机具有更大的载重，但不可避免地会带来体积较大及控制过于复杂的缺点。（2）微型单传感巡线无人机。通过多个携带不同故障探测仪器的微型无人机协调配合，也能完成巡线工作。由于机体很小，可以更加接近线路，获取更清晰的巡线图像。

参考文献

[1]李宏刚.架空线路无人机巡线技术的相关探讨[J].山东工业技术，2016（23）：241-241.

[2]朱安石，路平.无人机机载电子电气设备检测系统设计[J].无线电工程，2010，40（11）：59—61.

[3]付昱玮，李字明，姜洪.无人机巡线的发展和应用研究[J].黑龙江科技信息，2014（3）：25-27.