无人机巡检技术研究与应用

李宁

（广州南方卫星导航仪器有限公司 广东省广州市 510000）

随着无人机技术的飞速发展，它们在架空输电线路上的应用越来越广泛，发挥出了越来越大的作用。为了提升架空输电线路的运行效率和质量，以满足当今社会对安全可靠的要求，线路运检人员应该积极探索和利用无人机技术，以实现对日常巡检的有效监控，从而推动行业的可持续发展。随着科技的迅猛发展，无人机技术已经取得了巨大的成就，并被广泛应用于各种领域[1]。无人机的硬件和软件设备也日益完善，特别是在输电线路的检测方面，它们可以有效地克服传统检测方式的局限性，及时发现线路运行中的潜在危险，特别是在恶劣的天气状况和复杂的地形环境下，能够迅速收集现场信息，减少维护人员的损失，极大地提升了检测的效率。

1 巡检无人机系统要求

1.1 使用环境要求

无人机巡检系统应满足如下要求：

（1）起飞海拔高度：1000m ～3000m 符合GB/T20626.1 的规定；

（2）实用升限：3500m；

（3）工作温度：-15℃～+55℃；

（4）相对湿度：≤95%（+25℃）；

（5）在极端的降雨（雪）天气中，飞机可以安全地短暂停留；

（6）防潮湿、防盐雾、防霉菌设计符合相关标准规定。

1.2 固定翼无人机性能要求

（1）有效载荷重量：≥1kg；

（2）最大续航时间：≥1h；

（3）最小作业真高：100m；

（4）巡航速度：≥70km/h；

（5）航程：≥70km；

（6）抗风性能最低要求：10m/s（距地面2m 以上，瞬时风速）；

（7）飞行中水平位置控制精度：≤5m，飞行中垂直位置控制精度：≤10m；

（8）电磁兼容性符合GB/T17626.5 的规定；

（9）应能承受正常操作、发射、回收、飞行中所遇到的振动、冲击、加速度。

1.3 起降方式要求

（1）宜采用垂直方式起飞，可采用滑跑、弹射、车载等方式起飞。

（2）采用弹射方式起飞的固定翼无人机应能承受弹射时受到的冲击，弹射架应便于操作和运输，重量不宜过大。

（3）降落时应采用垂直方式，可以通过滑行、机腹擦地、伞降和撞网等方式实现。

（4）固定翼无人机在降落时，机腹擦地处应当采用耐磨材料，以确保任务载荷、测控通信设备（包括天线）、发动机、电池等关键零部件能够得到有效的保护，避免受到外力的直接冲击。

（5）固定翼无人机在伞降过程中，必须采取有效的防护措施，以确保任务载荷、测控通信设备（包括天线）、发动机、电池等关键部件免受外力的冲击。

（6）固定翼无人机在撞网降落时，机身结构应当采用后置螺旋桨，以确保任务载荷、测控通信设备（包括天线）、发动机、电池等关键零部件能够得到有效的保护和维护。

1.4 任务载荷性能要求

1.4.1 可见光相机性能要求

（1）有效像素：≥2400 万；

（2）当作业高度达到200m 时，成像质量可以准确识别航线两侧各100m 范围内的0.5m*0.5m 的静态目标，从而确保航行安全。

1.4.2 可见光摄像机性能要求

（1）有效像素：≥1280（H）×720(V)；

（2）光学变焦倍数：≥10；

（3）当作业高度达到200m 时，能够准确地捕捉到航线垂直方向上两侧各100m 范围内的3m*3m 的静态目标，从而获得优质的影像。

1.4.3 红外热像仪性能要求

（1）分辨率：≥640（H）×480（V）；

（2）热灵敏度：≤65mK；

（3）帧率：≥25fps；

（4）视频输出格式：PAL；

（5）空间分辨率：优于1.5mrad。

1.5 测控通信设备性能要求

（1）通视条件下，测控通信距离：≥20km；

（2）图像传输速率：≥2Mbps；

（3）误码率：≤10-6；

（4）通视条件下，测控通信响应时间，上行时延≤20ms，下行时延≤400ms。

1.6 地面站性能要求

（1）体积：≤500mm（L）×400mm（W）×250mm（H）；

（2）重量：≤15kg；

（3）额定功率：≤80W；

（4）在额定功率下，电池供电的工作时间应该超过5h；

（5）在待机状态下，电池供电的运行时长应超过10h；

（6）整体防护等级：不低于IP64 符合GB/T4208的规定。

1.7 电磁兼容性要求

（1）根据GB/T17626.5 的要求，电磁兼容性设计必须满足500kV 及更高的交直流输电线路的100m 范围内的安全性和可靠性；

（2）为了保证电缆的安全性，建议使用双层屏蔽同轴电缆，并使用双绞线来传输控制信息；

（3）具有良好雷击浪涌抗扰度能力[1]。

1.8 可靠性要求

（1）可靠性工作的项目和要求符合相关标准规定；

（2）可靠性设计符合相关标准规定；

（3）飞行控制系统平均无故障时间：>150h；

（4）发动机平均无故障时间：>150h；

（5）发动机使用寿命：>1000h；

（6）动力电池充放电次数：≥300 次；

（7）由于其优异的导通性和稳定的连接，动力电池接头的外部绝缘强度也得到了显著提升；

（8）软件安全性措施方面应符合机载软件安全性相关规定。

1.9 操作性要求

（1）系统展开时间应小于20min；

（2）系统撤收时间应小于10min；

（3）为了避免混淆，电气连接必须清晰地标示；

（4）零部件更换应方便、快捷。

1.10 维修性要求

（1）为了确保工作效率，应该提供合适的工作区域和操作空间，以便于访问；

（2）应尽量采用标准件和模块化设计，提高设备、组件的互换性[2]；

（3）应尽可能降低维修技能要求，除少数故障需要专业人员外，其它故障均可由用户完成维修；

（4）其它维修性要求符合相关标准规定。

2 巡检无人机系统构成

随着无人机技术的不断进步，能够完成复杂任务的无人机系统已经发展出了多个分支机构[2]，其中包括：

（1）无人机由多个部件组成，包括机身、推进系统、操纵和维护设施。

（2）该任务设备包括：战斗监控、电子防御、通信中继、攻击指挥、电子侦查、核生化探测、战场测绘和靶标设备。

（3）通过无线电遥控/遥测技术、信息传输技术和中继转发技术，可以实现对测控和信息传输的全面管理。

（4）飞行控制与管理系统由多种功能组成，包括：实时的数据显示、地形图、航线轨迹、任务安排、记录、重现、情报分析、数据传输，还有各种数据传输和数据交换接口。

（5）发射与回收系统由多个部件组成，其中包括发射车、发射箱、助推器、起落架、回收伞、拦阻网等，这些部件的协同工作使得发射与降落的过程能够顺利进行。

（6）维修系统包括基层级和基地级，旨在保障设备的正常运行。

无人机系统是一种用于执行特定任务的机器，它能够通过遥控和遥测技术来接收信息并将其传送到目标地点[3]。

3 无人机自主巡检技术应用

3.1 反无人机GPS欺骗技术

目前应对无人机的最常见手段包括：利用雷达、无线电频谱探测器、光学设备、干扰机以及GPS 等设备[3]，来实现有效的监控、检测、攻击、干扰以及欺骗等，如图1 所示。但是目前普遍存在的问题在于：

图1：无人机GPS 欺骗诱捕方法与流程

（1）无人机飞控系统已经逐渐引入反GPS 欺骗算法，GPS 诱骗难度逐渐增高[4]；

（2）对无人机飞手定难、抓捕难的问题始终没有解决。

3.2 图像预处理技术

（1）图像预处理：对无人机倾斜摄影获取的图像进行切分、去噪、纠正等预处理操作，提高后续处理的准确度和效率[5]。

（2）特征点提取：利用计算机视觉算法提取出每张图像中的特征点，并对其进行匹配，以实现三维建模。

（3）点云处理：将无人机倾斜摄影获取的数据转换成点云格式，对点云数据进行滤波、去除噪点、采样、配准、重建等处理操作。

（4）模型生成：利用点云数据生成三维建模模型，可采用多种方法，如多视图立体匹配、三角网格生成、体素填充等。

（5）后处理：对生成的三维模型进行后处理，包括纹理映射、网格优化、贴图等操作，以提高模型质量和视觉效果。

（6）分析与应用：根据需求对三维模型进行分析和应用，如计算体积、提取特征、导入到GIS 系统中等。

3.3 无人机航迹规划技术

通过对任务目标的精确定位和优化，航迹规划可以为无人机提供一个完美的、符合约束条件的飞行路径，这也是其最重要的组成部分[6]。采用GPS/INS 组合导航系统，无人机可以有效地规划出最优的飞行路线，从而减少地图误差和随机环境的干扰，同时还能够实现自主调整，有效地防止遭遇敌对目标，从而确保安全地完成指定的任务[7]。通过分析周围的环境因素，如风场、敌方雷达扫描范围、导弹高炮打击威胁区以及地形，可以制定出最佳的无人机航迹规划方案，这需要考虑到多种因素，如飞行器的约束条件、航迹规划器和自动驾驶仪。

3.4 数据安全防护技术

3.4.1 载荷安全防护

通过采取软件检测方法，能够有效地识别出无人机系统的载荷，从而确保其完整性、可靠性，并且采取相应的措施，如加强惯性传感器和GPS 传感器的防护[8]，从而提高无人机的安全性。

通过调整控制常量，能够更准确地了解无人机的运动规律，因为它们受到无人机的物理特征的影响，包括重量、轴心距、底层控制算法、惯性和重力。如果无人机的航迹超出了其规定的范围[9]，那么可以断定它遭遇了欺诈性的攻击。由于无人机载荷众多，IMU 和GPS传感器容易受到欺骗攻击，因此，研究和开发有效的防护技术显得尤为重要，以确保无人机的安全性和可靠性。随着新一代攻击手段的不断涌现，光流、雷达、ADS-B等载荷也面临着更大的威胁，因此，开发有效的防护技术，以确保载荷的安全性，已经成为当今研究领域的一个重要课题。

3.4.2 软件安全防护

在工业控制领域，漏洞检测通常采用灰盒技术或黑匣子技术。通过灰盒方法，可以在充分理解目标的基础上，进行二进制插桩、动态污染源检测、漏洞检测以及其他相关技术；通过使用黑盒技术，可以在没有充分信息的情况下进行漏洞检查，这是一种常见的模糊测试技术。无人机系统的漏洞检测和防御技术类似于工业生产，一般会使用黑匣子或灰匣子的方法，这些方法包括控制流完整性、模糊测试（Fuzzing）、内存隔离等，旨在提高系统的安全性和可靠性。

3.5 霍夫变换效果

霍夫变换可以用来精确地描述和预测断点的边缘特征。该方法利用将二维图像从原始状态转换为参考状态，从而实现对直线和曲线的有效拟合。如Hough 所述，图像空间x-y 中，斜率为a，在y 轴截距为b 的直线方程为：y=ax+b。

3.6 智能优化路径规划算法

3.6.1 启发式寻优搜索

启发式搜索可以帮助更快地找到目标，它可以通过评估状态空间中的搜索结果，找出最优解，并且可以节省搜索时间，提高效率就是其中之一。

3.6.2 遗传算法

遗传算法（GA）被广泛应用于解决复杂问题，它以其高效率和稳健的特点而闻名。这种算法利用染色体的重组、转录和变异来创建一系列新的基因组，然后根据这些基因组的表现来评估它们的性能，以达到最佳的结果。

3.7 神经网络方法

Hopfield 网络借鉴“能量函数”的理念，通过采用特殊的非线性动态结构，使得它能够在达到稳定状态时，将能量降至最低，从而有效地解决优化等技术难题。可以将地形信息转化为可用于航迹规划的参数，并利用扩展的Hopfield 模型和无人机约束条件来实现安全和合理的航迹规划。这种方法可以帮助更好地跟踪和避开地形，从而提高航行效率[10]。

4 结语

随着技术的发展，越来越多的电力企业正在采用无人机来完成架空输电线路的巡检，而不再依赖传统的手工操作，从而实现智能化的飞行。在探索线路的过程中，为了达成最佳效果，必须先让无人机飞至指定的高度，并且根据实际情况精确地调节拍摄角度。海量数据处理、巡检缺陷图像自动识别等前沿技术的不断进步，无人机巡检的应用将得到极大的提升，从而有效地解决实际生产中的问题，确保输电线路的安全可靠运行。