（云南送变电工程有限公司昆明650216）
摘要：云南省送变电工程公司于2015年12月23日发文确定开展科技项目《多旋翼无人机高原巡检深化集成研究》，通过长期调研论证明确了针对高原特殊地形条件，研发新型载荷系统搭载到成熟无型上以完成日常带电线路巡检及特殊情况下缺陷查找任务的项目思路。同时，总结归纳了目前无人机巡检工作存在的缺陷，提出全新的巡检思路。
关键词：多旋翼无人机；带电线路巡检；高效
Summary:OnDec.23,2015,YunnanTransmissionandTransformationEngineeringCompanymadeanannouncementtostartanewtechnologyprojectof‘ThefurtherstudyofinspectiononplateaubyUAV’.ThemaintrainofthoughtofinventingnewmodalsofUAVtocheckthepowerlines,aswellfindingouttheflawshasbeendemonstratedthroughthelong-terminvestigationonthespecialconditionsofplateau.Meanwhile,theflawsduringtheinspectionprocessofUAVhasbeensummarized,andthebrandnewthoughtsofinspectionhavebeenformulated.
Keywords:UAV;inspectionofthepowerlines;high-efficient
前言
随着云南电网有限责任公司输电线路资产不断累加、线路巡检任务增长，巡检作业编制缺员问题越发突出。传统“人巡+载人直升机巡”的工作模式已不能满足现代、高效的巡检工作要求，衔接空白急需填补。多旋翼无人机自2013年起发展迅猛，因其外形尺寸小、结构简单可靠、携带方便等特点，目前已在商业航拍、土地测绘、电力施工等行业取代了传统的无人直升机；电力行业中相比载人直升机，多旋翼无人机更具有响应时间短、使用成本低、操作易掌握等突出优势，对于短距离突发性带电线路巡检尤其适用。利用多旋翼无人机进行带电线路巡检根据针对不同分常规巡检和目标缺陷查找两类，但就目前使用情况，在工作中远未将多旋翼无人机自身效能发挥至最大。研究正是找准这一突破口，成功完成了双光同轴、高清变焦、热点环绕三项关键技术，为下一步应用奠定了基础。
1高原无人机巡检深化集成探研背景
无人机技术在全球范围内已步入商业化应用阶段，无人机相对于有人航空载具有着运营成本低、使用人员安全风小、部署和响应速度快的特点。目前，各领域都在积极探索多旋翼无人机应用方向，例如新闻报道、管道巡检、抢险与防火监测、森林资源调查、河道监测、城市道路规划、港口监测等。国外多旋翼无人机在电力巡线领域的研究与应用已逐步转向规模化作业，其中澳大利亚每年利用无人机对本国5条大型输电线路巡检约1000千米；美国利用加拿大Draganfly公司无人机与监控设备对北美远程输电线路进行定期巡查；西班牙马德里理工大学针对电力巡检研发出可自动跟踪架空导线并测量架空导线相对位置的设备；日本关西电力公司联合千叶大学专注于故障自动检测技术研究，实现了雷击、焊接裂缝、导线断线等故障的自动检测技术；英国Bangor大学正在研发新型管道风扇无人机，可以自动从线路上获取电能，实现长时间作业。国内起步较晚，但也在除常规应用以外的喷火清障、自主避障等方面取得了相当的研究成果，发展势头良好。根据国内使用情况调查分析，目前无人机在电力施工生产方面的应用存在以下问题，一是集成化程度低，载荷功能不能满足行业需要；二是缺少坠机防护手段，作业安全无保障；三是在高原地区续航时间短且不稳定。
2高原无人机巡检深化集成探研
项目实施小组首先对搭载任务载荷的无人机提出能力要求，即在海拔2500m及以上地区负重5kg时，能够保证续航时间达到15min、抗风能力≥10m/s、对地飞行高度≥500m、各方向悬停精度为±3m、遥控距离≥2km。
研究过程中，项目实施小组根据需要解决的问题构建出三类巡检工作模型，以此为基础有针对性的开展研究。第一类模型是对带电线路的常规化巡检，目前利用无人机只能在巡检过程中发现比较明显的线路缺陷（如鸟巢、漂浮悬挂物等），这与巡检工作的实际要求及利用无人机作为人巡补充的工作指导相去甚远。针对这一模型项目组提出研发小型化双光同轴吊舱的解决方法，在传统无人机可见光载荷无法满足工作要求的情况下，借鉴载人直升机上搭载激光雷达的思路，通过小型化集成处理形成集可见光与红外线于一体的新型无人机载荷，采用同轴设计（即双光拍摄对焦点在同一直线上）以保证镜头转换时画面不会丢失。基于红外线镜头下热泄露位置和外物缺陷会与正常带电线路有明显光暗区别这一原理，首先利用红外线对带电线路进行快速巡视，发现光源异常点后切换为可见光镜头取景拍摄即可确定缺陷位置，指导消缺工作。
第二类模型是远距离对线路指定位置进行高清拍照，以500kV带电线路为例，无人机距离线路安全距离为15m，而对缺陷判别有实际意义的图像至少需要清晰辨别销钉级电器元件。根据调查统计，目前尚无无人机载荷具备这样的拍摄能力。云南电网公司从安全出发已将无人机使用限定为视距内飞行，但实际工作中会出现一类特殊情况即需要拍摄的杆塔隐藏于山体后的峡谷中，如果无人机靠近拍摄则会脱离操作者视线范围，容易诱发安全事故。针对这一模型项目组提出研发具有高倍变焦能力的可见光高清载荷设备的解决方法，达到距离杆塔50m时能够清晰拍摄销钉级电器元件的要求。工作中，将无人机悬停于视距范围内的山顶，然后通过载荷变焦俯拍峡谷内的杆塔以达到作业目的。
第三类模型是对杆塔塔头作360°环绕拍摄，无人机巡检工作中需要在视距范围内对观察不到的电器设备反面进行拍摄。以杆塔塔头为例，反向拍摄的同时还需要避让导线，这加大了操作难度。针对模型项目组提出开发能够实现热点环绕飞行及图像捕捉技术的飞行控制模块以解决这一问题，在操作无人机至杆塔塔头斜上方位置后，将载荷镜头对准塔头取景并打开热点环绕功能，无人机即可在保持飞行高度不变的情况下以塔头为圆心作规定半径的环绕动作，同时载荷设备自动调整并始终对准塔头取景拍摄。这就把原本复杂的巡检操作过程简化为取景拍摄后对录像的观察分析，更重要的是无人机自助飞行最大限度保证了视频画面的平稳度，同时杜绝因为人为误操作而遗漏待检部分或引发安全事故的可能性。
3高原无人机巡检深化集成研究关键技术分析
项目是通过集成改造载荷技术，直接或间接提升多旋翼无人机在巡检工作中的作业能力，同时探索一套适合高原带电线路巡检的作业模式，实际工作中涉及以下技术。
3.1关于双光集成技术
双光集成技术是将红外线摄像头与可见光摄像头集成到一个防尘防雨的小型化吊舱中，其中红外摄像应具备能获取巡视目标的红外视频和热图数据、能红外测温、能实时输出红外视频、能自动对焦、能伪彩显示、能全辐射数据存储等能力，在距离10m处可判别线路设备±2K的相对温差。与可见光摄像头集成后，吊舱要求达到俯仰-120°～+30°、水平270°以内的旋转可视化范围。利用该技术区别了以往效率低下的可见光巡检模式，转低速飞行查找缺陷或多角度定点拍照后再分析为一次性快速甄别，无人机在匀速飞行过程中一旦发现光源异常即代表该位置存在缺陷，立即悬停切换可见光摄像头进行拍摄即可确定缺陷位置。
3.2关于高倍变焦技术
技术以云台摄像设备外接控制端口协议开放为前提，利用数据线连接摄像设备与无人机主控器，再通过无线设备与无人机遥控器互联，实现无人机飞行可控范围内的云台设备光学遥控变焦技术。该技术使用的云台摄像设备自身应满足实时输出可见光视频功能、具备自动对焦功能、拍照时像素≥2200万、最小焦距时视场角不低于40°、摄像时像素≥500万等性能要求。利用该技术能够避免无人机巡检过程中因距离带电线路过近而诱发的安全事故，同时以变焦代替飞行，最大限度提高了作业效率、变相增加了无人机有效作业时间。
3.3关于热点环绕技术
技术由图像识别与捕捉、无人机等半径环绕飞行等两项技术组成，用于对杆塔塔头或其他特定位置做精细化巡检。实际工作中，手动将双光吊舱对准需要观察的目标后开启该功能，无人机即在保持对地高度不变的情况下以目标物为圆心、目标物与机身之间距离为半径作既定速度的360°环绕飞行，在环绕过程中双光吊舱取景始终对准目标物。利用该技术大幅度降低了无人机巡检工作中人员操作难度，同时保证了目标物取景无遗漏。
4结论
目前掣肘多旋翼无人机推广应用的因素主要是续航能力及定位精度，一旦这两个技术难点得以攻破，可以想见未来的载人直升机巡检工作将大面积被多旋翼无人机所替代。基于坐标精准化设定，多旋翼无人机将能够长距离自主飞行并取得画面资料，仅特殊位置需人工操作拍摄，中国的电力巡检工作也将由此进入一个新的时代。
作者简介
王俊（1987），男，硕士，工程师，云南送变电工程有限公司技术装备分公司，主要从事电力施工及生产创新技术研究工作。