大型无人直升机电力线路全自动巡检技术及应用

大型无人直升机电力线路巡检存在环境适应性差、智能化程度低、多学科交叉难度大等问题，现阶段无人直升机巡检主要依赖于人工地面操作，为了提高巡检效率和安全性，研究大型无人机全自动巡检技术具有重大意义。提出了大型无人机全自动巡检概念，分析了无人机全自动巡检的必要性，论述了实现复杂环境下大型无人机超低空、超视距安全巡检涉及的关键技术，包括实时差分定位、无人机中继通信、自主避障、高精度位姿测量、吊舱自动追踪、飞行计划和航迹规划、任务规划和任务控制等，并将大型无人直升机全自动巡检技术首次应用于我国电网输电线路巡检，巡检结果验证了大型无人机全自动巡检技术的有效性和先进性。大型无人机全自动巡检建立了一种高效、智能、全新的电力巡检模式，该项技术的发展进步对提高我国电网输电线路智能化巡检水平具有显著促进作用。

0.引言

为实现电网安全运营，需要对输电线路进行定期或特殊巡检工作，以便及时发现输电设备的紧急或重大缺陷，排除线路通道的外部安全隐患，防止发生设备事故或外力破坏事故。但迄今为止，我国电网输电线路仍主要依赖于人工巡检方式，不仅劳动强度大、工作条件艰苦，而且巡检效率低，已不能适应现代电网发展和安全运行的需要。有人直升机巡检作为目前一种相对成熟的巡检技术，已在我国电网推广应用。但有人直升机巡检存在一次性投资大、巡检成本高、机载人员安全风险高、对飞行员技术水平、心理承受力要求高以及高空域管制等问题，目前还不能完全满足不同电压等级、复杂地形条件和各种特殊灾害条件下的巡检需求。

近年来，国内外相关技术的发展为无人机电力线路巡检提供了条件，同时高性能、轻小型机载传感器的出现，以及自动控制、导航定位、测控通信技术的进步等，极大地促进了无人机电力线路巡检技术的发展，随着电网输电线路规模化巡检需求的发展，大型无人直升机由于具有巡检距离长、载荷能力大，可装载高性能、多种传感器对输电线路进行长距离巡检等优点越来越引起重视。无人机搭载巡检设备巡线具有投资小、巡检成本低、自动化、智能化等特点，能够在较大程度上解决有人机巡检和复杂地理条件下人工巡检安全风险高、技术要求高、劳动强度大等问题，可实现对输电线路安全快速的巡检，具有重要的研究价值和应用前景，已成为电力巡检领域的一个研究热点。

目前常用的无人机巡检模式大多为短距离、程控飞行辅以自动定向拍照，具有光电吊舱的无人机则采用人工地面控制吊舱的方法，将吊舱对准巡检目标进行观察。这种模式在小规模应用条件下简单易行，操作方便。但是利用大型无人直升机进行长距离输电线路多传感器巡检工作，由于线路较长、工作时间长、操作设备多，如果采用人工地面控制吊舱作业方式，工作强度将非常大，作业人员高度紧张、容易疲惫出错。

由于长距离巡检一般采用中继通信，存在较大传输时延以及图像丢失或传输质量差等问题，人工地面控制对线路目标进行准确跟踪和精细巡检难度大，无法保证整个巡检工作顺利开展，因此有必要开展大型无人机全自动巡检技术研究。本文提出了大型无人机电力线路全自动巡检理念，概述其技术内涵。在此基础上详细介绍了实现大型无人机自动安全飞行、大型无人机多传感器自动任务检测的关键技术，并将全自动巡检技术首次应用于电力线路规模化巡检，巡检结果验证了大型无人机全自动巡检技术的有效性。

1.大型无人机全自动巡检技术概述

目前，我国电网中、小型无人机电力巡检逐步达到了实用化水平，但存在巡检距离短、载荷能力小的局限性，不能满足电网输电线路规模化巡检的需求。大型无人直升机巡检距离长、载荷能力大，具备装载高性能、多种传感器对输电线路进行长距离巡检的可行性。采用大型无人机进行长距离输电线路巡检，必须同时解决无人机复杂地形下的飞行安全和海量数据的高效采集问题。大型无人机是高度智能化系统，必须充分利用其自动化程度高的特点，巡检过程中较多的人工干预不仅会降低巡检效率，还会降低飞行安全性。因此，大型无人机电力线路全自动巡检技术包括以下两方面内容：

1）大型无人直升机按事先制定的飞行计划和航迹规划，实现复杂地形条件下的全自动、超低空、超视距安全飞行；

2）大型无人直升机机载多传感器任务设备按事先制定的任务规划，全自动执行线路设备和通道检测任务，巡检过程传感器自动检测，完全无需人工干预。除此之外，大型无人机全自动巡检还包括开发无人机巡检智能诊断专家系统，对无人机自动采集的可见光、红外、紫外、激光点云等海量多源巡检数据进行自动处理、智能诊断或人工交互诊断，提高线路缺陷隐患诊断效率。限于篇幅，这部分内容另文论述。

2.大型无人机自动安全飞行技术

2.1实时差分定位

为保证复杂地形条件下无人机超低空、超视距安全飞行，需要采用高精度导航定位技术。本文采用差分定位提高GPS定位精度。差分定位系统由3部分组成：基准站接收机、差分数据链路和差分流动站接收机。差分定位系统组成如图1所示。

本文选用的差分基准站接收机，可提供米级到厘米级的定位精度，基于GNSS差分数据链路接收差分改正数据，进行实时差分改正。GNSS差分数据链路由地面测控车和飞机之间提供专用差分频道构成，与飞行控制链路共享链路带宽，当直接通信受到影响时，可控制链路控制软件，选用中继设备接收差分数据。流动站实时接收基准站的差分数据，与本地接收的GPS观测数据构成差分观测，实时改正观测误差，获得高精度的差分定位结果。基于上述原理，可以使定位精度提高到厘米级，从而为无人机安全自动飞行提供有力保障。

2.2无人机中继通信

为克服地形阻挡、多径效应、频率选择性衰落和输电线路强电磁干扰等因素对无人机通讯链路的限制，研制了电力巡检无人机数据链路中继系统，为无人机电力线路巡检长距离、超视距飞行以及实时图传提供稳定信号通道支持，保证无人机在巡检作业低空飞行时通信正常。通讯链路采用无线通信组网方式，图像遥测及遥控采用COFDM数字通信技术，使其具有较强的绕射能力和抗多路径干扰能力。无人机地空中继链路通信分为2种工作模式，即中继模式和无中继模式。中继模式下地面站与目标机通过中继机进行数据通信，无中继模式下地面站与目标机直接数据通信。2种模式可自动切换，以提高通讯质量。无人机中继通信示意图如图2所示。

无人机中继链路系统由地面站模块、中继机模块和目标机模块3大部分组成，使用高级编程语言编制地面站链路操控软件，具有可视化用户界面，提供节点运行状态、手动调整节点配置参数、历史数据分析和存储、故障实时自动告警等功能。

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