摘要:为适应于复杂环境，提高巡视距离、巡检精细化和安全性入手，结合输电线路巡检、航空、飞行自动控制、通信、地理信息、图像识别和处理技术等多项技术，研发了一套大型无人机输电线路巡检系统。以Z-5大型无人直升机为飞行平台，搭载中继数据链系统、任务吊舱系统、三维地面站测控导航系统、飞行避障系统、缺陷故障智能诊断系统，使系统具备无人机系统自主起降、三维程控飞行、超视距测控、预警避障、可见光\红外\紫外巡视以及电网设备健康状况诊断评估等多项实用化功能。
关键词：无人机巡检 任务吊舱 三维地面站软件
1系统设计原则
根据应用需求以及更远、更精、更安全的技术要求，系统设计应能够实现在中继数据链支持下30km以上超视距飞行巡检；在70m外自主跟踪导线，清晰识别3mm销钉级设备缺陷；具有应对各种复杂环境的飞行安全控制技术和保护策略；避障系统能够在30～100m范围内探测厘米级设备或障碍物能力，实现各种复杂环境下自主避让障碍物安全飞行。同时，为丰富系统功能，提高系统的实用性和智能性，系统应该能够实现无人机系统全自主盲飞、任务吊舱系统全自主执行拍摄任务、自主起降、精确规划三维航路、智能化评估诊断电网设备健康状况和故障情况等多项实用化功能。
按照设计原则，将大型无人机电网巡检系统设计分为无人机系统、中继数据链系统、任务吊舱系统、三维地面站测控导航系统、飞行避障系统、缺陷故障智能诊断系统等六个分系统。
2大型无人机在电网巡检中的系统设计
2.1无人机分系统
无人机分系统是飞行的主体平台，主要提供飞行能力和装载的功能。为满足远距离、长航时的飞行，并具有足够的载荷能力，本系统选用Z-5大型无人机作为飞行平台。大型Z-5无人机与中型Z-3无人机技术参数对比如表1所示。
为了使无人机的飞行控制能力能够应对山区、丘陵、河流等复杂气候地形环境，无人机配套飞控系统具备飞行安全控制技术，可全自主盲飞、自主起降、具备一键返航、低油量返航、失控返航等多种安全归航保护措施。
2.2中继数据链分系统
为解决山峰阻挡、多径折射衰弱和输电线路强电磁干扰等带来的通讯问题，有效拓宽无人机复杂地形巡线飞行的测控通信范围，本系统设计采用中继转发模式的解决方案。中继数据链系统采用地面光/电混合中继和空中中继两种模式，并结合具体使用情况选择。
数据链采用L频段作为通信频段，上行控制信号和下行图像与遥测信号均有120MHz的总带宽。每个方向至少能够涵盖10个数据通信带宽，频点之间不会存在相互的干扰；能够实现灵活切换，降低外场频点干扰，确保无线链路的正常通信功能；数据链时延低，标清图像传输延迟不大于260ms，高清图像传输延迟不大于300ms，遥控传输延迟不大于130ms，保证了数据链路的可靠通讯(见图1)。
2.3任务吊舱分系统
任务吊舱系统包括可见光摄像机、红外热像仪、紫外成像仪、高分辨率照相机、稳定控制系统、图像跟踪系统等。可见光照相机/摄像机所获图像可检测是否存在物理缺陷，导线是否断股、线路是否有明显异物、绝缘子是否破损、防震锤否异常等缺陷；红外图像可检测设备是否存在热缺陷：接头、线夹、耐张管、接续管等；
紫外图谱可检查由于连接不良、绝缘子内部缺陷等引起的电晕放电。稳定平台的精度是系统的重要技术指标。稳定控制系统利用高精度陀螺仪隔离吊舱平台的扰动，具备水平和垂直两种大角度自动扫描方式，可以解决吊舱抖动及视场角受限造成图像采集不清晰、不全面的难题。图像跟踪系统根据高压电线的线状目标特点，运用智能的跟踪算法，可以实现复杂背景下的线状目标检出和输电线路自主跟踪；通过接受到飞机平台的载机和杆塔的GPS信息，可在无人机飞出测控范围后，全自主跟踪导线并瞄准杆塔拍照；吊舱设计杆塔凝视功能，通过综合计算得到跟踪输电线的方位角，送给稳定跟踪控制系统，使无人机偏离理论航向的情况下对前方杆塔进行凝视对准（见表2）。
2.4三维地面站测控导航分系统
三维地面测控导航系统通过加载地理数据、三维电网数据开发与无人机结合应用系统，实现无人机全程自主飞行和实时状态监测，大幅提高无人机飞行精度和安全性。系统设计三维航线的智能化规划功能，可实现与中继设备、中继飞机、飞控系统、缺陷诊断系统的数据通讯，为无人机在在电力线路巡检和大范围防灾减灾应用提供基础数据支撑。
2.5飞行避障分系统
无人机避障系统基于毫米波高分辨率雷达探测技术，包括机载信号采集模块及设置于飞控系统内的机载避障分析模块，构建了无人机超低空飞行障碍预警与规避支撑理论和实用化系统。
系统可在前视半球面70m内探测出26mm直径的导线，实现智能避让输电导线、树木等障碍物，保证了无人机在复杂地形条件下与电力线路及其它障碍物的安全距离保持，同时能够为无人机飞行控制系统在飞行状态下提供实时预警和避障的安全保障。
2.6缺陷故障智能诊断分系统
系统采用了算机技术、网络通信技术、图像处理、模式识别技术和数据融合技术等多种技术，通过对无人机巡检获取的线路设备多传感器视频及图像数据进行处理，建立高压线路缺陷特征数据图库；应用图像识别技术和数据融合技术对线路设备缺陷进行自动辅助检测诊断和评估。
3结语
大型无人机巡检系统，以Z-5大型无人直升机为飞行平台，搭载中继数据链系统、任务吊舱系统、三维地面站测控导航系统、飞行避障系统、缺陷故障智能诊断系统，具有不受地形环境限制的优势，可实现电网线路巡视、设备巡查和灾情监控的一体化管理，实现山区等复杂气候地形环境下远距离、长航时输电线路巡检和防灾减灾应用，提升电力系统防灾减灾和线路运行管理水平。在无人机电力巡检应用中，大型无人机巡检系统在复杂环境下远距离、长航时的应用需求中，具有很大的实用化应用前景。同时，通过无人机在电力巡检系统的研究应用，也推动了民用无人机在石油管线巡查、森林防火、勘测测绘等领域的发展，推动了国内无人机、数据链、光电侦察吊舱等高新技术的研发应用。
参考文献
[1]林韩,林朝辉,汤明文，等.电力输电线路无人直升机巡视的应用[J].华东电力,2011,39(10)：1657-1660．
作者简介
张攀(1987.02-)，男，河南商丘人，广西大学电气工程研究生，工程师，工作单位：广西电网有限责任公司南宁供电局，研究方向：输电线路。
论文作者:张攀
论文发表刊物:《电力设备》2016年第24期
论文发表时间:2017/1/16
标签：无人机论文; 系统论文; 数据链论文; 分系统论文; 缺陷论文; 线路论文; 图像论文; 《电力设备》2016年第24期论文;