摘要：随着无人机技术的快速发展，无人机在电力线路巡检工作应用逐渐成熟。本文对一种输电线路多功能巡检系统做了研究与实践。研发出的多功能无人机巡检系统可根据不同巡检任务更换动力机臂，任务载荷（包括30倍可见光摄像头，红外测温仪，紫外设备，抛绳机构，喷火消缺吊舱），并采用系留技术，可实现应急抢险全天候监控指挥，集多种功能于一体，可到达各种电力设备位置并具有灵活性较高，满足各种巡检作业要求等优点。
本文就输电线路多功能无人机巡检系统的研发进行探讨与实施。
关键词：无人机；多功能；巡检
1.研究背景及目的
随着无人机巡检作业的逐步普及，利用各类无人机巡视、参与消缺作业的任务也趋于多样化。以往的无人机作业都需要根据不同的作业内容、现场地理环境、气象条件等，选择性携带不同飞行性能的无人机和相关的机载巡检设备。
而现有设备工作准备繁琐复杂，设备运输部署费时费力，缺乏作业灵活性。此外，无人机功能单一不全面，作业续航时间短，作业效率低，现场工作和后勤维护需要更多的人力保障。为适应新新形势下的输电线路巡检工作，需设计开发一种面向多种巡检工作、地形地貌的多用途可扩展的无人机巡检系统，能够完成架空输电线路巡视、检修、竣工验收、带电消缺、安全监护、灾情勘察的无人机巡检系统，并且研制的巡检系统能够通过快速更换无人机动力机臂、任务载荷，实现不同飞行性能和作业能力，一机多用、轻便化收纳与运输、能完成各类巡检工作，用来提高工作效率，降低巡检成本。
2.多功能无人机巡检系统研发
2.1设计思路
图1 机身设计
根据作业类型设计飞机载重能力，通过对喷火、抛绳等大载重应用环境分析，设计模块化电器和机械连接，可完成对无人机动力机臂和软件参数的快速更换和调整，全套系统设计集约化、小型化、模块化。可以组合式拼装，操作方便，实现一机多用，成本低。
2.2设计开发
输电线路多功能无人机系统应由三部分设计组成：多功能连接器设计、动力机臂的设计、模块化电器和机械连接设计。
多功能连接器设计：采用7075航空铝加工轻量化机臂连接件，内嵌4通道航空插头，连接可靠，装卸方便，1分钟内可完成四个机臂的换装。喷火吊舱、抛绳机构、轻型变焦相机云台等机载任务设备，通过快拆标准连接件与机身快速固定，电气通信与控制采用两路8芯航空插头连接机身，30秒内可完成不同机载设备的换装。
图2 多功能连接器设计
动力机臂的设计：行业首创设计更换机臂，基于FPGA的自适应寻址技术，实现不同动力性能的无人机机臂的快速更换，飞控计算机通过自主编译的模糊神经元算法，自动识别并匹配不同动力机臂的控制参数。一是选装四轴八电机结构的机臂，它具有转速高，螺旋桨直径小，抗风性强优点；二是选装大轴距四轴机臂，它具有转速低，尺寸大，拉力大，可搭载大容量电池，使无人机获得更长的飞行时间和距离。
图3 两种动力机臂设计
模块化电器和机械连接设计：采用行业首创的连接方案，完成对无人机动力机臂和软件参数的快速更换和调整，采用基于FPGA的分码索引技术实现飞机端航空插头和多种任务载荷的电器连接，用dsp编码寻址复用技术，将同一接口的功能定义快速更改。使飞控计算机快速识别4轴8电机和4轴4电机结构，并匹配不同机臂动力特性所需要的飞控模糊PID控制率等参数。
图4 控制编码设计
3.多功能无人机巡检系统功能优势
3.1功能特点
抛绳功能：更换搭载的抛绳机构进行试验后，动力能够搭载16kg的绝缘绳。结合国内电力行业首创《超（特）高压输电线路无人机结合电动升降装置进出等电位作业方法》，可实现单回路任意塔型任意相别的带电消缺作业，是带电作业革命性突破。
图5 抛绳功能
续航功能：更换动力机臂及电池组属行业首创，换装大拉力动力机臂后，续航时间可达20min，载重能力达到16kg。换装长航时动力机臂后，续航时间可达40min，通讯传输距离不低于3km。
图6 续航功能
（3）系留功能：自主研发采用系留技术，保障无人机7*24小时滞空飞行，可实现应急抢险全天候监控指挥，确保了应急抢险实时传。
图7 系留飞行功能
（4）喷火功能：可搭载自主研发的喷火装置，能够快速消除导地线异物，保证了电网安全运行。
图8 喷火功能
（5）巡视功能：可搭载（30倍）可见光、红外、紫外等巡检设备，完成输电线路各类缺陷诊断、判定。
3.2多功能无人机优势
（1）经济效益
按照市场无人机厂家报价对比，专业巡视无人机约25万，专业抛投无人机约15万，专业喷火无人机约15万，而研发的本项目多功能无人机只需要20万。每套设备节省大约35万元，大幅度降低了无人机采购成本。
（2）作业效益
传统无人机作业运输不便，需要调动工程车来运输庞大的设备。现场作业准备时间长，机动部署能力差，无人机性能无法满足要求，作业耗时长。多功能无人机巡检系统做到了根据现场作业情况和环境条件自由搭配组合无人机系统，满足全部作业要求。经过对比，作业人数从原来的4人减少至2人，作业时间由原来120分钟降低为30分钟，还具备了对应急突发情况的快速响应能力。
图9 作业对比
4.输电线路多功能无人机应用
多功能无人机自推广应用以来先后在输电线路330千伏，750千伏线路上完成了318公里线路巡视，发现49件缺陷。完成了80基铁塔红外测温工作，完成了21次喷火消缺和31次带电作业抛绳工作，充分验证了该无人机的安全性、可靠性和实用性，为电力生产带来了更加安全便捷的技术保障。
5.输电线路多功能无人机效果
本系统是国家电网公司系统内首架集巡检功能于一体的新设备，采用行业首创更换机臂设计，自主研发控制参数自动匹配功能，能够方便灵活的装拆收纳，保证电力工人在山区、交通不便利等区域作业时携带更少的设备完成更多的工作任务。
该项目委托电力工业电气设备质量检测中心对设备质量和可靠性进行检测，出具检测报告（CEPRI-EETC11-2018-0035），
该项目已申请国家实用新型专利3项：《一种基于视觉导航的电力巡检无人机》（申请号：201821310046.3）、《一种无人机自主检测系统》（申请号：201821332482.0）、《一种输电线路模块化多功能巡检设备》（申请号：201821332481.6）。
参考文献：
[1]Q/GDW 1210—2014，1000kV交流架空输电线路运行规程
[2]Q/GDW1 1367-2014，架空输电线路无人直升机巡检技术规程
[3]Q/GDW1 1399-2015，架空输电线路无人机巡检作业安全工作规程
[4]架空输电线路无人机巡检技术 张祥全.苏建军.
作者简介：李扬（1988.11）男，甘肃兰州，大学本科，助理工程师，从事架空输电线路带电检修与运维工作。
论文作者:李扬,成保,吕强,王伟,任亚军
论文发表刊物:《基层建设》2019年第19期
论文发表时间:2019/9/21
标签：无人机论文; 作业论文; 多功能论文; 动力机论文; 线路论文; 功能论文; 系统论文; 《基层建设》2019年第19期论文;