张晓萌1，尹然2，陶雨露3，杨晓宇1
1.内蒙古电力（集团）有限责任公司航检分公司；2.呼和浩特供电局；3.三峡大学
摘要：为了提高无人机在输电线路巡检中的应用效果，对输电线路无人机智能巡检技术进行了总结和分析，特别是输电线路无人机用智能化地面监控系统进行了设计和分析，从而更好的提高输电线路巡检质量。
关键词：输电线路；无人机；智能巡检；地面监控
1总体方案概述
无人机技术最早开始研究于第一次世界大战的后期并在第二次世界大战中得到实际的应用当时除用于训练外，最主要的还是由操作人员操控携带炸药的无人飞行器飞往目标点对攻击目标实行精准的打击，这也是早期无人监控系统的雏形。第二次世界大战后，特别是近年来，随着计算机技术、无线通讯技术、地理信息技术和GPS全球卫星定位技术等相关无人机技术的迅猛发展，无人机监控技术已经由传统单一的监测或控制系统发展成为集数据监测、状态分析、飞行控制、任务规划等于一体的智能监控系统，使得无人机实时监控已经成为可能。一个完整的无人机系统主要是由无人飞行器系统、数据链路系统、地面站系统、有效载荷系统、发射与回收系统五大模块组成，电力巡线无人机系统构成相对比较简单，主要由无人飞行器系统、数据链路系统和地面站系统组成，无人飞行器系统和地面站系统通过数据链路系统进行通信。
用于电力线路巡检的多旋翼无人机是一款具有垂直起降、航路飞行、一键返航等自主飞行的无人机飞行器，主要用于高压线路灾情监测和缺陷排查。特别是在对特/超高压输电线路的巡检时，巡检无人机需要贴近高压输电线路飞行以采集输电线路、铁塔及其上的绝缘子、金具等相关部件的影像信息来完成对电力线路的缺陷排查，在提高输电线路巡检效率的同时保障巡检工作人员的人身安全。地面站系统是配合无人机进行电力巡检的关键设备，地面站软件通过直观可视化的显示和任务窗口为巡检操作人员和巡检无人机间提供人机交互。地面站软件的可靠运行和人性化操作直接关系到整个巡检系统的安全、可靠以及未来在电力行业的应用与推广。目前，市场上存在众多的无人机地面监控软件，并且基本都具备监测数据显示、地图数据显示、无人机飞行控制和无人机航路规划等基本功能。但与市面上存在的无人机地面站软件相比，由于电力巡线无人机特殊的工作环境以及电力巡线无人机系统的特殊功能需求，电力巡线无人机地面站不仅要能够适应恶劣的野外巡检环境，还需要将复杂的巡检任务分解为简单的操控指令并以直观、安全的方式显示在监控界面中，在保障无人机安全工作的前提下力求使数据显示直观、无人机控制简单可靠、地面站软件使用人性化。
2无人机巡检发展中的制约因素
1)飞巡空域限制条件多一是空域管制严格，申请流程复杂且周期长;二是空域管制机构多且多重管制区域划分不明确;三是部分适航区军事活动频繁;四是空域管制机构人员少且通讯占线率高。应优化空域申请的管理流程，提高飞巡空域的申请效率。2)无人机续航能力低目前，纯电动无人机续航时间一般在30min左右，不能满足连续大档距的输电线路巡检作业要求。对于油电混合的无人机，续航能力可达到2h左右，但由于油电混合无人机体积较大，不方便单人作业且有发生爆炸的危险，故目前的推广使用受到较大的约束。3)无人机图传距离短现市场上比较成熟的大疆系列无人机图像传输距离理想状态下一般在3～7km，但在城区及近郊等地方，由于受到信号干扰以及建筑物的影响，只能保持2km左右的图像传输。
对于无人机杆塔巡检，当线下树木植被较高时，将进一步影响图像传输效果，导致图像传输距离不到1km，严重制约了无人机巡检的质量。4)自主巡检ＲTK通讯链路信号差无人机杆塔精细化自主巡检需要较强的ＲTK网络信号，但由于输电线路所处地区比较偏远，网络信号一般比较弱，很难满足自主巡检的要求，严重阻碍了无人机自主巡检的进程。
3输电线路无人机用智能化地面监控系统的设计
3.1功能模块的实现
无线通信模块是电力巡检无人机飞行器与地面操控模块进行数据交互的媒介。无人飞行器的控制，主要由无人飞行器通过无线数据传输模块接收控制指令及控制参数来实现。系统启动工作后，首先对无人机飞行器与地面操控模块之间的无线数据通信是否正常，如果通信正常，则会等待地面操控模块发过来的控制指令及控制参数，无人机飞行器收到控制指令及控制参数后会向地面操控模块发出应答信息，完成应答信息确认后，会进行后续数据的传输。
3.2无人机智能操作系统及控制终端研制
无人机智能操作系统是基于大疆SDK，针对电力巡检作业特点深度定制的无人机操作系统。为了能够大范围地查看电网周围环境，智能操作系统可以自动规划航线，全自动地完成输变电线路的精细化巡视和通道巡视作业，获取走廊通道范围内的正射影像、空中360°全景和倾斜摄影三维建模影像数据。通过对无人机的智能操控，可以清楚、准确地发现杆塔本体和通道环境的缺陷和隐患，使无人机电网巡检作业更加安全可靠。
3.3基本数据测试
当地面监控系统与无人机间建立数据连接后，无人机便会实时的将各传感器采集计算的数据发往地面监控系统，监控系统依据通信协议解析所接收的遥测数据并以直观的方式对数据进行分类显示，主要包括文本窗口数据显示、图形窗口数据显示、模拟仪表数据显示、无人机模型姿态显示和状态栏数据显示等，此外还会在状态栏中显示当前无人机的运行状态，包括工作模式(手动、自主等)、是否起飞等。
3.4通信协议
电力巡检无人机飞行器与地面操控系统之间的无线数据传输采用全双工的通信模式，可以同时实现无人机飞行器遥测数据的接收，控制指令及控制参数的收发，数据通信的稳定性直接关系到电力巡检无人机进行电力巡检作业任务的安全执行。
3.5断点续飞回归算法
断点续飞回归算法是利用数据统计学原理，对大量统计数据进行数学处理，确定因变量与某些自变量的相关关系，建立一个相关性较好的回归方程(函数表达式)，并加以外推，用于预测今后因变量变化的分析方法。回归技术通常用于预测分析，时间序列模型及发现变量之间的因果关系，主要算法有线性回归、普通最小二乘回归、逐步回归、多元自适应回归样条等。
3.6无人机控制测试
监控系统对无人机的控制包括一键起飞、即点即飞、自动返航、自动着落等基本的控制指令和对无人机系统参数的设置，控制指令的成功发送与执行对无人机的安全飞行起着至关重要的作用。控制参数的设置首先读取无人机当前的系统设置，合理设置后上传至无人机，依据无人机的回复信息判断设置是否成功。控制指令的执行类似于控制参数的设置，控制指令发送后依据无人机回复信息判断控制指令是否成功发送与执行。
4 结语
本文以基于无人机巡检的电力巡检系统为研究对象，在对监控系统总体软硬件功能进行研究的基础上，对各个子功能模块进行了详细深入的研究，实现了无人机飞行器应用于电力作业的电力巡检系统，并且对整个系统的各部分功能进行了验证，实现了对无人机飞行器的智能化监控。
参考文献：