和健
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摘要: 近年来，随着我国经济的快速发展，整个社会对电力能源的需求越来越大，架空电力线路网络覆盖范围也越来越广。而架空电网分布地域广且地形复杂，不少都经过高山、森林、湖泊和水库等，长期暴露在恶劣的自然环境中，再加上材料老化、持续机械张力等因素，容易出现线路断股、磨损和绝缘子损坏等缺陷，导致严重的电力故障，给人们生产、生活带来巨大损失，因此对架空电网进行定期的巡检巡查尤为重要。
关键词：无人机；电力巡检系统；测温
引言
输电部分的线路主要有电缆线路和架空线路两种，不同于电缆线路主要分布在城市企业、医院等地，检修起来较为方便，架空线路通常分布在野外、山区等人迹罕至的地方，甚至分布在峭壁、雪山等恶劣的自然环境中，若是出现输电线老化、断股或绝缘子损坏等情况，则经常会因为无法及时检修而导致电力系统出现故障，从而造成严重的经济损失。
无人机越来越多地应用于电力巡检解决方案中，其体型小、重量轻，且具有较强的灵活性和自主性，可以较好地实现对架空输电线路的全方位检查。巡检用无人机主要分为三类：无人直升机、固定翼无人机和多旋翼无人机。其中，无人直升机具有优越的性能，具备续航久、可悬停和稳定性强等优点，但是造价和耗费相对较高，一般用于特殊自然灾害救援等情况；固定翼无人机可以飞行较远距离，速度快且较为稳定，但不能悬停，灵活性较差，适用于大面积输电网络的巡查；多旋翼无人机机动性强，灵活度高，具有较高的性价比，但续航能力一般，抗风能力较差，对气象条件要求较高，适用于局部的精细检查以及复杂地理环境下的巡检任务。
1 无人机电力巡检技术
在无人机电力巡检任务中，除了对无人机本身的品质有一定的要求外，整个系统中的各个模块也有各自的技术特点和难点，每一个模块都直接影响着整个系统的巡检效率和精度。无人机电力巡检系统，实现了无人机对指定任务的自动巡线，并结合4G网络进行高带宽传输，完成无人机与地面服务器之间的通信与数据交换，包括指令信号和回传图片、视频等，最高支持流畅、稳定传输1 080p60i全高清视频，保证故障检测的实时性。无人机电力巡检系统还利用无人机拍摄回传的可见光图像、原始红外图像以及相机校准参数，实时进行温度校准分析，并支持自动分析与人工定点分析功能，以保证故障检测的准确性。
1.1 巡线及避障技术
无人机在执行既定电力巡检任务时，需要准确地按照任务路线进行飞行，躲避线路上可能存在或突然出现的障碍物，并在躲避结束后及时回归到任务路线上继续巡检。目前的无人机巡线技术主要通过GPS定位及导航技术、基于摄像的视觉技术等结合应用实现，但在飞行过程中易受到如恶劣天气造成无人机姿态异常等因素影响，导致视觉技术的识别率下降。避障技术主要通过视觉技术、红外探测技术和声呐探测技术等结合应用实现，但对于较大或者移动速度较快的障碍物，无人机可能会因为来不及躲避而损坏。因此，无人机自身以及挂载设备的硬件品质和各种软件技术都需要进一步提升，以保证无人机在巡检任务中的安全性和稳定性。
1.2 无人机姿态控制技术
无人机通常质量轻、体型小，在巡检任务飞行过程中容易受到恶劣天气的影响而失去平衡，甚至坠毁，同时，无人机姿态的正常与否也影响着巡线、避障和故障检测的准确性。目前无人机的姿态控制技术主要依赖安装在无人机上的飞行控制器来实现。当无人机姿态发生异常时，飞行控制器将根据当前无人机的具体姿态、线速度、角速度和加速度等对无人机进行动作调整，帮助无人机回归到正常的飞行状态，保证巡检任务的正常执行。
1.3 无线通信技术
执行巡检任务时，无人机需要与地面服务器保持实时的无线连接，以保证可以实时回传无人机的状态信息、任务信息和所拍摄的图像、视频等数据文件，以及接收地面服务器发送的控制信号并给予反馈等。但电力巡检的环境往往十分复杂，且充满变化和不确定因素，系统的无线通信技术需要具备很强的抗干扰能力，以及足够的传输速度和带宽来支撑实时信息传输甚至巡视高清视频的直播，以保证整个电力巡检任务完成的及时性和稳定性。
1.4 故障检测技术
目前围绕无人机的电力巡检任务主要是通过无人机在巡检过程中挂载相应的摄像设备，拍摄输电线路的相关图像、视频等并进行回传，地面服务器再对接收到的图像、视频等进行处理和分析，得到输电线路的健康状况并判断是否有缺陷或故障。常见的故障分析手段有测温分析、线路外形分析等。影响故障检测准确性的因素主要有：拍摄的角度，图像、视频文件的清晰度，分析技术的精度等，各部分的准确性和稳定性都决定了整个故障检测的准确性，因此都不容忽视。
2无人机电力巡检中的测温分析方法
输电线路中的故障往往伴随着异常高温，尤其是线夹、绝缘子上的挂环和防振锤等金具，通过对这些异常高温的检测可以发现输电线路中的安全隐患或者存在的缺陷等。一般的红外成像设备采用辐射测温法计算物体温度，通过接收到的目标辐射的红外能量值计算目标的温度。
测温分析方法主要通过检测输电线路中的异常高温，尤其是绝缘子、线夹等关键部位，来发现线路缺陷或隐患。搭载双光热成像相机的无人机可以拍摄可见光图和原始红外RJPEG图像,原始红外图像采用辐射测温法来计算物体各部位温度,通过接收目标各部位辐射的红外能量,利用接收到的辐射能量值计算相对应的温度?而红外成像设备通常是采用黑体辐射源(发射率近似为1,发射率为物体表面单位面积上辐射出的辐通量与同温度下黑体辐射出的辐通量的比值)分度的,单实际被测量物体的发射率往往小于1,甚至远偏离1,这就导致红外成像设备生成的热度图像中温度的测量值将不同程度地偏离辐射体的实际表面温度。针对发射率引起的辐射测温法温度失准问题，本文提出了一种利用相机校准参数和原始红外图像对被测物体温度测量值进行校准的测温分析方法，应用在无人机电力巡检系统之中，以此来提高无人机电力巡检的准确度，减少缺陷错判漏判的概率。
在红外热度图像中，如有区域温度超过报警阈值，尤其是关键部位如绝缘子、线夹等，系统将会进行报警以提示工作人员，报警信息中包括杆塔号、海拔、经纬度、温度信息描述等。同时，工作人员可以手动查看图像任意区域中的温度数据，并进行分析及报警等操作。将测温分析方法应用到无人机电力巡检系统中，可以准确地测量输电线路关键部位的真实温度信息，提高无人机电力巡检任务中故障检测的准确率，同时也提升了巡检工作效率。
结束语
基于无人机的电力巡检系统，无人机将按照事先制定好的飞行路线完成巡线任务，同时工作人员也可以采用人工操作的方式进行电力巡检。巡线任务中，无人机与地面服务器将通过运营商无线网卡进行高带宽、高稳定性的图像与视频传输，最高支持1 080p60i全高清视频直播。对于接收到的日志、图像和视频等文件，系统将智能化地归档保存，方便回溯，同时将自动对图像进行测温校准和分析，对异常高温的零部件和杆塔进行报警，保证了电力巡检任务的实时性和准确性，同时也提升了巡检的质量和效率。
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