具有自主導(dǎo)航能力的高壓輸電線路無人機(jī)巡檢系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、    具有自主導(dǎo)航能力的高壓輸電線路無人機(jī)巡檢系統(tǒng)設(shè)計(jì)    宋旅寧摘  要：該文介紹了目前高壓輸電線路巡檢的主要方式，并分析了各種巡檢方式的優(yōu)缺點(diǎn)。針對(duì)目前無人機(jī)巡檢主要依賴人工操控的問題，提出了一種具有自主導(dǎo)航能力的高壓輸電線路無人機(jī)巡線系統(tǒng)。該系統(tǒng)部署方便靈活、成本低、續(xù)航能力長，線路監(jiān)測實(shí)時(shí)性好，具有較強(qiáng)的自動(dòng)化和智能化作業(yè)能力，能夠有效提升無人機(jī)巡檢作業(yè)的效率。關(guān)鍵詞：無人機(jī)  高壓輸電線  自主導(dǎo)航：tm755   ：a ：1672-3791（2019）12（c）-0009-03近年來，隨著中國電力發(fā)

2、展步伐不斷加快，中國電網(wǎng)也得到迅猛發(fā)展，電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)模不斷擴(kuò)大，形成了完整的長距離輸電線網(wǎng)。高壓輸電線路是電網(wǎng)的重要組成部分，是負(fù)責(zé)電廠與變電站、變電站與變電站之間電力傳輸和分配的主要電力設(shè)施。高壓輸電線路的輸送容量大，在電網(wǎng)中的地位非常重要，一旦出現(xiàn)安全事故對(duì)經(jīng)濟(jì)影響非常大，因此需要很高的安全運(yùn)行可靠性。高壓輸電線路大多建設(shè)在室外地區(qū)，其分布點(diǎn)多面廣，多位于遠(yuǎn)離城鎮(zhèn)、地形復(fù)雜、環(huán)境惡劣的自然環(huán)境中，電力線及桿塔附件長期暴露在野外，諸如導(dǎo)電線、塔桿和線路基礎(chǔ)等容易受到外界環(huán)境因素的影響，出現(xiàn)斷股、磨損、腐蝕等損傷，一旦出現(xiàn)故障就會(huì)威脅電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，從而帶來極大的經(jīng)濟(jì)損失和嚴(yán)重的社會(huì)影響。電

3、力企業(yè)為了能夠全面、準(zhǔn)確地掌握線路的運(yùn)行狀態(tài)，需要投入大量的人力、物力來對(duì)輸電線路進(jìn)行定期巡視檢查，隨時(shí)了解輸電線路的運(yùn)行情況以及線路周圍環(huán)境和線路保護(hù)區(qū)的變化情況，及時(shí)掌握其運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)和消除隱患，預(yù)防事故的發(fā)生，確保供電安全。傳統(tǒng)的高壓輸電線路人工巡檢方法是依靠巡檢工人沿輸電線路巡查，直接用人眼目測方式進(jìn)行觀測，檢查電力線及附件的外形和工作狀態(tài)。由于高壓輸電線路多處于交通不便、條件艱苦的區(qū)域，特別是山區(qū)和跨越江河的輸電線路。這種人工巡檢方式不僅工作量大，巡檢周期長，效率低，在一定程度上影響輸電線路的及時(shí)維護(hù)，給輸電系統(tǒng)帶來了安全隱患。因此，對(duì)于電力企業(yè)來說，采用自動(dòng)化智能化的設(shè)備對(duì)高壓輸

4、電線路進(jìn)行監(jiān)測，能夠明顯提升輸電線路所處狀態(tài)的監(jiān)控能力，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決線路存在的問題和缺陷，維護(hù)電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。常見的自動(dòng)化高壓輸電線路監(jiān)測方式包括基于智能攝像機(jī)的在線監(jiān)測系統(tǒng)、移動(dòng)機(jī)器人巡檢、無人機(jī)巡檢等?；谥悄軘z像機(jī)的在線監(jiān)測系統(tǒng)通過全天候?qū)σ曨l監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)分析的方式，在線預(yù)警輸電線路附近的施工狀況，對(duì)大型施工機(jī)械違章超高作業(yè)行為實(shí)時(shí)抓拍照片，及時(shí)制止危險(xiǎn)作業(yè)。該種高壓輸電線路監(jiān)測方式能夠有效解決輸電線路附近施工項(xiàng)目較多的情況下，人工現(xiàn)場監(jiān)護(hù)施工行為的方式效率低下以及傳統(tǒng)的無線視頻監(jiān)控裝置對(duì)施工現(xiàn)場缺乏智能預(yù)警的能力，及時(shí)發(fā)現(xiàn)違章施工作業(yè)中大型施工機(jī)械的外力破壞問題，大幅度降低因外力破壞

5、引起的停電事故，減少由此帶來的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)更加合理有效地配置人員，保障線路的安全運(yùn)行?；谥悄軘z像機(jī)的在線監(jiān)測系統(tǒng)非常適用于城市或城郊等環(huán)境下需要對(duì)輸電線路區(qū)域進(jìn)行7×24h監(jiān)控的場景，但對(duì)于遠(yuǎn)離城鎮(zhèn)的高壓輸電線路，其遇到施工機(jī)械違章超高作業(yè)等外力破壞的可能性非常低，廣泛部署基于智能攝像機(jī)的在線監(jiān)測系統(tǒng)成本投入較大，投入產(chǎn)出比不高（見圖1）。移動(dòng)機(jī)器人在架空電力線路上巡檢自20世紀(jì)80年代開始展開研制，目前國內(nèi)外都相繼開發(fā)了不同用途的巡線機(jī)器人，并取得了較大的進(jìn)展，尤其是可在兩個(gè)塔桿之間巡檢的機(jī)器人，已達(dá)到產(chǎn)品化的程度1。日本、美國和加拿大等國公司都推出了各自的線路巡檢機(jī)器人系統(tǒng)。

6、國內(nèi)武漢大學(xué)、山東大學(xué)和中國科學(xué)院自動(dòng)化研究所也進(jìn)行了巡線機(jī)器人的研究工作，并研制出多種巡線機(jī)器人樣機(jī)，利用機(jī)器人攜帶的攝像裝置或紅外熱像儀等檢測裝置，實(shí)現(xiàn)輸電線路的檢測與巡視，并將檢測到的數(shù)據(jù)和圖像信息經(jīng)過無線傳輸系統(tǒng)發(fā)送到地面基站。采用移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行高壓輸電線路的巡檢，主要問題是在機(jī)器人所需要面對(duì)的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)場景。輸電線路不僅存在著支撐桿塔，而且還存在著多種線路附件構(gòu)成的障礙物，如防震錘、懸垂線夾、耐張線夾和絕緣子等。因此具有越障功能的巡線機(jī)器人一直是該領(lǐng)域研究的重點(diǎn)，為了實(shí)現(xiàn)在柔性輸電線上行走并跨越障礙物，需要復(fù)雜的機(jī)器人控制行為規(guī)劃，增加了控制電路設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)控制的難度。這也大大制約了巡線

7、機(jī)器人的產(chǎn)品成熟度和其推廣應(yīng)用的范圍（見圖2）。1  具有自主導(dǎo)航能力的高壓輸電線路無人機(jī)巡檢系統(tǒng)具有自主導(dǎo)航能力的高壓輸電線路無人機(jī)巡檢系統(tǒng)包括無人機(jī)、決策與控制模塊、雙目視覺模塊和實(shí)時(shí)追蹤與監(jiān)測模塊。其中，無人機(jī)是整套系統(tǒng)的“身軀”，負(fù)責(zé)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)，并承載其他功能模塊;決策與控制模塊是整套系統(tǒng)的“大腦”，對(duì)無人機(jī)的飛行軌跡進(jìn)行自主控制;雙目視覺模塊是整套系統(tǒng)的“眼睛”，對(duì)無人機(jī)所處的環(huán)境進(jìn)行感知，對(duì)無人機(jī)巡檢路徑上的障礙物進(jìn)行檢測;實(shí)時(shí)追蹤與監(jiān)測模塊則用來實(shí)現(xiàn)輸電線路的跟蹤與監(jiān)測功能。該系統(tǒng)通過gps衛(wèi)星定位系統(tǒng)設(shè)定無人機(jī)的巡檢路徑。在巡檢路徑上，無人機(jī)依靠自身配備的雙目視覺模塊

8、感知巡線路徑上的障礙物，自主進(jìn)行障礙物躲避，同時(shí)對(duì)所采集的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，對(duì)高壓輸電線路進(jìn)行實(shí)時(shí)追蹤，避免gps定位偏差造成監(jiān)測目標(biāo)丟失。1.1 無人機(jī)平臺(tái)無人機(jī)是一種無人駕駛的且能夠重復(fù)利用的可搭載檢測設(shè)備的空中飛行器，具有部署方便靈活、遠(yuǎn)程監(jiān)控實(shí)時(shí)性好、人工成本低、續(xù)航能力長等優(yōu)點(diǎn)。目前在高壓輸電線路巡檢中應(yīng)用的無人機(jī)主要是固定翼無人機(jī)和多旋翼無人機(jī)。這兩類無人機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中都取得了良好的效果。該文提出的無人機(jī)巡檢采用多旋翼飛行器。多旋翼飛行器通過每個(gè)軸上的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)旋翼，從而產(chǎn)生上升推力;通過改變不同旋翼之間的相對(duì)轉(zhuǎn)速，可以改變單軸推進(jìn)力的大小，從而控制飛行器的前后移動(dòng)、左右

9、移動(dòng)、懸停、爬升和降落。多旋翼飛行器結(jié)構(gòu)簡單，后期維護(hù)方便;起降靈活，只需要空曠平整的場地就可進(jìn)行垂直起降;操控簡單，可懸停和低速飛行，可完成近距離、低速運(yùn)動(dòng)或長時(shí)間保持同一視角的觀測任務(wù)，非常適合航拍和監(jiān)測任務(wù)（見圖3）。1.2 決策與控制模塊決策與控制模塊用來控制無人機(jī)的移動(dòng)方向和高度，同時(shí)根據(jù)來自雙目視覺模塊返回的前方障礙物信息，自主決策并調(diào)整無人機(jī)的速度與高度。該模塊同時(shí)配備有g(shù)ps設(shè)備，用來實(shí)現(xiàn)無人機(jī)巡線路徑的預(yù)先設(shè)定。在線路巡檢過程中，隨時(shí)根據(jù)gps定位情況，調(diào)整無人機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向。該方式可以極大地提高線路巡查的效率，有效減少線路巡檢人員的工作量。由于民用版本的gps衛(wèi)星定位系統(tǒng)只能

10、提供100m的定位精度，對(duì)于輸電線路的實(shí)時(shí)監(jiān)測要求存在較大的偏差，因此還需要對(duì)輸電線路進(jìn)行實(shí)時(shí)追蹤，并根據(jù)追蹤結(jié)果對(duì)飛行位置進(jìn)行細(xì)微調(diào)整，避免gps定位偏差造成監(jiān)測目標(biāo)丟失（見圖4）。1.3 雙目視覺模塊雙目視覺模塊采用立體視覺技術(shù)，可實(shí)時(shí)構(gòu)建出雙目成像設(shè)備前方的三維空間場景，不需要建立障礙物目標(biāo)樣本庫即可檢測近乎所有物體，并實(shí)現(xiàn)碰撞預(yù)警，避免了因未識(shí)別障礙物而漏報(bào)的情況發(fā)生。立體相機(jī)在逆光、雨霧、夜晚等條件下也能進(jìn)行高品質(zhì)的成像，確保系統(tǒng)可以全天候的穩(wěn)定工作。立體相機(jī)成像分辨率達(dá)到1280×720，采用fpga和嵌入式處理器實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)，功耗小于等于7w，實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)系統(tǒng)對(duì)成像設(shè)備

11、的高性能低功耗要求。同時(shí)，該模塊可以實(shí)時(shí)提供無人機(jī)與前方物體距離、碰撞預(yù)警的時(shí)間、前方物體的相對(duì)速度等數(shù)據(jù)，為控制模塊提供決策依據(jù)（見圖5）。1.4 實(shí)時(shí)追蹤與監(jiān)測模塊實(shí)時(shí)追蹤與監(jiān)測模塊完成對(duì)高壓輸電線路的實(shí)時(shí)追蹤和監(jiān)測。由于原始圖像背景十分復(fù)雜，并且存在著很多噪聲，因此難以直接從中提取高壓線，我們的方法是先從原圖中提取出輪廓，之后再利用輪廓圖識(shí)別和提取高壓線。我們利用隨機(jī)決策森林的結(jié)構(gòu)化學(xué)習(xí)框架提取圖像中輪廓2。該方法充分利用了局部圖像塊中存在的結(jié)構(gòu)信息。給定一個(gè)具有結(jié)構(gòu)化信息的圖像，將結(jié)構(gòu)化信息映射到離散空間，在該空間上通過隨機(jī)森林集成學(xué)習(xí)得到原圖的邊緣輪廓圖像。提取出輪廓之后就是檢測高壓

12、線?；诟邏壕€平直的特點(diǎn)，可以采用hough變換來檢測高壓線3。hough變換是經(jīng)典的直線檢測方法之一，在車道檢測，機(jī)場跑道檢測等方面應(yīng)用十分廣泛，它的基本思想是將圖像空間中的直線通過hesse法線式變?yōu)榛舴蚩臻g中的一個(gè)點(diǎn)，將原始圖像中的直線檢測問題轉(zhuǎn)換為尋找霍夫空間中的點(diǎn)，并在累加器空間中尋找峰值的問題（見圖6）。2  結(jié)語隨著無人機(jī)在我國電網(wǎng)巡檢中的應(yīng)用愈發(fā)廣泛，針對(duì)無人機(jī)開展自動(dòng)化和智能化的高壓輸電線路巡檢研究具有十分重要的意義。該文提出了一種具有自動(dòng)導(dǎo)航能力的高壓輸電線路無人機(jī)巡檢平臺(tái)設(shè)計(jì)，具有部署方便靈活、遠(yuǎn)程監(jiān)控實(shí)時(shí)性好、人工成本低、續(xù)航能力長等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效提升無人機(jī)巡線作業(yè)的效率。參考文獻(xiàn)1 左岐，謝植，梁自澤，等.巡線機(jī)器人的發(fā)展