在無網狀態下的輸電線路無人機自主巡檢技術研究與應用

朱丹 郭本峰 王海波 常雷雷 靳镕光

摘?要：為了解決輸電線路無人機巡檢工作容易受極端氣候影響、遠距離操作時效性差、通信穩定性弱等問題，給出輸電纜線巡航方法。第一，使用卡爾曼模式明確軌跡，使用垂直模式對通道冗余點實施選擇，方便巡航；第二，給予巡航對象差異化的動態飛行路線。以某無網輸電線路為案例進行闡述，研究成果說明，給出的方案化解了航路記錄與位置明確的難題，在路線探究到自主巡航階段，兌現無人機自主航行的目標。

關鍵詞：無網狀態???輸電線路???無人機巡檢???技術研究與應用

中圖分類號：TM755

Research?and?Application?of?the?Autonomous?Inspection?Technology?of?Unmanned?Aerial?Vehicles?for?Transmission?Lines?in?a?Grid-Free?State

ZHU?Dan??GUO?Benfeng??WANG?Haibo??CHANG?Leilei??JIN?Rongguang

（State?Grid?Jincheng?Electric?Power?Supply?Company，Jincheng，Shanxi?Province，048000?China）

Abstract：?In?order?to?solve?the?problems?of?drone?inspection?for?transmission?lines?such?as?being?easily?affected?by?extreme?climate，?the?poor?timeliness?of?remote?operation?and?weak?communication?stability，?a?curising?method?for?transmission?lines?is?given.?First，?the?Kalman?mode?is?used?to?clarify?the?trajectory，?and?the?vertical?mode?is?used?to?select?the?redundant?points?of?the?path?to?facilitate?cruising.?Secondly，?differentiated?dynamic?flight?paths?are?given?to?cruised?objects.?This?paper?takes?a?certain?grid-free?transmission?line?as?a?case?study.?and?research?results?demonstrate?that?the?proposed?scheme?solves?the?problems?of?recording?routes?and?clarifying?positions，?and?achieves?the?goal?of?the?autonomous?navigation?of?unmanned?aerial?vehicle?in?the?stage?from?route?exploration?to?autonomous?cruise.

Key?Words：?Grid-free?status;?Transmission?lines;?Drone?inspection;?Technical?research?and?application

伴隨新能源領域的誕生，風能電能常規運用已經提上日程。針對當前無人機的航行情況，對無人機航行進行優化并提高性價比。怎樣明確設備切片問題的方位，獲得精確而可靠的巡航軌道，是自主巡航的重要課題。

1??無人機測距

無人機測距見圖1所示。

無人機巡檢，是指無人機攜帶攝像、紅外線傳感器等設備，檢查傳輸電線、石油管道是否有接觸不良、泄漏等隱患。筆者從方案與實際操作兩大層面構建輸電纜線上的測距模型并逐漸推算出結果。方案基礎上的巡檢僅權衡到電纜與攝影機的水平位置即可；而實際操作上，并不限制于既定的纜線狀態與攝影視角[1]。

2??試驗分析

為檢測既定方式的成效，使用大疆Mobile?SDK開發自主航行App，并根據220?kV輸電纜線特征，先使用無人機獲得航線的數據，之后在一定的航線練習模式下完成無人機的航行并記錄軌跡情況，通過成果比較建模完成分析。

通過六大試驗的軌跡類似數據、結合先后的路況情況的對比，使用該預案能夠實現初始軌跡的精準追蹤與參數復原。初始軌跡與融合軌跡對比類似，6個試驗的平均軌跡類似數據是0.95，超過軌跡類似性的預計平均數據（通常為0.8），這表示在此預案的推行階段，無人機能夠在沒有人工干預的情況下辨認路線，進而完成航行。

在確保初始軌跡與結合軌跡有著很高類似度時，使用筆者給出的航線自學模式后，在飛行航線上采集的航點數量相較于人工模式的航點數量降低了50%，規避了大批無效路點的信息搜集，這樣不但能夠提高巡檢效率，節省無人機電能，還有助于擴充無人機巡檢范圍[2]。

在進行航線飛行階段，可以給予并佐證巡航對象差別化的動態明確模式。目標設備盡管不處于中心點，然而均包括在既有范疇中，不同設備定位優化前后的調整時間也能夠完全明確。

從以上的試驗成果能夠看到，鑒于巡檢對象差別性的動態優化定位模式與標準化工作中巡檢設施圖畫比率的差別，動態調整定位并接納閾值，在保證目標設施攝影精準率的基礎上減少巡檢時間，提升巡檢效率。

3??激光雷達巡檢

激光雷達（Light?Detection?and?Ranging，LiDAR）探測技術是獲得3D地理信息的創新技術，可以有效地避免由于風機切片紋理特性不夠明顯而不能完成圖片特性提煉和配置等狀況。以激光雷達放射脈沖激光作為勘察信號，假如激光光速照到物體上，通過漫反射將光反射到激光接納設施。雷達依照發收信號的時間間距與光速相乘再比2，能夠換算出發射設備與事物間相距多遠。

激光設備根據激光的特征，能夠分成單線設施與多線設施。

依照單幀的點云數據，能夠獲得事物的距離數據；依照若干幀的點云參數，對間距信息實施微分解讀，可以得到物體的速率信息。在具體風電使用時，無人機配置360゜多線設備，可以得到風機機身的3維點云數據。

例如：為了去除背景與噪音，能夠根據無人機與風機平面水平距離的檢測完成無人機巡檢[3]。

通過數學模型對離散狀況下的波束進行分析。這類波束運算狀態下開口大小的遴選對波段具備關鍵效能，依照設備與風速設備間距得到數據。通過先鼓脹后縮小的計算方法，能夠將周圍的數據連成一片再排除離散因子進行計算。

4??激光數據解析與路徑明確

因為激光設備獲得的點云狀況難以明確，在三維空間的分布規律有著散亂特征，要運用歐幾里得聚合模式對風葉設備進行聚斂并檢查風機機身是否完備。校正無人機的方向，保證無人機運轉軌跡可以與風機平衡，通過對聚斂后的點云平均數據的解析，能夠獲得輪轂中央的精準位置，并依照輪轂中央是不是在塔筒來明確偏轉視角。

因為風機停轉階段切片位置很難查驗，所以必須在無人機位于一定距離階段依照可見光攝影設備來進行估算。

因為塔筒的裝設視角均是不變的，以雷達點云明確風機機身是敏感部件，去除其他數據就是可見光數據[4]。

目前，透視圖像只保留風機、輪胎、桶式裝備的參數，因此將桶式裝備進行分析，換算出風葉和桶式裝備間的角度，再運算葉片數據。

5??故障判斷與位置明確

無人機在圖像搜集階段，可以有限定位到風機輪轂位置，并在運轉到檢查的方位以后，以輪轂為中心進行首幅圖片的攝錄，之后根據時間與距離順延到既定位置并對風機進行攝制。在攝制時，飛控會記錄當時的位置，并與記錄的起始點相減，進而獲得圖片相較于原始點的實際數據。比如：圖像中出現不明確狀況階段，要直接檢查故障圖像顯示的實際數據。因此，此數據反映了圖片中央的情況，并且故障與圖片中央并不是一致的位置，所以通過圖片數據能夠對故障粗定位。例如：圖2表明，X和Y故障位置相較于原始點的參數，假如把其當作原始位置，那么其和實際方位會出現偏差。

因為要獲得更精準的故障方位，必須權衡到故障在圖片中的位置。因為圖片中央與故障中央在圖片坐標系內會有差異。那么，根據圖片坐標系和相機坐標系的互換能夠察覺，在一定的攝錄間距f、無人機與風機平行的位置上，根據透視模式可以運算出具體偏差數值與相關數據。

相機坐標系和圖片坐標系間的互換得以實現[5]。

6??無網無人機場景5G和4G網絡比較

• 四維裝載情況受傳送能力影響，上行網絡被作用，不能獲得清楚圖片傳送的數據。
• 四維傳送能力削弱：騷擾信號不少，極難完成飛行設施的傳送。傳送時延誤時間過長，無法管控指令下達方式；四維伺服器間的互相作用很難實現。
• 涵蓋標高下降：四維與五維垂向波束對比，隨著標高提升，低空覆蓋能力開始被削弱，無法在飛行設施飛行階段進行覆蓋，四維播送通道在垂向位置都智能單波束輻射，垂直位置輻射無法與5G大范圍多輸入輸出的功能相比。5G能夠實現天線4波束的覆蓋，并且5G的垂直維度波寬超過了4G。

7??無網狀態下無人機場景5G網絡優勢解讀

最重要的問題是時延。無人機的智慧與管理（Command?and?Control）數據服務必須保證低延遲性。并且，高清視頻傳輸也必須盡量降低傳輸延遲。減少人機傳輸延遲，可以使用下列模式：第一，互聯網網絡信號差，要縮減傳送間距；第二，無纜線設施可以通過早期調節、免登錄調試、信道調節等方法來降低時間延誤比例；第三，如果低空輻射，今后運用頻率最高的是雙模式調頻，也可以通過網絡加強科技來使延誤的比例降低；第四，傳送擔負網元傳送間距與傳送時間等任務；第五，伺服器提升參數處置功能，中心網減少數據傳輸時延等。

8??空域網絡巡檢

下面來看案例。依次在城鄉結合部、普通城市區域兩個場所布置3.5GHz頻道站點，進行空余覆蓋操作，實際巡檢情況如下。

8.1??城鄉結合部

選擇的基站高度達到30?m，天線角度-10°，3.5?GHz頻道帶寬達到100?Mbit/s，放射功率達到200?W，時間比例是7∶3，3.5?GHz頻道覆蓋高于6?km，滿足25?Mbit/s的高清視頻傳輸要求。

8.2??普通城市區域

基站高度達到78?m，天線角度是-10°，3.5?GHz頻道帶寬達到100?Mbit/s，放射功率達到200?W，時間比例是7∶3，3.5?GHz低空覆蓋距離在150～300?m范疇內，基本滿足25?Mbit/s視頻傳輸要求。

各地區巡檢可以進行。

巡檢結果是，3.5?GHz頻道基站在130～300?m間上行速度超過23?Mbit/s比例能夠超過96%；另外，3.5?GHz低空巡檢到基站3.5?km上行速度超過25?Mbit/s依然可以超過96%，小區半徑根據3?km設置。

9??5G無人機組網

傳統網絡低空覆蓋面對的困局具體敘述如下。

第一，互聯網地面涵蓋線纜難題。事物管控設備與傳送合同下，網對網是調試地表輻射的傳統電站的，并且必須完成接近地表方位的飛行設備的輻射。所以，會產生纜線難題。五維聯動方面，定位纜線出現復雜的坐標點，透過纜線位置相互影響并分離。

在天線零位位置（旁瓣間的距離）基本上不放射無線電波[6]。

比如，假如飛行設備在伺服端所在地域的纜線零位方位，而且被其他地域的設施影響，從而完成切換。因為坐標點會標識纜線位置，這樣切換會增加。Toc互聯網貼近地表的輻射纜線位置就可以明確。

設備位置輻射地域也許會產生信道轉弱的情況，并致使鏈接失效——這大概是設備執行任務時，信號被騷擾，飛行設備對區域信號強弱實施監督導致。在早期模仿時期，飛行設備設置零號地域為標準位置；過去一定時間后，區域的信號將變得不可測。在飛行設備投入下一個區域前，鏈接也會失效。

• TOC互聯網貼近地表的輻射鄰近關系復雜并且很難進行有效整合：由于地面相異標高的最佳接納效率地域的出現，它會隨著標高的變化而出現切換動作。最好的結果是，地表的區域聯系方法是容易敲定的延續部分，在本波段中最好的建筑物通常在最接近飛行設備的區域；但是，隨著標高的變化，纜線設備數據異常，信號最佳的區域或許不會是最靠近飛行設備的區域。在這種模式下，飛行設備與區域的聯系會若斷若續，致使鄰區關系轉變得更為棘手并且極難有效整合。
• TOC互聯網低空頻段輻射產生時的騷擾。和地表電纜信道比較，天空信道系統會呈現出差異明顯的傳送情況，高空電纜信道的顯著特性包括——高空中缺少阻礙體，肉眼可視較為清楚。比如：飛行設備在天空飛行時，由于視野開闊的概率很難降低，上標波段被很多節點所記錄，而且也能夠截取很多節點的信號數據，而重復輻射率很高亦會造成騷擾。飛行設備在高空接納大部分區域的信號，周遭區域的參數超過10條，致使信號騷擾功能被削弱，讓飛行設備客戶迅速接納信道并解讀。

第四，TOC互聯網地表客戶和飛行設備間的互為騷擾。比如，聯通3.5赫茲頻段。當前，此頻段通信互聯網一般是以地表為傳送對象，而且透過調試站點線纜視角等方法對地表輻射設備完成整合，并盡可能解決地域間的互相騷擾難題。貼近地表的飛行設備要運用該頻段互聯網，一般是通過站點纜線的設備進行，而地表人群一般透過主要設備來體會項目。所以，飛行設備對地表人群的騷擾與地表人群對飛行設備的騷擾是不同的；最關鍵的是飛行設備對地表人群的上方信道有騷擾；地表人群一般透過上述波段站點完成主瓣輻射，飛行設備貼近地表的項目是透過上述波段旁瓣輻射來進行的；周圍地域也是通過旁設備接納飛行設備的騷擾信號進行。而且，當前的項目情景一般是以單座飛行設備為主，貼近地表飛行設備對地表建筑物人群的騷擾力度較弱。

10??結語

目前，無延遲超清圖傳送業已被廣泛采納。五維科技為聯網飛行設備下的實況超清傳送科技和遠距離低延遲與巨大的參數處置科技，飛行設備載重效果是立竿見影的，飛行設備的運用模式也會迎來顛覆性的變革。飛行設備科技在各領域都已經體現出本身的優勢。五維運用情景透過設備網絡向物聯網絡過渡，并會構建出迅捷、動感、安全、先進的新時代信息基本實施。通信科技與飛行設備結合，是研究飛行設備的大勢所趨。

參考文獻

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[2] 王鵬，段培勇.基于無人機的重載鐵路線橋隧一體化巡檢系統架構研究與設計[J].鐵道建筑，2022，62（8）：29-32.

[3] 謝志文，吳暉.應用機器人軌跡跟蹤技術的電力線路無人機智能化巡檢系統設計[J].自動化與儀表，2022，37（2）：44-49.

[4] 吳圓波，錢曉明，李欣江.無人機正攝影像快速比對工具在輸電線路智能巡檢中的應用[J].電子巡檢，2022（14）：85-87.

[5] 羅剛，胡龍江，張山河，等.?500?kV直流輸電線路直線塔無人機巡檢安全距離仿真與試驗研究[J].通信電源技術，2022，39（23）：14-16.

[6] 張鵬，張云峰，周政，等.基于5G技術的特高壓密集輸電通道無人機自主巡檢系統的設計與實現[J].中國新通信，2022，24（4）：130-132.