具有自主導航能力的高壓輸電線路無人機巡檢系統設計

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缺點。針對目前無人機巡檢主要依賴人工操控的問題，提出了一種具有自主導航能力的高壓輸電線路無人機巡線系統。該系統部署方便靈活、成本低、續航能力長，線路監測實時性好，具有較強的自動化和智能化作業能力，能夠有效提升無人機巡檢作業的效率。

關鍵詞：無人機 ?高壓輸電線 ?自主導航

中圖分類號：TM755 ? 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）12（c）-0009-03

近年來，隨著中國電力發展步伐不斷加快，中國電網也得到迅猛發展，電網系統運行規模不斷擴大，形成了完整的長距離輸電線網。高壓輸電線路是電網的重要組成部分，是負責電廠與變電站、變電站與變電站之間電力傳輸和分配的主要電力設施。高壓輸電線路的輸送容量大，在電網中的地位非常重要，一旦出現安全事故對經濟影響非常大，因此需要很高的安全運行可靠性。

高壓輸電線路大多建設在室外地區，其分布點多面廣，多位于遠離城鎮、地形復雜、環境惡劣的自然環境中，電力線及桿塔附件長期暴露在野外，諸如導電線、塔桿和線路基礎等容易受到外界環境因素的影響，出現斷股、磨損、腐蝕等損傷，一旦出現故障就會威脅電網的穩定運行，從而帶來極大的經濟損失和嚴重的社會影響。電力企業為了能夠全面、準確地掌握線路的運行狀態，需要投入大量的人力、物力來對輸電線路進行定期巡視檢查，隨時了解輸電線路的運行情況以及線路周圍環境和線路保護區的變化情況，及時掌握其運行狀態，發現和消除隱患，預防事故的發生，確保供電安全。

傳統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行觀測，檢查電力線及附件的外形和工作狀態。由于高壓輸電線路多處于交通不便、條件艱苦的區域，特別是山區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維護，給輸電系統帶來了安全隱患。因此，對于電力企業來說，采用自動化智能化的設備對高壓輸電線路進行監測，能夠明顯提升輸電線路所處狀態的監控能力，及時發現和解決線路存在的問題和缺陷，維護電網的穩定運行。常見的自動化高壓輸電線路監測方式包括基于智能攝像機的在線監測系統、移動機器人巡檢、無人機巡檢等。

基于智能攝像機的在線監測系統通過全天候對視頻監控系統實時分析的方式，在線預警輸電線路附近的施工狀況，對大型施工機械違章超高作業行為實時抓拍照片，及時制止危險作業。該種高壓輸電線路監測方式能夠有效解決輸電線路附近施工項目較多的情況下，人工現場監護施工行為的方式效率低下以及傳統的無線視頻監控裝置對施工現場缺乏智能預警的能力，及時發現違章施工作業中大型施工機械的外力破壞問題，大幅度降低因外力破壞引起的停電事故，減少由此帶來的經濟損失，同時更加合理有效地配置人員，保障線路的安全運行?；谥悄軘z像機的在線監測系統非常適用于城市或城郊等環境下需要對輸電線路區域進行7×24h監控的場景，但對于遠離城鎮的高壓輸電線路，其遇到施工機械違章超高作業等外力破壞的可能性非常低，廣泛部署基于智能攝像機的在線監測系統成本投入較大，投入產出比不高（見圖1）。

移動機器人在架空電力線路上巡檢自20世紀80年代開始展開研制，目前國內外都相繼開發了不同用途的巡線機器人，并取得了較大的進展，尤其是可在兩個塔桿之間巡檢的機器人，已達到產品化的程度[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器人系統。國內武漢大學、山東大學和中國科學院自動化研究所也進行了巡線機器人的研究工作，并研制出多種巡線機器人樣機，利用機器人攜帶的攝像裝置或紅外熱像儀等檢測裝置，實現輸電線路的檢測與巡視，并將檢測到的數據和圖像信息經過無線傳輸系統發送到地面基站。采用移動機器人進行高壓輸電線路的巡檢，主要問題是在機器人所需要面對的復雜運動場景。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器人一直是該領域研究的重點，為了實現在柔性輸電線上行走并跨越障礙物，需要復雜的機器人控制行為規劃，增加了控制電路設計及運動控制的難度。這也大大制約了巡線機器人的產品成熟度和其推廣應用的范圍（見圖2）。

1 ?具有自主導航能力的高壓輸電線路無人機巡檢系統

具有自主導航能力的高壓輸電線路無人機巡檢系統包括無人機、決策與控制模塊、雙目視覺模塊和實時追蹤與監測模塊。其中，無人機是整套系統的“身軀”，負責系統的運動，并承載其他功能模塊;決策與控制模塊是整套系統的“大腦”，對無人機的飛行軌跡進行自主控制;雙目視覺模塊是整套系統的“眼睛”，對無人機所處的環境進行感知，對無人機巡檢路徑上的障礙物進行檢測;實時追蹤與監測模塊則用來實現輸電線路的跟蹤與監測功能。

該系統通過GPS衛星定位系統設定無人機的巡檢路徑。在巡檢路徑上，無人機依靠自身配備的雙目視覺模塊感知巡線路徑上的障礙物，自主進行障礙物躲避，同時對所采集的視頻數據進行實時分析，對高壓輸電線路進行實時追蹤，避免GPS定位偏差造成監測目標丟失。

1.1 無人機平臺

無人機是一種無人駕駛的且能夠重復利用的可搭載檢測設備的空中飛行器，具有部署方便靈活、遠程監控實時性好、人工成本低、續航能力長等優點。目前在高壓輸電線路巡檢中應用的無人機主要是固定翼無人機和多旋翼無人機。這兩類無人機在實際應用中都取得了良好的效果。

該文提出的無人機巡檢采用多旋翼飛行器。多旋翼飛行器通過每個軸上的電動機轉動，帶動旋翼，從而產生上升推力;通過改變不同旋翼之間的相對轉速，可以改變單軸推進力的大小，從而控制飛行器的前后移動、左右移動、懸停、爬升和降落。多旋翼飛行器結構簡單，后期維護方便;起降靈活，只需要空曠平整的場地就可進行垂直起降;操控簡單，可懸停和低速飛行，可完成近距離、低速運動或長時間保持同一視角的觀測任務，非常適合航拍和監測任務（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的移動方向和高度，同時根據來自雙目視覺模塊返回的前方障礙物信息，自主決策并調整無人機的速度與高度。該模塊同時配備有GPS設備，用來實現無人機巡線路徑的預先設定。在線路巡檢過程中，隨時根據GPS定位情況，調整無人機的運動方向。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衛星定位系統只能提供100m的定位精度，對于輸電線路的實時監測要求存在較大的偏差，因此還需要對輸電線路進行實時追蹤，并根據追蹤結果對飛行位置進行細微調整，避免GPS定位偏差造成監測目標丟失（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，可實時構建出雙目成像設備前方的三維空間場景，不需要建立障礙物目標樣本庫即可檢測近乎所有物體，并實現碰撞預警，避免了因未識別障礙物而漏報的情況發生。立體相機在逆光、雨霧、夜晚等條件下也能進行高品質的成像，確保系統可以全天候的穩定工作。

立體相機成像分辨率達到1280×720，采用FPGA和嵌入式處理器實時處理數據，功耗小于等于7W，實現了無人機系統對成像設備的高性能低功耗要求。同時，該模塊可以實時提供無人機與前方物體距離、碰撞預警的時間、前方物體的相對速度等數據，為控制模塊提供決策依據（見圖5）。

1.4 實時追蹤與監測模塊

實時追蹤與監測模塊完成對高壓輸電線路的實時追蹤和監測。由于原始圖像背景十分復雜，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別和提取高壓線。

我們利用隨機決策森林的結構化學習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構信息。給定一個具有結構化信息的圖像，將結構化信息映射到離散空間，在該空間上通過隨機森林集成學習得到原圖的邊緣輪廓圖像。

提取出輪廓之后就是檢測高壓線?；诟邏壕€平直的特點，可以采用Hough變換來檢測高壓線[3]。Hough變換是經典的直線檢測方法之一，在車道檢測，機場跑道檢測等方面應用十分廣泛，它的基本思想是將圖像空間中的直線通過Hesse法線式變為霍夫空間中的一個點，將原始圖像中的直線檢測問題轉換為尋找霍夫空間中的點，并在累加器空間中尋找峰值的問題（見圖6）。

2 ?結語

隨著無人機在我國電網巡檢中的應用愈發廣泛，針對無人機開展自動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導航能力的高壓輸電線路無人機巡檢平臺設計，具有部署方便靈活、遠程監控實時性好、人工成本低、續航能力長等優點，能夠有效提升無人機巡線作業的效率。

參考文獻

[1] 左岐，謝植，梁自澤，等.巡線機器人的發展與應用[J].機器人技術與應用，2007（2）：37-42.

[2] Piotr Dollar and C. Lawrence Zitnick. Structured Forests for Fast Edge Detection[A].ICCV[C].2013：1841-1848.

[3] 王宣，董慧穎.基于視覺的電力系統高壓線提取與識別[J].電子制作，2014（ZX）：165.