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电力通信光缆无人机巡线的关键技术及特点

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vguangxian 发表于 2024-2-24 09:20:24 | 显示全部楼层 |阅读模式 打印 上一主题 下一主题
         摘要:近年来,我国电力的稳定发展是社会发展的保障,为了实现远距离电力传输和区域互联,大量架空线路应运而生,为了保证电力传输和区域互联的稳定性,电力企业需要有序,有效开展巡线工作。随着我国电网规模的不断扩大,电力通信网光缆的覆盖区域也越来越广,很多主干光缆通信线路经过复杂地形,以往巡检工作几乎全靠人工,既耗时又无法完全达到巡查的目的。随着无人机技术的飞速发展,其在远程遥控、续航时间、飞行品质等方面都有了明显的突破,这为无人机在电力设备巡视中的应用奠定了坚实的基础。本文在研究无人机巡线技术发展的基础上,就无人机巡线的结构、关键技术及巡线优势进行了深入的讨论。
    关键词:无人机;巡线;传感器
    0 前言
    随着电力通信网的不断发展,通信光缆线路运行维护工作越来越重要,传统的人工巡检方法工作量大、条件艰苦,特别是对于山区和大江大河的通信光缆线路巡检存在很大困难,并且人工录入数据量大、数据手工录入过程中容易出错;通信光纤系统,由于其特性决定,需要长期曝露在野外,受到持续的机械张力、雷击闪电、台风吹刮、天气潮湿、器件老化,容易发生锈蚀、断幕、倒塔等现象。杆塔身较高、拉线较多、构造复杂,给运行维护工作带来很大的不便。同时对于工作人员是否巡视到位无法进行有效的管理,巡视质量不能得到保障,线路的安全状况亦得不到保证。而利用无人巡检飞机以自动或遥控的方式,通过预制定的飞行航迹,在卫星定位导航系统的控制和引导下对电力通信主干光缆线路进行巡视任务[1][2]。利用携带的传感仪器,使用视觉检测等技术对杆塔、导线及绝缘子、光缆金具、线路通道等实施检测,并将拍摄和检测的数据实时传输回来或储存在机载硬盘里。无人飞机的应用,代替人工对线路进行巡检,及时发现杆塔、通道走廊以及运行设备的故障隐患、设备缺陷等异常现象,减轻工作人员的劳动强度,大大提高巡检的安全保证和自动化水平,达到减负增效的目的。
    1 无人机巡线系统的组成
    无人机电力巡线的基本作业流程为:无人机先获取到通信主干光缆线路的具体GPS地理坐标信息并完成自主导航[3],然后通过机载成像设备对通信光缆线路及杆塔进行识别拍摄。同时无人机实时将采集的图像信息、位置信息、飞机状态信息等通过无线数据传输系统传输到地面站,地面站对无人机回传信息自动接收并保存,根据获取的数据信息反馈控制无人机自主飞行,对图像数据进行在线处理,判断故障或潜在隐患,最后由人工对识别情况进行筛选排查,形成最终结果。
    无人机系统主要由固定翼飞行平台系统、任务载荷系统、飞行控制系统、数字图传系统、工作地面站系统、地面站配套作业软件等系统组成(如图 1)。
    图1  无人机巡线系统组成
    2 无人机巡线的关键技术
    无人机(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)是一种由无线电遥控设备或自身程序控制装置操纵的无人驾驶飞行器。无人机巡线技术融合了航空、电子、电力、控制、通信、图像识别等多个高尖技术领域,其关键由四部分组成,分别为无人机飞行平台、任务载荷系统、数据通信链路系统以及地面站数据处理系统。
    (1) 无人机飞行平台
    无人机飞行平台最核心的重要子系统为飞行动力系统以及飞行控制系统。另外平台还搭载有多传感器数据采集系统、自稳云台、定位定姿系统(以下简称“POS系统”)、自主避障系统等。
     以多旋翼无人机为例,飞行动力系统的组成部分主要有无人机机架、桨叶、无刷电机以及动力能源组成。按动力能源种类可分电动式无人机和油动式无人机,电力无人机结构简单,飞行噪声较小,但续航能力低,负载能力差;油动无人机负载能力和续航能力强,但结构复杂,成本高,飞行噪声较大。
    飞行控制系统(Flight Control System,简称“FCS")主要由机载控制器以及地面控制平台组成。机载控制器包括飞行控制计算机(Flight Control Computer,简称"FCC ")、传感器和执行机构等。传感器用于对无人机飞行时的姿态参数(包括速度、高度、航向)等信息进行收集和测量,飞行控制计算机用于对经传感器采集的各种测量数据,以及地面控制平台发出的指令进行运算,经过转换后以机器码的形式输出至执行机构。
    (2)多传感器数据采集系统
    多传感器数据采集系统是无人机系统中重要的组成部分,它主要由数据获取设备、自稳云台、POS系统等三部分组成,传感器系统总体结构如图2所示[4]。
    图2 传感器系统集成简图
    多传感器的数据获取设备用于对航摄数据的采集,按照不同功能和航拍目的,数据采集系统涵盖有光学相机、红外热像仪、紫外成像仪、激光雷达等。光学相机主要用于对通信光缆金具、通信光缆及通信接头包(盒)等光学影像的采集,通过光学相机可检视并视觉识别光缆电化腐蚀、金具缺失等常见的设备缺陷和安全隐患;红外热像仪主要用于对线路中的光缆、金具等设备的发热状况进行热成像图的采集;紫外成像仪主要用于采集线路中设备的紫外视频信息,可实现对光缆线路中的金具接头异常放电情况的检测;激光雷达用于获取通信光缆线路所在通道走廊以及周边地物环境的点云数据,可实现对线路通道走廊同地面树障、植被以及建筑物之间安全距离进行监测,还可以通过生成线路及通道走廊的三维模型,通过数据分析和软件模拟获取光缆弧垂等状态[5][6]。自稳云台用于挂载不同的数据采集设备,并通过驱动电机控制拍摄时的俯仰角度,通常具备三轴自稳防抖功能,用来降低无人机飞行作业时的振动,以及减小外部环境对无人机飞行姿态的干扰[7]。使用自稳云台可以极大的提高目标成像质量,避免由于抖动造成的成像模糊的情况,有效降低了对无人机操控的技术要求[8]。
    (3)数据通信链路系统
    数据通信链路系统包含了机载和地面站的信号发射与接收设备,以及无人机通信中继设备等。数据通信链路系统用于实时保障无人机飞行平台同地面站间的数据通信,特别是对于通信条件恶劣、电磁干扰较强的环境下的可靠通信要求。数据通信链路系统按照数据传输类型又可分为无线图传系统和无线数传系统。无线图传系统用于图像的采集发送以及地面站的接收和存储等,无线数传系统用于对飞行状态信息和控制指令进行传送以及地面站接收和指令发送等。按传输形式不同,无线图传又可分为数字图传、模拟图传、WLAN, COFDM, GSM/GPRS, CDMA等。数字图传具有可靠性高、抗干扰能力强的优点,有效传输距离可达几十公里,但成本较高,用于实时回传高清图像数据。模拟图传是将图像信息以模拟信号形式进行传输,优点是成本低,但可靠性不高,抗干扰能力差,有效传输距离在100米左右,用于短距内回传标清图像数据。WLAN图像传输质量高,但成本也较高,且有效传输距离有限。GPRS以分组形式传送数据,支持点对点或点对多点的服务,但易受环境影响,稳定性较差。数传系统可分为两种,分别是公网通道传输(如GSM/GPRS, CDMA等)和专用通道传输(如WLAN, ZigBee, MDS等)。公网数据传输受环境影响大,不适合偏远地区;专用通道传输缺点是有效传输距离较短,信号容易被遮蔽。
    (4)地面数据处理系统
    地面数据处理系统包括传感器数据预处理系统、几何处理系统、巡检智能诊断系统,以及三维数字可视化系统等,是一套后期数据处理及应用分析系统,主要用于对利用摄影测量、激光雷达遥感测量等方式采集的各种光学影像、飞行姿态、点云数据等进行高精度的几何处理,通过图像识别、人工智能等多维可视化技术,结合电力通信线路及其通道走廊的特点,实现对电力通信光缆线路及其通道走廊的缺陷分析、隐患排查以及故障定位等,确保电力设备的稳定运行[9]。
    3各类巡线无人机的特点
    巡线用无人机主要分为固定翼无人机、多旋翼机、无人直升机三类机型。机型不同,其各自的巡线特点也不相同。
    (1)固定翼无人机
    固定翼无人机的飞行速度比较快,达到100 km -200km/h,并且续航时间长,适合进行大面积、大范围、长距离巡检,用来巡检线路的总体状况。巡线的时候间隔拍照,反应快速,而且机动性强。手动或全自主飞行,过程无需人员干预。固定翼无人机不能悬停,沿线路进行单方向快速巡检。不适合用于精细化巡检。一般置于线路的正上方,以俯视的角度巡线拍摄。也可根据实际需要降低巡线速度和高度,沿线路做低空慢速巡检。另外,固定翼无人机载重量大,能够搭载更多的巡检设备,这是其相对于其他类型巡线无人机的优势。
    (2)多旋翼机
    多旋翼无人机按照旋翼轴数量的不同,可分为四旋翼、六旋翼和八旋翼机型。多旋翼无人机结构紧凑、重量轻,机动性强,方便单人携带,能够很容易实现定点起飞、定点降落、空中悬停等。其飞行速度较慢,而且续航时间极短,只能作短距离的巡线。一般是在已确定故障段的情况下,用小型旋翼机悬停于故障段,作低速、定点的细节观察。
    小型旋翼机机体较小,巡线时不会占用航道。巡线的实时性高,实行高精度控制,并实时获取目标高清图像。设备易于检测、维修与训练。可快速更换易损件、备用动力电池组合;可快速充电,保障持续飞行。具有车载大范围机动和个人携带能力,并且使用方便,培训简单。
    多旋翼机巡线也存在着以下的缺陷:
    由于飞机动力小,重量轻,无法抵御3级以上风力。一般在风力小于3级,天气晴朗的时候飞行和拍摄,效果非常好,一旦风力大于3级,则会对无人机的飞行造成很大的影响。大雾天气无法飞行拍摄,主要问题是照片模糊不清,无法操控飞机。无防雨雪功能,电源、电机与通信摄像电路没有进行防水处理,雨天气无法飞行。微光、逆光拍摄效果差,当光线不足或者逆光情况下,拍摄效果不理想,无法定焦。飞行遥控手柄在低于零度后,无法充电。
    (3)无人直升机
    与固定翼无人机相比,无人直升机能够定点起飞、降落,空中悬停,但是飞行速度不如固定翼无人机,大多数在lOOkm/h以内,且续航时间也较短,不适合用于长距离巡线。和小型旋翼机相比,其最大的优势是载重更大,巡线时可以搭载更多的检测设备,取得更全面的巡检效果,但是价格比小型旋翼机要高。一般用来进行中、短距离的巡线或者对已确定的故障段进行悬停式细节检测。
    (4)无人机巡线组合
    利用无人机进行架空线路的巡线,建议使用固定翼无人机搭配无人直升机的方式或固定翼无人机搭配小型旋翼机的方式进行。固定翼无人机用于定期的长距离巡检线路的总体情况,无人直升机和小型旋翼机在已确定故障段的情况下,进行更加接近线路的悬停式检测,仔细、全面地观察线路细节。这样的配置方式有利于合理利用无人机资源,实现机型的互补使用,同时也使巡线更加全面、精确,减少了巡线时的遗漏。
    通过上述对三类无人机机型的比较分析,结合巡线的实际需求,对于用于开展电力通信光缆巡线作业的无人机的机型选择提出了优化的方案,使用固定翼无人机同无人直升机搭配,或者使用固定翼无人机同多旋翼无人机搭配的形式,是能够实现全方位巡检要求的比较理想的巡检方式。
    固定翼无人机飞行速度较快,续航能力强,负载能力强,可携带多种功能设备,做自主飞行和手动控制飞行,但是不能保持空中悬停,且对起飞降落的场地要求高,不适合近距离巡检特定目标,多用于对线路进行快速的长距离的巡检,以及对线路通道和周围环境总体情况进行查勘。直升机或多旋翼无人机结构相对简单,操作灵活,使用和维护成本低,具有丰富的飞行模式,对起降场地要求低,可针对特定目标做悬停围绕观测,但其飞行速度较慢,续航能力差,负载能力较差,多用于近距离的精细化巡检作业以及对故障塔段进行抵近飞行的特种作业任务,利用旋翼机具备的空中悬停的优势对线路的细节进行精细化巡视。
    采用混合巡检的方式可以做到各种机型的优势互补,有利于更好的配置无人机资源,使巡检更为经济高效,更大程度上发挥无人机的作用,同时也能满足精细化巡线的现实需要[10][11]。
     现阶段凭借着机动灵活的巡线特点以及低廉的价格,小型旋翼无人机日益成为现阶段最值得推广的机型。另外一点,由于无人机直升机在巡检作业时存在视觉盲区导致塔段弃飞问题较突出,旋翼机恰恰弥补了直升机巡检作业时的缺点,采用无人机直升机与多旋翼无人机相结合的形式,可实现对巡检作业区域的全覆盖,从而逐步替代人工作业,降低作业风险。
    4展望
    目前无人机巡线系统仍存在着不足之处,预计将来无人机在线路巡检的发展方向包括:
    (1)发展高载重无人机
    目前的无人机只是作为一个载体.通过搭载视频设备来实现巡线功能。但是受到自重及动力影响,所搭载的设备重量受到限制。为了更好的完成无人飞机巡检系统,发展高载重无人机系统是未来工作的重要发展方向。
    (2)发展长航时无人机
    无人机需要搭载巡检设备以及电池、燃料,一般持续飞行行时间不会太长。对于超长距离的线路巡检有一定的制约,影响了线路巡检的效率。因此,发展长航时无人机是提高巡线效率的有效途径,是一个重要的发展方向。
    (3)发展高海拔无人机
    高海拔无人机高海拔地区要完成线路巡检还存在一定的难度,因此发展高海拔无人机是一个重要的发展方向。
    (4)发展高智能、易操纵的无人机
    随着无人机在巡线的广泛应用,对于无人机的巡线任务有了更高要求。这就要求无人机在智能化、易操作上有进步的突破,发展高智能化程度高、易操纵的无人机将是未来一个重要的发展方向[12]。
    无人机巡线具有广阔的应用前景,利用无人机这一先进载体,逐步替代人工作业,成为像经纬仪、测温仪等一样的标配工具为电力巡检行业服务,最终形成以无人机巡视为主,人工巡视为辅的理念。
    参考文献
    [1]涂洁,冯智慧,梁文勇,等.小型无人机在电力线路巡检中的应用分析[J].电气时代,2016(11):75-77.
    [2]文立钢,史广宾.浅谈无人机在输电线路巡视方面的应用[J].电子世界,2016(09):170,172.
    [3]王英勋,蔡志浩.无人机的自主飞行控制[J].航空制造技术,2009(08).
    [4]袁克非.组合导航系统多源信息融合关键技术研究[博士学位论文].哈尔滨工程大学,2012.
    [5]赵建青,姚瑶,邱玩辉,等.基于输电线路在线巡视系统的智能预警系统研究[J].电力系统保护与控制,2013,41(23):49-54.
    [6]钱一民.基于OPGW光纤通信的输电线路在线巡视与监测新技术研究[D].武汉:华中科技大学,2013.
    [7]李栋.基于无人机视觉的输电线路安全距离巡检系统研究[D].南宁:广西大学,2016.
    [8]吴波涛,张煌,李凌霄.基于多旋冀单镜头无人机的三维建模技术[J].长江科学院院报2016,33(11):99-115.
    [9]金显洋,曲以春,张坤鹏.基于倾斜摄影重叠度设置的三维建模精度分析[J].测绘2016,39(5):199-208.
    [10]陈晓兵,马玉林.徐祖舰.无人飞机输电线路巡线技术探讨[J].南方电网技术,2008,2(6):57-60.
    [11]李力.无人机输电线路巡线技术及其应用研究[D].长沙:长沙理工大学,2012.
    [12]郝振海.组合传感器仪表关键技术研究[博士学位论文].南京航空航天大学,2010.





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