无人机电力巡线系统方案

无人机输电巡线系统实施方案
深圳市大疆联创科技有限公司
二零一六年三月
1、概述
随着输电高压等级的不断提高，输电线路的巡线作业对维护区域油网的安全、稳定、高效运行越来越重要，也是油网运行的当务之急。

输电线路跨区域分布，点多面广，所处地形复杂，自然环境恶劣，输电线路设备长期暴露在野外，受到持续的机械张力、雷击闪络、材料老化、覆冰以及人为因素的影响而产生倒塔、断股、磨损、腐蚀、舞动等现象，这些情况必须及时得到修复或更换。

绝缘子还存在被雷击损伤、树木生长引起高压放油以及绝缘劣化而导致输电线路事故，杆塔存在被偷盗等意外事件，必须及时处理。

传统的人工巡线方法不仅工作量大而且条件艰苦，特别是对山区和跨越大江大河的输电线路的巡查，以及在冰灾、水灾、地震、滑坡、夜晚期间巡线检查，所花时间长、人力成本高、困难大，某些线路区域和某些巡检项目人工巡查方法目前还难以完成。

无人机（unmanned aerial vehicle,UAV）是一种先进的无人驾驶自行飞行器。

无人机输电巡线系统是一个复杂的集航空、输电、电力、气象、遥测遥感、通信、地理信息（GIS）、图像识别、信息处理的一体系统，涉及飞行控制技术、机体稳定控制技术、数据链通讯技术、现代导航技术、机载遥测遥感技术、快速对焦摄像技术以及故障诊断等多个高尖技术领域。

现代无人机具备高空、远距离、快速、自行作业的能力，可以穿越高山、河流对输电线路进行快速巡线，对架空线的铁塔、支架、导线、绝缘子、防震锤、耐张线夹、悬垂线夹等进行全光谱的快速摄像和故障监测。

基于无人机输电巡线采集数据的专业分析，为油网管理和维护提供数据支持。

无人机作业可以大大提高输电维护和检修的速度和效率，使许多工作能在完全带油的环境下迅速完成。

无人机作业还能使作业范围迅速扩大，而且不为污泥和雪地所困扰。

因此，无人机巡线方式无疑是一种安全、快速、高效、前途广阔的巡线方式。

在国外，机载遥感仪器巡线的试验研究工作最早的开始约在70年代初期，在不断改进后，每个被检出的故障耗资逐年递减，到1987年时耗资已为初始的一半还略低。

对接头检出结果分为四种情况，有微温、温、热和异常热，报告维
修工程师，根据天气、负荷来确定检修的先后顺序。

我国的一些输电系统，也都进行了红外航测线路的试验研究，探索出不少经验，已取得一定成果。

根据国情而进行的地面检测研究，也正在有效地推进中。

无人机巡线工作是一种大量野外作业过程。

用无人机进行低空巡线，是一种高效的巡线过程。

它不仅能把部分野外的巡线作业转移到室内来做，还能把肉眼所难以发现的、处于萌芽状态的隐患（如：温度升高，轻微放油等）通过红外、紫外成像显现出来。

为了提高低空巡线作业效率，整个作业过程可分为二步进行：
长距离线路普查
短距离线路详查
前者主要是利用红外、紫外和可见光遥感设备检查线路有否异常点，后者则利用飞行器在异常点上空多个角度的倾斜摄影，以便管理部门做出决策。

2、无人机巡线系统
无人机输电巡线系统主要由五部分组成：
低空、低速、长航行距离、长航行时间的先进无人机平台系统
包含红外、可见光至紫外的全谱段的实时遥感系统
微型气象数据采集平台
陀螺稳定平台
信息处理系统
2.1无人机平台
该方案的无人机平台包括1架DJLC-70型长航时无人机、1架DJLC-65型多用途无人机。

其中无人机的组成如图1所示：主要包括无人机机体、机载导航飞控系统、机载燃料电池、机载通讯设备等。

图2DJLC-70型无人机实拍图
图3DJLC-65型无人机实拍图
2.1.1无人机技术参数：
无人机主要技术参数（按需方
DJLC-65DJLC-70要求，可调整）
起飞重量：27Kg15Kg
最大飞行速度：110km/h60km/h
巡航速度：65km～100km/h40km/h
飞行高度：100-5000m100-8000m
航行距离：400km200km
航行时间：≥4h≥3h
翼展：3m 2.4m
机长： 2.4m 2.4m
控制半径：150m150m
任务载荷能力：≤3kg≤3kg 2.1.2无人机巡线的主要性能
（1）飞行控制距离
由于高压输电线路长度一般在100KM，距离公路30KM内，因此要求飞行控制距离在100KM以上。

DJLC-65与DJLC-70型无人机的航行范围均在200KM，而测控范围在高度大于2km，无地物遮挡的情况下，可以达到180km以上。

在控制距离范围内，地面控制系统可以通过数据链对无人进行遥控，传递监测数据、气象数据和视频。

（2）起飞条件
当起降的风速在每秒10米以下，风向夹角小于30°，环境温度在－40℃～+ 50℃范围内均能起飞。

DJLC-65型无人机采用垂直起降，固定翼巡航。

DJLC-70型无人机，一键起飞，可全自主起飞和降落。

（3）飞行高度
飞行高度高于导线100M，DJLC-65型升限为5000M海高，DJLC-70型升限为6600M海高。

（4）飞行导航
无人机根据输电线路的地理信息（GIS），具备GPS自主线路导航控制功能，使一条线路的巡线作业小于4个小时。

（5）机体稳定飞行控制
无人机飞行稳定，采用自稳定能力的摄像云台，可以选择安装CCD彩色摄像机、红外热像仪、紫外成像仪等摄像设备，具备摄像设备的自动控制摄像功能，便于拍摄地面线路杆塔的高分辨率航空图像。

（6）自动驾驶系统
飞机以程控方式飞行为主；地面站并能够实时接收无人机飞行信息，发出飞控指令，能对无人机实施安全可靠的实时操作控制。

（6）线路杆塔自动跟踪识别及快速对焦成像技术
采用线路杆塔自动跟踪识别技术和快速对焦拍摄技术，可生成高清晰的地面杆塔、线路、绝缘子、金具、树林等可见、红外图像。

2.2全谱段的实时遥测遥感系统
2.2.1可见光成像设备
可见光摄像机工作在白天，在搜索状态下，可见光摄像机工作在短焦距状态，此时，可见光摄像机具有大的观测视场，低的空间分辨率，实现对大型目标和场景的监控，一旦发现状况，需要详细分析可疑目标时，对光学系统进行变焦，缩小观测视场，放大可疑目标，对目标的细节进行进一步分析。

其主要性能指标如下所示：
1.有效像素：1920(H) 1080(V)
2.帧率：60fps ；
3.
视场：小视场：0.8°×0.6°；
大视场：2.86°×2.15°；
4.靶面尺寸：7.16mm×
5.44mm 5.像素尺寸：4.40m μ×4.40m μ
6.
接口：Camera Link
规格(PlCL)
2.2.2红外热成像仪
红外巡检的方法和步骤：测定全部输电线路的温度显示，判断有无异常过热，如有异常过热区域，要进行温度测定，实施其他判断方法，对异常作最终确认肯定，对异常部位进行分解检测。

其性能参数如下表1所示：
图像性能
传感器类型640×340像素，非制冷焦平面阵列，微热量型波长范围7.5-13μm
视场角(FOV）小视场2°×1.5°大视场8°×6°接口特性
燃料电池12V DC
功耗3W
视频输出PAL复合视频信号
环境参数
操作温度-32℃到+55℃
存储温度-50℃到+65℃
湿度0%-95%
封装IP66（包含镜头密封组件）
抗沙/尘Mil-Std-810E
抗冲击Mil-Std-810E
抗震动Mil-Std-810E
物理特性
重量（kg）0.3kg（不含镜头），0.5kg（含50mm镜头）
尺寸（mm）
116×62×62（不含镜头），166×62×62（含50mm镜头）
表1红外热成像仪性能参数
2.2.3高分辨率航空数码相机
高分辨率航空数码相机是获得高清晰输电网线影像的主要遥感设备，按不同的需求，可以获得彩色/全色、立体（三维）/二维的地面影像。

数码航空相机的主要性能规格如下表2所示：
序号名称性能指标与参数单位
1光学参数a.焦距f’50mm
b.相对孔径f/4.5
c.视场角FOV76(°)
d.最大畸变＜15μm
2光谱段范围0.485-1.10μm 3CCD器件象元数7216*5412
4CCD器件象元大小 6.8*6.8μm 5感光面积49*36.8mm 6积分时间最大30秒最小由快门速度决定mS 7信噪比SNR50dB 8彩色采样深度16BIT
8
最大采样速率24M Hz/
channel
9读出时间约1.8秒
10
调制传递函数MTF
(在55LP/mm空间频率处)光学系统:0.58相机系统:0.3
11地面幅宽（见表3）m 12地面象元分辨率δL（见表3）m 13地面（摄影）分辨率（见表3）m 14摄影间隔（见表4）秒15无故障时间>2年
表2航空数码相机性能参数
摄影高度（m）比例尺地面幅宽(m×m)地面象元
分辨率(m)
地面（摄影）
分辨率(m)*
5001/10000490*3680.0680.15 10001/20000980*7360.1360.25
表3航空数码测量相机摄影的地面效果
*：中对比K=2时
摄影高
度（m）
飞行速度（km/h）像移速度（mm/s）摄影间隔(s)*
500120 3.3312.16 250 6.94 5.84 60016.66 2.43 100027.78 1.46** 130036.11 1.12**
1000120 1.6724.32 250 3.4711.68 6008.33 4.86 100013.89 2.92 130018.06 2.24
表4航空数码测量相机摄影的像移与摄影间隔
*：摄影间隔指在重迭率为10%时；
**：摄影间隔小于1.8秒时，不能连续摄影。

2.2.4紫外成像仪器
在高压油网放油时，根据油场强度的不同，会产生油晕、闪络或油弧。

在放油过程中，空气中的油子不断获得和释放能量，而当油子释放能量（即放油），便会放出紫外线。

紫外成像技术就是利用这个原理，接收设备放油时产生的紫外讯号，经处理后与可见光影像重叠，显示在仪器的屏幕上，达到确定油晕的位置和强度的目的，从而为进一步评估油网的运行情况提供更可靠的依据。

在日光下，远距离检测油晕及油气放油现象，为尽早发现、监控运行油网的潜在故障提供了一种有效的检测手段，得到世界各国的广泛应用。

紫外成像仪性能特点
可以在白天、日光下(包括在强烈的阳光下)操作
含油池的重量亦只有2.3公斤，携带极为方便
手持式外型设计，单手可完成操作
具有两种操作模式，集成模式可更准确的找出放油位置
油晕光子活动的数量显示
手动或全自动紫外图像及可见光图像聚焦功能
紫外图像及可见光图像同步变焦功能
PC卡储存图像，备有视频输出接口
报警功能
语音功能
透过PC卡作软件升级
新增感光度特强的可见光传感器，在光线不好的环境下也能如常进行检测
可透过专用远程控制器作间接远程操控
GPS全球定位系统坐标显示
性能参数表
视场角：8°水平;6°垂直功耗：17Watt：7.2V，2.5A
可见光感光度：3Lux；可选0.7Lux油池：7.2V，30Wh可充油式锂油油池
变焦：光学×20；数字×12一般工作时间：90分钟
(0.7Lux的感光器：光学×18；数字×12)外接燃料电池：9-16V，17VA
视频输出格式：NTSC/PAL燃料电池转接器：110-240VAC，50-60Hz/12VDC3A
聚焦范围：2米到无穷远重量:成像仪：2.3Kg，含油池
数据储存：Compact Flash卡尺寸:长度302mm;高度165mm;宽度125mm;
图像格式：jpg操作温度范围：-15ºC to50ºC
声音格式：wav储存温度范围：-25ºC to60ºC
容量：512幅图片（每16MB容量）湿度：90%，非凝结式
数据下载：读卡器或USB封装：IP55
影像储存：RCA及S-Video作视频输出报警：透过声音输出，LED及辅助输出口
声音：备有耳机输出，麦克风输入
750kv线路导线放油变油站内导线放油变油站内悬置瓷瓶伞群放油
从200米远的距离观察750KV高压输电
35KV复合开关套管根部放油
绝缘棒放油
线上的油晕放油情况
220kv支柱绝缘子底部放油220kv支柱绝缘子上部法兰处放油
2.3陀螺稳定吊仓
该平台采用的光电吊仓，其实拍图如下图4所示：
图4吊舱实拍图
其主要技术指标如下：
1、回转精度±0.05°；
2、稳定性能：50μrad；
3、重量：≤2Kg；
4、尺寸：300×200mm；
5、转动角度：n×360°；
6、最大转动速度：60°/sec；
7、最大转动加速度：60°/sec2；
8、工作温度：-15℃~+55℃；
9、湿度：0~95%；
10、功率：60W
11、输入油压：18~36V DC
12、方位精度：≤0.1mrad；
13、俯仰精度：≤0.1mrad。

其可实现的功能如下:
1.通过稳瞄转塔实现惯性稳定，保持无人机在机动飞行、机体振动和其它干扰
情况下稳定巡查、跟踪等功能；
2.光电吊舱光机系统为方位、俯仰两轴结构，红外热像仪和可见光相机采用模
块化，针对不同应用时，可自由更换；
3.光电吊舱机载操控系统接收计算机发出的操作指令后，可以执行包括手动搜
索、自动跟踪，红外热像仪与可见光CCD摄像机的操作控制指令，伺服系统的关停，以及无线传输等在内的控制指令；
4.伺服控制系统接收地面站无线传输的开机命令后，自动完成系统的加油、自
检和开机（或关机），根据控制命令实时地对目标进行手动搜索和自动跟踪，把目标图像信息实时地传送给地面站监视器；
5.具有运行安全保障系统和报警装置，包括断油位置锁定和故障诊断；
2.4微型气象站
采集输电线路走廊内的主要气象数据。

2.5信息处理系统
信息处理系统主要由飞行控制系统、任务生成系统、信息传输系统、数据采集系统、数据分析系统以及数据库等组成。

2.5.1飞行控制系统
通过数传油台、海事卫星等对无人机实现必要的遥控。

2.5.2任务生成系统
根据输电线路的位置坐标和地理信息系统(GIS)软件生成数字航图，结合具体的巡线任务要求生成任务目标。

2.5.3信息传输系统
信息传输系统负责无人机和地面控制中心的控制指令、数据以及图像信息的传送。

2.5.4数据采集系统
采集输电线路走廊的气象数据、输电线路的可见光图像、红外图像、紫外图像、数码照片以及数据的方位坐标。

2.5.5数据分析系统
在初步检测阶段，对每个故障分析单元的单幅图像进行分析处理，寻找疑似故障点，并计算该点(区域)的故障特征值，然后拼接当前故障分析单元的可见光和红外、紫外全景图，并利用拼接过程中各疑似故障点的SIFT特征描述符去除重复的疑似故障点。

在故障判决阶段，对初步检测到的疑似故障点，根据故障判决数据库中相应故障类型各个级别的阈值进行判决。

若该类型故障有历史数据判决规则，则根据历史数据判决规则。

对于重大缺陷及以上级别的故障，进行人工辅助判决，以保证判决的准确性。

最后将判决得到的故障点信息存储在故障信息数据库。

在各故障分析单元的可见光全景图上标示出杆塔信息(编号、GPS信息等)、故障点信息(故障类型、故障级别等)，与故障信息一起存为单个单元的检测报告。

检测报告由故障信息数据和故障单元全景图组成。

在各单元的疑似故障点判决完成后，综合各单元的检测报告生成报表。

2.5.6数据库
图像采集记录：包括巡检任务日期、红外图像可见光图像、检测报告全景图像、杆塔等。

线路故障信息数据库：用于记录故障历史信息，用户管理数据库提供软件的使用权限控制。

信息管理：该模块的功能分为3个部分：
（1）故障信息查询功能。

使用原始信息的组织结构(如检测时间、线路号、杆塔号)及故障类型(如线缆间距故障、绝缘子故障)作为关键字，对故障信息进行查询。

（2）预设数据库修改功能。

在线路结构发生变化时(如增加线路)更新线路信息数据库，或根据线路实际情况修改判决标准数据库。

（3）用户权限管理功能。

提供信息访问的权限控制。

低空巡检系统信息处理软件能实现了对采集图像的高效分析处理，能够生成可视化检测报告和对线路故障信息进行查询、修改，为巡检系统产生的大量数据提供了可行的自动化处理方案。

3．技术方案
3.1任务载荷安装
光电巡查吊舱安装于无人机机舱外部。

机上设备包括：光电巡查吊舱、GPS接收机及天线、机载视频记录器、视频发射机及天线、油视巡查数控接收机及天线、机载燃料电池等。

地面设备包括：视频接收机及天线、油视巡查数控发射机及天线、巡查控制台、视频处理分析计算机等。

3.2输电供应
DJLC-65型无人机自身配有燃料电池进行供电。

DJLC-70型无人机配有氢燃料电池进行供电。

3.3地面控制站
3.3.1指挥中心
指挥中心用于对机载设备和地面设备的工作状态、测控信息和信息数据进行管理和监控。

无论DJLC-65或是DJLC-70型无人机，其地面控制站是一体的。

如图6所示：
图6地面设备系统图
3.3.1.1配套设备
配套设备主要包括检测设备和经纬仪等，完成系统地面站定位及检验。

通过数传链路实现对无人机飞行控制，通过遥测线路接收来自空中无人机任务系统下传的信息。

将以上信息进行处理、储存、分发给指挥所。

3.3.1.2系统对外接口
外部接口包括系统与其他系统的关系，地面设备接口通过专用接口接入地域网和综合数字业务网，和指挥系统互通互联。

3.3.1.3结构组成和布局
机柜设备为4个标准19英寸机柜，从左到右顺序排列，依次为飞行控制柜II、飞行控制柜I、跟踪控制柜及任务导航柜。

3.3.2机动测控站
主要包括指控车、GPS地面站子系统、数传系统、地面遥测接收站、数据处理及航迹显示计算机等。

其车内布局如图8所示：
图7机动测控车内实拍图
◆主要技术指标如下：
✧处理空中目标数30个
✧作用距离100km（全向）/200km（径向）
✧数据更新率1～5Hz
✧连续工作时间≥10h
✧工作环境温度-30～+70℃
✧工作油压AC220V±10%
✧MTBF≥300h
✧MTTF≤0.5h
3.3.3单收设备
单收设备为便携式接收设备，包括简易数传接收设备、简易遥测信息接收设备、数据实时显示处理设备、便携式燃料电池等。

图8单收设备
3.3.4检测维修车
检测维修车包括车体、一级检测设备、二级监测设备、气源装置和有关保障系统、设备和工具等组成。

图9检测维修车实拍图
3.5.3.1一级测试设备安装在机柜内，具有-40～+60℃的扩展温度范围，配置如
下：
模拟量信号采集卡：32路12位模拟量输入，采样速率100K/S；
开关量输入输出卡：144路开关量，输入/输出软件可选；
现场总线控制卡：8路串行通信口，通信速率、接口类型可选；
C3I数据通信接口卡：具有能与C3I系统进行数据通信的接口。

3.5.3.2二级监测设备包括仿测仪、飞控计算机检测设备等，具有0～+60℃的工
作温度范围，配置如下：
模拟量输出卡：12路12位模拟量输出，输出量范围软件可选；
开关量输入输出卡：144路开关量，输入/输出软件可选；
串行通信卡：8路串行通信口，通信速率、接口类型可选。

3.5.3.3气源装置在-30ºC到+50ºC的野外无燃料电池、无水源的地区能够正常工
作，并能输出洁净压缩空气
3.5.3.4配有雅马哈EF6600E汽油发油机一台，提供220V、5KW的交流燃料电池。

3.3.5飞机运输车
运输车的主要功能是用来运输无人机，也可兼作无人机回收车，在无人机执行任务后从降落地点装运无人机。

图9运输车
3.3.6油气接口
改造后的无人机为自身和侦测设备提供输电供应，无人机的飞参数据通过高速数传信道，向地面数据处理提供实时数据。

空中部分
控制指令数据传输设备工作频率为230MHZ，发射功率≤2w。

地面部分
无人机地面站可通过网口与指控中心相连，10/100M自适应，提供飞航信息等。

指控中心为无人机测控站提供1路语音信号。

3.3.7信息交换内容及格式
GPS引导信息：无人机地面站可通过局域网向指控中心和二级指控站实时传输，传输协议采用UDP/IP，数据格式见附表2、表3。

深圳市大疆联创科技有限公司第20页共21页巡查控制台控制指令包括：
✧油视巡查摄像头俯仰、方位搜索
✧视场变换（连续变焦）
✧锁定跟踪
✧解除跟踪
视频处理分析系统输出信息：视频画面叠加载机高度、速度、经度、纬度、时间等信息。