基于四旋翼无人机的输电线路巡检系统研究_王振华

收稿日期：2012-07-10

基金项目：国家自然科学基金资助项目（60674100）；博士点基金资助项目（20113218110013）；江苏省产学研联合创新资助项目

（BY2012018）

作者简介：王振华（1987—），男，江苏江阴人，硕士研究生，从事飞行控制理论、嵌入式系统开发研究。

E-mail:wzh_nuaa@

护主要依靠日常巡检及故障发生后的继电保护、稳定控制和失步解列等“三道防线”，而对电网运行的主动监测、主动防护相对落后。提前获知灾害的形成过程，主动清除各类缺陷和隐患，为“坚强”、“自愈”的智能电网安全提供了强有力

的保障。

目前输电线路的巡检手段主要为人工巡检。然而受到自然条件、巡检设备落后的制约，人工巡检存在着诸多问题。而传统的自动化巡检载体，如线路本体在线监测系统[2]、线路攀爬巡检机器人[3-4]等，因其巡检覆盖范围小，操作难度大，不利于维护等原因，正逐步退出历史舞台。随着航空工业技术的发展，飞行器巡检正逐步成为一项新的研究课题。其非接触式、快速高效、多角度全方位的巡检手段，搭配各类可见光和红外影像设备，能够全面了解输电线路的运行情况，给影像信息的获取，上述的飞行平台还不能完全满足要求。

1四旋翼无人机巡检系统

南京航空航天大学和南京工程学院组成的研

究团队，在调研输电线路短途目视巡检需求的基础上，研制了四旋翼无人机巡检系统。其飞行器本体机械结构简单，旋翼尺寸较小（潜在危害性小，运行风险低），具有重量轻、易携带、易操控、可悬停、效率高、无污染、易维护等优点，能够快速机动地执行巡检任务。

巡检系统采用编码正交频分复用（coded

orthogonal frequency division multiplexing,COFDM ）

图像传输机制[9]实时传输输电线路部件的影像信息，通过手持式或地面站式遥控设备，进行全方

第45卷

中国电

力位多角度影像资料采集，经过后期图片分析处理，为线路检修提供前期资料。该系统极大地提升了线路及通道状态管理、巡视监测、应急指挥的便利性，为输电线路的安全评估、灾前排查、事故预警、稳定预控、灾后抢修，乃至状态检修和全寿命周期管理提供全方位的信息支持。

2四旋翼无人机巡检系统设计

四旋翼无人机巡检系统分为四旋翼无人机本

体、能源与动力系统、巡检任务设备系统、遥控遥测系统以及巡检综合控制系统等部分。

2.1四旋翼无人机本体及动力组件

四旋翼无人机是一种带有4片正反桨叶的旋

翼类新型飞行器。不同于传统旋翼类直升机，其通过自身正反旋翼的气动力学特点，即可抵消飞行过程中的偏航扭矩，简化了机械结构，提高了气动效率。在给飞行器提供升力的同时，通过正反旋翼转速的调整就能够实现飞行器6自由度的运动。出色的垂直起降、定点悬停性能，快速机动、简洁便利的操作性能，使得四旋翼无人机在电网线路、森林灾情、反恐安防、城市交通等各类环境下均有着广阔的应用前景。

飞行器本体以碳纤维为主材料，动力组件包括直流无刷电机、电机调速器、9寸桨叶（见图1）。

四旋翼无人机主要指标见表1。

为使飞行器能够长航时、多航次进行巡检任务，配备了高能锂聚合物电池，高达20C 的放电性能能够充分满足电机的转速需求，满足了四旋翼无人机在大风环境下悬停稳定性和操作性要求。

2.2任务设备控制系统

任务设备控制系统主要由云台控制系统和相

机拍摄控制系统2部分组成。影像采集设备安装

四旋翼舱底。

当飞行器机动飞行，俯仰、滚转姿态变化时，云台舵机能够随飞行器姿态角输出相应转矩，维持云台角度相对地面坐标系保持固定，从而保证拍摄画面时刻聚焦于前方部件。地面人员通过云台控制装置能随时调整拍摄角度，远程进行相机调焦、对焦，并根据画面成像优劣，有选择地进行线路设备的影像拍摄。

2.3地面遥控遥测系统2.

3.1遥控系统

输电线路的短途巡检，其主要目的是采集杆塔本体、导线、绝缘子、附属金具等设备的影像信息，为检修线路缺陷和外部隐患，维护电网良好运行提供前期资料。鉴于对影像获取的特殊要求和控制系统可靠性、安全性要求，遥控系统分为手持式遥控系统和地面站遥控系统，两者互为补充、互为备份。

手持式遥控系统采用Futaba 2.4G 遥控器与接收机，系统具有较高的可靠性和抗干扰性，当周围存在相同频率的设备时，系统能够自动跳频保证遥控数据的可靠传输。遥控器通过各通道的操作将控制信号传输至机载接收机，飞控计算机完成信号的解码并实现飞行器的三维运动和云台的俯仰运动。

地面站遥控系统采用无线数传系统，地面站软件解码控制指令、绘制和生成航路点，并将信号通过RS232端口传输至数传模块地面端，进行加密、编码、调制、调频，以1W/30dBm 的功率发射，通过高增益天线保证机载端模块的数据

接收。机载端接收到的调频信号经放大、鉴频、解调、译码、解密后以串行通信将信号送至飞控计算机，以实现对飞行器远距离控制。

2.3.2遥测系统

遥测系统由机载影像传输系统和地面站遥测系统组成。遥控遥测系统图2所示。

影像传输系统由图像传输、接收模块组成，为机载至地面站单向数据链。由于可见光相机视频码率高，数据量大，容易造成传输链路拥堵，无法实时监测机载图像。因此该模块采用了

COFDM 调制技术，具有“非视距”、“绕射”传

图1四旋翼飞行器

Fig.1Quadrotor UAV

表1四旋翼无人机主要技术指标

Tab.1Specifications of quadrotor UAV

第10期图2

遥控遥测系统

Fig.2Remote control and telemeter system

王振华等：基于四旋翼无人机的输电线路巡检系统研究

输的特点，能充分适应输电线路各类环境，同时对噪声和干扰有着很好的免疫力，保证传输的可靠性。而接收端模块通过视频解码，图像分辨率可达到720×576dpi ，完全可以满足后期图像的分析、存储、编辑等具体要求。

地面站遥测系统与地面站遥控系统采用相同的物理模块，飞控计算机采集飞行器各类飞行数据，包括飞行姿态、飞行高度、GPS 经纬度等，将数据打包添加帧头，以串行模式通过机载端模块进行数据回传。地面站软件识别各类数据并实时显示、监测飞行姿态，绘制飞行航迹，全面了解飞行器工作情况。

2.4输电线路巡检综合控制系统2.4.1巡检方案设计

针对输电线路短途巡检的应用需求，着眼于线路、杆塔、绝缘子、金具等部件的影像采集，本系统采用自主飞行与手动控制相结合的巡检策略，如图3所示。主要实现机载影像实时显示、飞行器参数显示、航迹规划、定点悬停、远程拍摄控制等功能。

2.4.2巡检系统实施

步骤1：根据杆塔的GPS 坐标信息及周围环境情况，预设自主飞行航迹点。航路的选择根据飞行器与杆塔线路的安全距离，以及影像设备的聚焦远近综合考虑。在每个航迹点上可预设悬停时间，达到对相关部件的定点悬停拍摄。当飞行

器到达预设航迹点时，可通过控制模式切换系统进行手动控制，全面详细地进行部件的影像拍摄。

步骤2：根据地面图像监测系统实时显示机载图像，判断飞行器的拍摄角度及图像优劣。配合地面飞行器参数显示，实时更新飞行器轨迹。地面操控人员以拍摄图像为参考，确定当前飞行器航迹点选取是否合适。记录并设置更优化的航迹点以及飞行器的GPS 三维坐标、姿态角度、云台俯仰角度等信息，以备飞行器下一个航次巡检之用。

经过上述巡检步骤，飞行器能够更加准确地飞抵目标区域，为高质量影像获取提供保障。此外本巡检系统还具有以下功能：（1）低电压保护。

飞控计算机实时采集动力电池电压信息，当电压低至预设安全电压时，地面控制系统提示并发送指令使飞行器进行自动返航，避免因动力不足而导致事故。（2）失控保护。因意外原因导致飞行器无法接收地面操控信号时，飞行器将自主返航降落。（3）图像接收及存储。地面图像监测系统能实时显示并存储机载视频，为后期分析处理提供资料。（4）航迹保存与导出。根据上一次巡检效果的优劣，有选择性地保存航迹点和航路信息，作为下一次巡检的主要参考。（5）防碰撞预警。飞行器上安装防碰撞预警装置，利用电磁感应和超声波测距装置，实时监测飞行器外部环境障碍。当飞行器离线路、杆塔过近时进行高亮度LED 报警提示，飞控计算机发送控制参数，悬停并等待后续操纵。

3成果应用

四旋翼无人机巡检系统主要应用于输电线路

短途目视巡检，充分利用四旋翼无人机出色的悬停性能和方便的操作性能，对线路关键设备进行空中航拍，采集影像资料，如图4所示。

图3巡检系统方案

Fig.3Outline of inspection system

图4

机载影像拍摄效果

Fig.4Airborne image