摘要：為滿足配電網(wǎng)架空線路巡檢應(yīng)用需求，提出了基于小型無人直升機平臺的配網(wǎng)架空線路綜合巡檢技術(shù)。提出無人機綜合巡檢平臺的構(gòu)建方法，研究確定無人機搭載的可見光、紅外、紫外及超聲波傳感器、特高頻傳感器等綜合巡檢模塊的配置要求。測試結(jié)果表明，無人機巡檢系統(tǒng)的適應(yīng)環(huán)境溫度為–20~45 ℃，最高海拔高度為2 000 m，抗風能力為7 m/s;懸停控制精度的垂直方向為±0.5 m、水平方向為±1.0 m，能精確定點近距離巡檢桿塔。對于可見光傳感器，有效像素數(shù)為1 200萬，具備變焦和自動對焦功能;對于紅外傳感器，有效像素數(shù)為30萬，具備自動對焦功能。提出的小型無人直升機綜合巡檢技術(shù)可應(yīng)用在配網(wǎng)架空線路巡視和檢測，以提升配網(wǎng)線路巡檢的自動化和智能化水平。

關(guān)鍵詞：配網(wǎng)架空輸電線路 無人機綜合巡檢 傳感模塊 環(huán)境適應(yīng)性 巡檢功能

本文轉(zhuǎn)載自《中國電力》雜志 2018年 51卷 1期

引言

近年來，隨著遙感、自動控制、信息處理、圖像識別等新技術(shù)快速發(fā)展，無人機技術(shù)在鐵路、交通物流、農(nóng)業(yè)植保、石油化工等行業(yè)獲得了廣泛應(yīng)用[1-2]。與此同時，電力行業(yè)也在不斷探索無人機巡檢技術(shù)研究和應(yīng)用[3-6]。

國家電網(wǎng)公司自2011年開始探索“直升機、無人機和人工協(xié)同巡檢”應(yīng)用。2013年年初，在公司系統(tǒng)內(nèi)選取10個省(地市級公司)開始為期3年的協(xié)同巡檢試點應(yīng)用工作。2016年至今，正在開展無人機巡檢推廣應(yīng)用[7-8]。

總體而言，配電網(wǎng)設(shè)備運維效率和技術(shù)水平不足，配電網(wǎng)設(shè)備停電試驗項目很少，日常巡視是主要的設(shè)備狀態(tài)管控手段[9-10]，運維人員對于有效且高效的巡檢手段需求較為迫切。目前，搭載可見光、紅外、紫外傳感器等檢測設(shè)備的無人機巡檢系統(tǒng)已應(yīng)用于主網(wǎng)輸電線路設(shè)備本體、附屬設(shè)施和通道環(huán)境巡視檢查和檢測工作。在配電網(wǎng)線路巡檢方面，由于配電網(wǎng)設(shè)備和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、鄰近人口密集用戶區(qū)等影響因素制約，基于無人機巡檢技術(shù)在配電網(wǎng)架空線路中的應(yīng)用還未見相關(guān)報導(dǎo)。

1 無人機綜合巡檢平臺構(gòu)建

1.1 無人機選型

目前應(yīng)用于電網(wǎng)巡檢的無人機按照平臺進行分類，主要包括固定翼無人機、大中小型無人直升機(多為電動多旋翼)。固定翼無人機具有飛行速度快(大多數(shù)在100~200 km/h)、續(xù)航時間較長、作業(yè)范圍廣等優(yōu)勢，缺點是無法進行定點懸停觀測、照相，起降條件要求較高。目前成熟可靠的大、中型無人直升機產(chǎn)品較少，應(yīng)用的比較多的是美國Copterworks公司生產(chǎn)的AF25b型直升機，該機動力為雙缸汽油發(fā)動機，起飛質(zhì)量32 kg，載荷11 kg，續(xù)航時間約1 h;相對于電動多旋翼無人機，該機優(yōu)點是載荷大、續(xù)航時間長，缺點是維護操作較復(fù)雜且攜帶不方便。電動多旋翼無人機集成技術(shù)難度較低，國內(nèi)生產(chǎn)廠家較多，具有成本低、便攜性好、集成度高、維護保養(yǎng)簡單等優(yōu)勢，缺點是載荷小、巡航時間短。

由于配網(wǎng)系統(tǒng)具有設(shè)備眾多、設(shè)備間距較小、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、經(jīng)過地區(qū)多為城鎮(zhèn)人口密集地區(qū)等特點，應(yīng)用于配網(wǎng)線路無人機巡檢系統(tǒng)應(yīng)滿足如下要求：(1)經(jīng)常在人口密集區(qū)作業(yè)，情況復(fù)雜，因此要求配網(wǎng)無人機巡檢系統(tǒng)有很高的可靠性，機體尺寸較小、起降方便、墜機風險較低;(2)一般都在公路通達的巡檢點附近，因此大都要求目視控制飛行，對于測控距離要求較低，一般2 km距離足夠，單次作業(yè)時間也不會太長，一般≤30 min;(3)巡檢方式多樣性，要求能夠搭載可見光、紅外光觀測能力，特殊條件下能夠開展紫外、超聲波、特高頻傳感器等多種巡檢設(shè)備;(4)較強的環(huán)境適應(yīng)性，攜帶方便，便于作業(yè)迅速展開。

因此，綜合以上分析建議選擇小型無人直升機(以下簡稱為無人機)開展配網(wǎng)架空線路無人機綜合巡檢作業(yè)。

1.2 無人機結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

(1)無人機殼體設(shè)計。由于配電網(wǎng)無人機巡檢工作環(huán)境變化較大，并且可能碰到比較惡劣的天氣，則需研究無人機殼體的非常規(guī)空氣動力學(xué)特性，且從一定程度上保證無人機的性能、操縱性和穩(wěn)定性，設(shè)計出具有一定流線型的無人機外殼，如圖1所示。主殼體具有較好的流線型，在飛行過程中阻力更小，所需動力就更小，在相同電池容量的情況下，續(xù)航時間更長。

(2)無人機云臺設(shè)計。電動多旋翼無人機用來搭載任務(wù)設(shè)備的主要是云臺，設(shè)計了三軸增穩(wěn)云臺，如圖2所示，用于在無人機自主飛行、低空作業(yè)的同時，保證數(shù)字航空影像的拍攝質(zhì)量。云臺搭載的載荷設(shè)計采用插拔式連接方式，安裝拆卸方便，便于操作。設(shè)計的云臺可以實現(xiàn)至少水平和俯仰2個方向的轉(zhuǎn)動性能。

(3)無人機懸臂設(shè)計。電動多旋翼無人機的運動和簡單結(jié)構(gòu)都依賴于螺旋槳及時的速度改變，以調(diào)整力和力矩，設(shè)計無人機懸臂如圖3所示。

1.3 無人機平臺結(jié)構(gòu)仿真分析

懸臂結(jié)構(gòu)是支撐云臺、任務(wù)設(shè)備及整個機架的關(guān)鍵部位，必須保證其良好的結(jié)構(gòu)強度。為驗證懸壁結(jié)構(gòu)在懸停工作狀態(tài)下的變形情況，采用ANSYS有限元軟件對懸壁結(jié)構(gòu)進行分析。工作狀態(tài)應(yīng)力分布如圖4所示，無人機旋翼的流體分析、定速分析分別如圖5和圖6所示。

由圖4~圖6可知：(1)懸臂工作狀態(tài)時，應(yīng)力分布均勻，應(yīng)力最大值為20.125 N/mm，應(yīng)力值滿足空氣動力學(xué)特性;(2)螺旋槳在工作轉(zhuǎn)速的狀態(tài)下，流場分布均勻，飛行良好;(3)螺旋槳處于懸停的狀態(tài)下，槳尖部位空氣流速最快，可達到168 m/s左右，槳葉附近空氣流動處于湍流狀態(tài)，槳葉整體飛行運動狀況良好。