适用于高海拔地区输电线路巡检的无人机测试

郑天茹 ，王滨海 ，张晶晶 ，陈西广 ，王 骞 ，刘 俍

（1.国网山东省电力公司电力科学研究院，山东 济南 250002；2.国家电网公司电力机器人技术实验室，山东 济南 250002）

0 引言

随着我国坚强智能电网及特高压输电网架的建设，电网规模日益扩大，线路长度迅速增加，巡线的工作量也日益加大。由于我国国土辽阔，地形复杂，丘陵及山区较多，气象条件复杂等因素，人工巡检劳动强度大、效率低，为保证安全和可靠地供电，无人机已作为一种运载工具，被应用在输电线路巡检中，通过搭载各种检测设备，以实现对输电线路的日常巡视，提高线路运维效率。

进入21世纪后，国内多家电力系统内单位及其他公司开始研究和尝试在低海拔地区利用无人驾驶飞机进行电力巡线，并已取得良好效果。从技术角度而言，目前无人机巡检适用于低海拔区域，且可大大提高巡检的效率和巡检质量。而无人机飞行平台于3000 m以上高海拔地区几乎无任何负载能力，甚至都无法正常起飞，因此更无法满足高海拔地区巡线要求。但高海拔地区沿线恶劣的环境给线路运行检修工作构成了巨大威胁，现有的人工巡线作业方式劳动强度大、工作条件艰苦，劳动效率低，难以满足高海拔地区输电线路运维工作的发展要求。因此，为了寻求适用于高海拔地区的安全有效的无人机巡检平台，需要对国内外现有无人机平台机型进行在高海拔地区的实地测试，通过分析实际得到的测试数据，总结各种机型用于高海拔地区巡检的优缺点，最终根据实际情况需要选择相应飞行平台［1-3］。

1 高海拔地区环境气候对无人机的影响

无人机系统是由无人机本体、地面控制站、遥控遥测、飞控导航系统组成的可进行自主或遥控飞行的无人驾驶飞机。无人机本体是无人机系统的核心部分，其他系统的设计和研制均围绕它来进行。无人机平台由以下几个主要部分组成：动力系统、传动系统、螺旋桨（或旋翼）、机身、起落系统。其中前两部分产生和传递动力的部分，第三部分是动力执行机构。在高海拔地区，含氧量低且气压低，使得动力系统入气量降低，燃烧不充分，导致动力系统动力输出大大降低。此外，高海拔地区空气稀薄，相比低海拔地区，螺旋桨在同等转速下的推力会降低。上述两个原因会导致无人机在高海拔地区的升力下降，以至于载重能力大大下降或甚至无法飞行。

在环境因素上，高海拔地区主要存在低温、微气候环境和风沙等情况，且高海拔地区属于高辐射区域。无人机的飞控导航系统在导航方面使用自适应扩展卡尔曼（EKF）算法，把 IMU、地磁传感器、GPS、气压高度计和地形匹配高度计等传感器的数据进行深度融合，在恶劣条件下对上述传感器可能存在影响。低温对动力系统和机载航电系统的影响很大；微气候会导致无人机的气动受破坏，给飞行带来危险；风沙会影响发动机和传动系统，并对其他设备造成物理伤害；高辐射可能会影响GPS或航向计［4-5］。上述分析都需要通过高海拔地区实地测试获得分析结果。

2 高海拔地区测试

通过高海拔地区测试，能够确定无人直升机和固定翼无人机平台带负载飞行的海拔高度，以确定无人机巡检系统的适用海拔高度。

2.1 测试方法设计

固定翼无人机具有飞行速度快、航时长等特点，可以快速、及时的发现输电线路故障和隐患，适用于较长距离的快速巡检和灾后普查。直升机是一种依靠旋翼为主要升力面和操纵面的飞行器，具有垂直起降、空中悬停等特点，能够拍摄出高清晰度的图片。

高海拔地区对固定翼无人机和无人直升机都提出了更高的设计和加工要求，为了能够挑选出适用于高海拔地区巡检的无人机系统，有必要提出一整套测试方法，对无人机的续航时间、载重能力、起飞海拔和飞行海拔等重要参数进行测试。测试的项目、试验仪器、试验步骤和判断依据如表1所示。

2.2 高海拔地区测试

2.2.1 测试地点选择

根据高海拔地区实际地形情况，结合测试方法，在海拔2836 m（甘肃乌鞘岭）、海拔3090 m（青海金银滩）、海拔 3246 m（青海湖边）、海拔 3354 m（日月山）、海拔 3820 m（青海拉鸡山）、海拔 4503 m（青海西大滩）和海拔4800 m（可可西里）等地点选择适宜起降和飞行场所进行测试。

表1 测试方法说明

2.2.2 测试机型选择

为得到高海拔地区全面、综合的测试结果，选取了不同动力、不同气动结构、不同起降方式的无人机平台，总计8个机型，分别为单旋翼带尾桨CBH-900型无人直升机（厦门加能公司）、六旋翼JY-UAV-10型电动无人机（西安翔宇公司）、三旋翼带尾桨EWZ-H型无人直升机（湖北易瓦特公司）、智能鸟天鹰1600型固定翼无人机（717研究所）、智能鸟V尾kc2400型固定翼无人机（717研究所）、SY2000型伞翼机（717研究所）、龙雁固定翼无人机（503研究所）、ASN-216型固定翼无人机 （西工大第365研究所）。图1～图6为部分机型飞行测试现场照片。

图1 JY-UAV-10型电动无人机

图2 SY2000型伞翼机

图3 单旋翼带尾桨型无人直升机

图5 ASN-216型固定翼无人机

图4 三旋翼带尾桨EWZHCBH-900型无人直升机

图6 智能鸟天鹰1600型固定翼无人机

2.3 测试结果

2012年10月至12月，通过分析各个机型的高原测试数据，得到测试结果，包括飞行平台的动力来源、在高海拔地区（海拔 2500 m、3100 m、3400 m、3800 m及4500 m）飞行的成功率及性能优缺点，如表2所示。

3 有益效果

在进行高海拔地区无人直升机及固定翼无人机多个飞行平台的高海拔地区实际应用测试，主要针对无人直升机的带载能力、续航时间、起飞海拔高度、正常飞行海拔高度和抗风能力等参数的测试和研究，测试的机型包括二旋翼CBH-900型、六旋翼JY-UAV-10型和三旋翼EWZ-H型；针对固定翼无人机的带载能力、续航时间、起飞海拔高度、正常起降方式和抗风能力等参数的测试和研究，测试的机型包括固定翼智能鸟天鹰1600型、固定翼智能鸟V尾kc2400型、伞翼SY2000型、固定翼龙雁和固定翼ASN-216型；测试方法为从海拔2500 m开始，做海拔逐渐升高的渐进式飞行测试，并在每个测试场地由零负载开始做负载逐渐增加的测试，由实际飞行数据全面说明各型号无人直升机和固定翼无人机平台的各项参数。

此适用于高海拔地区输电线路巡检的无人机测试分析结果，对不同海拔、不同风力及不同检测要求的条件下进行电力巡线所需无人机机型的选择具有指导意义。

4 后续研究工作

无人机飞行平台选择及优化。以电力巡检需求为导向，结合国内外无人机飞行平台的发展，并优化改进现有飞控系统，提高飞行控制精度，通过研究惯导系统、双余度控制系统和双余度执行机构，提升无人机飞行平台对高海拔环境的适应性，扩大适用范围。

静态模拟测试。利用实验室、输电线路培训场地等条件，静态模拟高海拔地区大风、扬沙等环境，检验无人机飞行平台对高海拔地区气候的适应性。

丰富检测手段。无人机飞行平台确定后，应有效增加检测手段，可逐步通过搭载可见光检测设备、红外检测设备、紫外检测设备分别实现对输电线路物理缺陷、热缺陷、局部放电的检测功能；通过对检测吊舱的升级，实现对特定区域的全覆盖自动步进拍照功能；通过研究输电线路和杆塔识别技术，实现设备自动跟踪和缺陷自动检测的功能。

表2 高海拔地区无人机飞行的成功率及性能优缺点

［1］B.Wang， L.Han， H.Zhang， Q.Wang， and B.Li， “A flying robotic system for power line corridor inspection，” in Proc.IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics （ROBIO’09），pp.2468–2473，2009.

［2］厉秉强，王骞，王滨海，等.利用无人直升机巡检输电线路［J］.山东电力技术，2010（1）：1－4.

［3］Binhai Wang， Xiguang Chen， Qian Wang， Liang Liu， Hailong Zhang and Bingqiang Li.Power Line Inspection with A Flying Robot.In Proc.the 1st International Applied Robotics for the Power Industry （CARPI2010）.P0646 Montreal Canada， Oct.2010.

［4］石爱琴，罗国玺，高原环境下工程机械使用技术［J］.青海大学学报，2009，27，（4）：75－91.

［5］沃洛特科AM.复杂环境条件下飞机和直升机的应用［M］.张贵银，译.北京：中国人民解放军总参谋部气象局，1995.