基于多旋翼无人机的复合绝缘子检测平台研究

王身丽，黄力，候金华，张学锋，刘晓华，胡川，陈典丽，覃乔

摘 要：传统的复合绝缘子憎水性检测采用人工带电作业方式，不仅耗时费力，而且存在一定的安全隐患，为此文章设计了一种基于多旋翼无人机的憎水性检测平台。它以多旋翼无人机为搭载平台，集高压雾化自动喷水和实时视频传输于一体的搭载装置，利用无人机搭载的微型数码运动摄像机和图像传输设备对复合绝缘子进行拍摄和实时传送，通过研发的憎水性能自动判定软件对拍摄图片进行处理，提高了检测的效率和准确性，实现了复合绝缘子憎水性等级的智能判断。

关键词：多旋翼无人机；复合绝缘子；憎水性

中图分类号：TM216 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）06-0010-03

Abstract： The traditional composite insulator hydrophobicity detection adopts artificial live operation， which not only takes time and effort， but also has certain safety hidden trouble. Therefore， a hydrophobicity detection platform based on multi-rotor UAV is designed in this paper. It takes the multi-rotor UAV as the carrying platform， and integrates the high-pressure atomization automatic water spray and the real-time video transmission in one carrying device. The composite insulator is photographed and transmitted in real time using the micro digital motion camera and image transmission equipment of UAV， and the pictures are processed by the hydrophobicity automatic determination software developed by the research and development. The efficiency and accuracy of the detection are improved， and the intelligent judgment of the hydrophobicity grade of composite insulator is realized.

Keywords： multi-rotor UAV； composite insulator； hydrophobicity

1 概述

隨着近些年国内外无人机产业的高速发展，以无人机作为搭载平台搭载各式各样的任务设备越来越普及。其中，无人机应用在超高压输电线路工程上，作为憎水性试验装置的搭载平台，用来进行绝缘子憎水性试验，成为热点研究问题。使用无人机搭载绝缘子憎水性检测喷水装置不仅可以在线路带电情况下进行试验，更可以取代人工爬塔作业，这种方法较传统方法更为安全、优质、高效[1]。

2016年8月南方电网超高压输电公司广州局进行过憎水性检测方法的研究，其采用的喷射机构简单，方向固定，且图像处理软件仍有提升空间。因此，本文拟以多旋翼无人机为搭载平台，研制集高压雾化自动喷水和实时视频传输于一体的搭载装置，应用大数据分析和图像识别技术，研发复合绝缘子憎水性自动判定软件，实现了复合绝缘子憎水性等级的智能判断。

2 检测平台的总体设计

利用多旋翼无人机的复合绝缘子检测平台是以无人机作为装置载体，通过可控制雾化喷射水雾方向的模块，再由高清相机获取在复合绝缘子表面水珠/水迹形态的一个装置。

整个设计过程可以分解为以下几个主要部分：整体装置与载体之间的连接方式的设计；可控制方向的喷射系统设计；高清相机的选型和控制系统设计。

如图1所示，多旋翼无人机检测绝缘子装置包括多旋翼无人机、绝缘子检测装置和升降结构。绝缘子检测装置包括探测上极和探测下极，分别连接电压传感器，通过A/D转化单元将信号输入DSP处理单元进行数据处理，DSP处理单元输入端与多旋翼无人机的飞行控制系统机载控制计算机连接。多旋翼无人机包括飞行控制系统机载控制计算机，与其相连的有卫星定位模块、数字罗盘、三轴陀螺仪、三轴加速度计、舵机控制器、气压高度计、转速测量传感器、PCM遥控接收机、无线通信单元；其中，卫星定位模块、数字罗盘、三轴陀螺仪、三轴加速度计、气压高度计、转速测量传感器、PCM遥控接收机均将所采集的数据输入飞行控制系统机载控制计算机进行分析，飞行控制系统机载控制计算机将无人机卫星定位模块和无人机气压高度计采集到的多旋翼无人机在检测时的GPS值和高度值与所检测到的DSP处理单元输入的电势差值相匹配后，通过机载无线通信单元将数据传输给地面站无线通信单元，地面站信息处理装置可以将检测电势差数据分析处理，并结合GPS值和高度值，可以判断非正常工作的绝缘子片位置。

多旋翼无人机搭载高清摄像头，与飞行控制系统机载控制计算机相连，不但能将所采集视频通过机载无线通信单元传送给地面站无线通信单元，由地面站人员实时监控多旋翼无人机的飞行状态；同时，可在多旋翼无人机靠近绝缘子的过程中依靠高清摄像头实时传回的图像，操控飞行控制系统机载控制计算机调节飞行高度以及探测上、下极之间的距离，使探测上极与探测下极能够分别接触绝缘子两端，分别测得电势值。飞行控制系统机载控制计算机通过机载无线通信单元接收到地面站信息处理系统调节探测上极与探测下极之间的距离的信号后，发出指令给升降单元，由升降单元调节升降结构从而改变探测上极与探测下极之间的距离。其中，升降单元为可编程单片机与升降结构中的电机驱动单元连接，主要将飞行控制系统机载控制计算机发出的距离信号转化为电机驱动信号，以调节升降结构。

还有其他一些系统整体性的设计也是要在主要部分设计过程中要考虑的问题，尤其是环境适应性的设计，包括电磁环境抗干扰能力，重要部分的防水雾设计等。

3 硬件概述

本产品以多旋翼无人机为搭载平台，集高压雾化自动喷水和实时视频传输于一体的搭载装置，应用大数据分析和图像识别技术，研发复合绝缘子憎水性能自动判定软件，实现复合绝缘子憎水性能的智能检测。

3.1 硬件模型

图中，1是装置固定爪钩*4，2是900ml水箱，3是系统控制盒，4是电池仓，5是高清图传系统，6是高压水泵，7是雾化喷头&可转向机构，8是运动相机，9是相机控制模块，10是高清摄像头。

3.2 硬件性能参数

复合绝缘子憎水性智能检测装置平台的工作电压为3S（11.1V～12.6V），工作电流为0.4A～2.5A，续航时间考虑工作的实际情况，大约在1h左右。给水箱注水方式采用灌注加装，水箱容量共900ml，当无人机飞行到指定的位置时，在距离无人机不大于1.5km的区域内，可通过远程遥控控制喷水，喷水时旋转喷头，调节水雾形状，喷射距离随之变化，一般为1m～6m远，喷射角度采用安装球接雾化喷头，可辅助调整角度，一般范围是水平：60°～+60°，垂直：-45°～+10°，雾化出水量大约0.8L/min。拍摄装置中相机内存为最高支持64GB，且为MicroSD、MicroSDHC、MicroSDXC卡，必须使用Class 10速率的内存卡，运动相机图像质量最高可达1200万像素，视频质量可达4K@15fps，图像传输清晰度为480P，图像传输距离在1km内。

4 憎水性分析软件系统

为了达到对相应复合绝缘子的憎水性进行检测和等级判断的目的，需要通过数字图像处理技术对获取到的复合绝缘子憎水性图像进行计算，其具体流程如图3所示。

获得一张清晰的图片对于分析复合绝缘子憎水性的后续工作而言至关重要。复合绝缘子图像在线采集系统的结构总体框图如图4所示，系统分为塔上装置和塔下装置，塔下主要有無线收发器、电脑和路由器，塔下装置主要有喷水装置和图像采集装置，塔上装置和塔下装置之间通过无线通信，充分保障了工作人员的人身安全[2-3]。

无线收发器插在电脑上，与电脑通过USB通信，而无线收发器与喷水装置通过nRF24L01无线模块通信，这样电脑控制喷水装置的指令就通过无线收发器转发给喷水装置，从而可控制喷水装置的喷水方向和喷水强度；电脑和摄像头都连接到路由器创建的WIFI上，这样它们就在一个局域网内，在电脑上安装一个上位机即可获得摄像头拍摄的图像，并控制摄像头上下左右转动以及变焦拍照，图片也能自动保存在电脑中。

5 结束语

本文以多旋翼无人机为搭载平台，研制集高压雾化自动喷水和实时视频传输于一体的搭载装置，应用大数据分析和图像识别技术，研发复合绝缘子憎水性能自动判定软件，实现复合绝缘子憎水性能的智能检测。首先介绍了整套搭载装置硬件系统，包括图像实时传输系统的硬件选择，雾化喷水装置的实现，喷水加压装置的型号选择，机械连接方式的方案探讨，以及实时控制平台的软硬件结构体系的细化等。喷水加压装置大致包括图像实时传输系统，雾化喷水装置系统，机械连接和实时控制系统。然后对实时憎水性软件分析系统进行程序的编写。接下来的研究中，会将本文与现有的检测方法进行比对参考，现场测试该装置检测方法的有效性和优势，并改进性能。

参考文献：

[1]郑武略，张富春，翁珠奋，等.基于旋翼无人机的绝缘子憎水性检测[J].广东电力，2016，29（08）：116-119+124.

[2]尚俊霞.复合绝缘子憎水性检测与等级判断的研究[J].电瓷避雷器，2016（03）：30-36.

[3]谢望君，罗勇，黄俊，等.复合绝缘子图像在线采集前端控制系统设计[J].工程设计学报，2015，22（05）：482-486.

[4]柯洪昌，付浩海，孔德刚.基于改进的Hough变换的绝缘子检测方法[J].科技创新与应用，2017（31）：6+9.

[5]陈泓达，余兴祥，马越，等.绝缘子在线检测系统[J].科技创新与应用，2016（24）：195-196.