无人机电力巡检系统中的通信方法

傅力帅 吴一飞 张毅磊 牛纯春 潘桢

（国网浙江省电力有限公司绍兴供电公司 浙江省绍兴市 312000）

1 引言

电力系统是国民生产、生活中的重要一环，是经济的重要基础。随着经济发展，我国的输电线路分布也越来越广。但输电线路所在区域通常地形复杂，通常为较偏远的山区、林地，跨越湖泊、河流，远离主要交通干道，且长期暴露在自然环境中，再加上人为损伤等因素，会引起断股、断线或磨损等故障，影响电网运行的安全性，甚至造成无法想象的经济损失[1-5]。

传统的人工电力巡检方式难以克服复杂地理环境带来的重重困难，如巡检人员的技能需求严苛、人身安全无法得到保障，人力物力成本也十分高昂等，因此输电线路巡检的自动化和智能化成为了该领域重要的发展方向[6-7]。

无人机凭借其重量轻、体积小、成本低、灵活性高和支持自动飞行等优点，实现了对电力线路网络高效、全方位的检查。目前巡线任务中使用的无人机按机翼类型可分为三大类：固定翼无人机、多旋翼无人机和无人直升机[8]。同时，在巡线任务中，无人机经常搭载各种机载设备来配合使用，如双光热成像相机、轻型光学相机和激光扫描仪等高精度、轻量化的遥感设备。利用无人机完成电力巡检任务可以克服恶劣的自然环境，保障巡检工作人员的安全，有效地提高巡检效率和精度，降低巡检成本[9-11]。

无线通信技术是无人机电力巡检系统中的重要技术之一，实现无人机和地面工作站之间的信息、数据交互。万琪等人对电力巡检无人机数据链的通信技术进行升级，设计了一套数据链路覆盖增强技术方案[12]。魏传虎等人提出了一种安全性非对称信息一体化传输技术，来解决无人机同时传输不同类型信息且其性能指标迥异的问题[13]。韦崇岭设计了两套无人机数字视频传输系统，分别用单线程方式和多线程及DSP 压缩视频流方式实现[14]。吴维农等人采用宽窄波束搭配的覆盖技术方法，显著提高了无人机实时通信系统的设备能力[15]。

本文提出了一种应用于无人机电力巡检中的通信方法，并将相应传输设备应用到了相应无人机电力巡检系统之中。本方法结合4G 网络进行高带宽传输，利用双向通信链路完成无人机与地面服务器之间的双向通信与数据交换，可同时支持4 路运营商无线上网卡在线传输数据，最高支持108060i 全高清视频流畅、稳定的传输，确保故障检测的实时性。

2 无人机电力巡检中的关键技术

2.1 无人机飞行控制技术

无人机电力巡线任务中，飞行控制技术主要包含自动寻线、实时避障和位姿控制等，是巡检系统中最重要的一环。区别于飞手手动控制无人机进行寻线，自动寻线无人机可以根据预先导入的线路、杆塔和地理环境等数据，自主完成寻线任务，减少了对经验丰富的飞手的需求，削减了人力成本。而实时避障则允许无人机在执行巡线任务时，利用红外系统、声呐系统等结合计算机视觉技术对非预期内的障碍物进行躲避，减少无人机的损耗，保证寻线任务的顺利执行。

无人机体积小、质量轻，遭遇恶劣的自然灾害时，可能会在一定程度上失去平衡，并偏离航线，位姿控制模块会通过重力感应器、角度感应器等判断无人机当前位姿，并结合航线数据进行调整，帮助无人机恢复平衡状态，并回到既定航线之中。同时，精准的位姿控制还能帮助无人机更好地拍摄不同角度的线路、杆塔图像，提升后期的故障检测效率和准确度。

2.2 无线通信技术

为了实时获取无人机状态、向无人机发送控制信号并获得回传图像和视频，地面工作人员和巡检无人机需要进行实时双向通信。由于输电线路所处环境复杂，自然条件恶劣，无线通信系统需要具备较高的带宽和稳定性，以及较强的抗干扰能力，来确保地面工作站与无人机之间的通信质量。本文的研究重点就是围绕无人机和地面服务器之间的高性能通信展开。

2.3 故障检测技术

在进行故障检测前，还需要对接收到的图像和视频数据进行预处理，否则会大大影响故障检测的精度。巡检任务中，所拍摄图像质量的好坏，除了受拍摄设备本身性能的影响，还会因为无人机机身或搭载设备的抖动、偏移导致图像变得模糊，因为复杂、多变的背景导致拍摄部位和背景难以区分等。合适的图像去模糊技术、图像分割技术以及红外温度校准技术能减小系统对于图像识别的难度，更加准确地进行缺陷和故障的判断。

通过分析经过预处理的红外图像，可以判断线夹、绝缘子和线路是否存在异常发热和高温，通过分析经过预处理的可见光图像，可以判断是否有线路破损、杆塔异物和导线断股等缺陷存在，从而发现输电线路中的故障并进行报警，提醒地面工作人员尽快进行排查和检修，减少可能存在的安全隐患和经济损失。

3 无人机电力巡检中的通信方法

3.1 通信方法设计

无人机与地面服务器之间主要发送的数据有以下几种：无人机发送给地面的状态信息、所采集的图像和视频，地面发送给无人机的控制信号等等。这里主要针对回传图像和视频进行设计。

视频传输过程中，利用双光热成像相机录制视频，再利用HDMI 接口将视频流传回到传输设备，经过基于FPGA 的串并行转换模块转换为串行数据，编码后利用AT91SAM9G45 芯片将视频流数据回传到服务器。

其中，AT91SAM9G45 芯片主要实现以下功能：

（1）状态控制：管理系统所用状态机，进行相应的状态控制，在不同状态执行相应的动作，并对不同的触发条件作出反应，进行状态的转换；

图1：大疆经纬系列M210RTK 无人机

图2：大疆经纬系列M210RTK 无人机遥控器

图3：数据传输设备传输模块及供电模块

图4：直播参数设置界面

（2）TCP 协议实现：实现传输过程中所用到的特有TCP 协议，主要作为发送端，向服务器发送数据包；

（3）带宽优化：确保网卡带宽与需发送的视频数据包相匹配，先利用RTT 来估计传输所用TCP 协议的总带宽，并通过MO3 储存在寄存器中，若预估总带宽小于网卡总带宽，则降低网卡总带宽来适应传输，若预估总带宽大于网卡总带宽，则降低相应的传输速率来适应网卡总带宽，理论上，4G 网络的上行带宽为50Mbps，下行带宽为100Mbps，4 路网卡的总上行带宽为200Mbps，总下行带宽为400Mbps，足够满足108060i 全高清视频传输的带宽需求；

（4）心跳包：实现进程保活，记录统计信息，状态信息等；

（5）重传：实现传输中TCP 协议的超时重传功能，当ACK超时时，确认数据包丢失，并进行重传，当一个进程发送数据包失败达到5 次或链路失效时，该进程会失败退出，并设置相应的fail_block，让另外的线程来尝试发送；

（6）网卡管理：为了实现4 路网卡并行数据发送，建立一个socket 集合来管理4 路网卡，并利用epoll 来管理I/O 复用，控制各网卡进行数据发送；

（7）数据处理、发送：对于所接收到的视频数据，管理这些视频数据包，并进行相应的处理和发送；

（8）设置信号等等。

在服务器端，也有相应的程序进行控制，主要功能如下：

（1）状态控制：跟客户端状态控制相似，服务器端相应程序管理系统所用状态机，进行相应的状态控制，在不同状态执行相应的动作，并对不同的触发条件作出反应，进行状态的转换；

（2）TCP 协议实现：实现传输过程中所用到的特有TCP 协议，主要作为接收端，接收来自传输设备的数据包；

（3）数据接收、处理：接收从传输设备回传的视频数据包，管理这些视频数据包，并进行相应的处理；

（4）视频直播与转发：当需要进行直播时，将相应视频数据流传送到相应的直播地址，利用直播端播放程序进行解码、直播，当需要进行转发时，将相应视频流数据转发到相应服务器等等。

图像传输过程与视频传输类似，利用双光热成像相拍摄图像，再利用USB 接口将所拍摄图像从Pad 传回到传输设备，编码后利用AT91SAM9G45 芯片将图像数据回传到服务器。

3.2 硬件平台搭建

无人机采用大疆公司经纬系列行业M210 RTK 四旋翼无人机，如图1和图2所示，最多支持3 路设备挂载，可挂载可见/红外一体相机或分别挂载高清相机和红外测试相机。

测温相机挂载设备采用FLIR 公司双光热成像相机，带有1200万像素镜头，支持4K 高清可见光JPEG 照片，TIFF、R-JPEG 格式图像，MOV、MP4 格式视频。

数据传输设备为Altera 公司可编程逻辑器件搭载Fujitsu 公司编码芯片实现的无线传输设备，分为传输模块和供电模块两部分，如图3所示，支持SDI、HDMI 输入口、U 盘接口、micro USB 接口和USB 网卡插口等等，可同时支持4 路运营商无线上网卡在线传输数据。

3.3 实际设备使用

数据传输设备实时将无人机所拍摄到的图像和视频回传到服务器上，最多支持4 张4G 数据网卡同时工作，保证足够的网络带宽来进行传输。同时，也支持固网和4G 无线网络的混合传输，在支持固网的条件下提供更高的传输品质和稳定性。

传输图像时，利用USB 接口将PAD 与传输设备连接，图像将通过USB 接口传到传输设备，再传回服务器。

传输视频时，利用HDMI 接口将遥控器与传输设备连接，视频将通过HDMI 接口传到传输设备，再传回服务器，实现直播和录播功能。此外，视频传输模块利用高性能硬件编码压缩，视频传输的清晰度支持标清-全高清（576i-108060i），在高带宽的支持下能保证较好的直播质量和稳定性，图4为直播参数设置界面。

4 结语

文中提出了一种无人机与地面工作站之间的双向通信方法，利用最多4 路运营商无线网卡实现高带宽高稳定性传输，最多可以支持108060i 全高清视频的流畅传输及直播，并设计、搭建了相应的硬件平台来实现该方案。在无人机电力巡检系统中，该通信方法和设备保障了巡线无人机与地面工作站之间高速、稳定的信息和数据传输，有效提升了巡检的效率和质量。