基于红外成像的无人机故障诊断方法研究

包志鹏 李梓璐 李梓锴 李梓菲 郭博杨

摘 要：输电线路巡检作为电力巡检中最基础也是最重要的部分，对精确度和高效性要求极高。输电线路因其特殊属性，要求非接触、带电、精准、高效检测，而输电线路典型设备及其常见故障大多存在温度特性，因此，无人机搭载红外热成像设备在输电线路巡检中脱颖而出。鉴于此，介绍了输电线路典型设备及其常见故障，并对红外样本优化处理和数据诊断方法进行了分析。

关键词：无人机;电力巡检;红外成像;故障诊断

0    引言

电力系统的安全运行关乎社会的正常运转，因此电力巡检工作是电力系统最简单也是最重要的任务之一。电力系统的各个环节中，最容易出现故障的就是输电线路。

我国输电线路分布范围广，且在室外环境下，容易出现线路老化、雨水侵蚀、雷电闪击等不可避免的电力故障。传统的人工巡检，效率低且人身安全得不到保证，有些地势崎岖的线路检修费时费力。

近年来，随着无人机技术的不断创新突破，无人机的身影逐渐活跃于社会各个行业，涵盖了工农商业、公安系统、物流系统、军事、民用等多个领域，电力系统也不例外。而电力系统故障有其显著的特点，大多故障可以体现在设备表面温度上，基于这样的背景，红外热成像技术在电力巡检中的推广应用势不可当。

因此，本文将重点阐述红外成像和无人机技术结合在电力巡检工作中的应用。

1    红外检测的基本理论及应用

1.1    红外检测的理论基础

自然界中的光本质上是电磁波，根据波长范围分为可见光和不可见光。人们日常看见的色彩斑斓的世界，实际上就是可见光，赤橙黄绿青蓝紫，都能通过人们的眼睛捕捉到。但是自然界中也存在不可见光，红外线就是其中之一。红外线广泛存在于大自然中，本质上也是一种电磁波，人们看不见摸不着，但是物体在正常状态下都会不断产生分子、原子运动，只要物体温度不低于绝对零度，那么物体本身就会辐射出热红外能量，温度越高，能量越大;反之越小。

1.2    红外成像的应用原理及方法

红外线本身是一种不可见光，那么如何将这种不可见光释放的信息变成人类可视的，就成为红外热成像需要解决的问题。红外热成像就是将这种不可见光辐射释放的能量信号转变成电信号，然后将红外图谱显示在可视化屏幕上。任何温度高于绝对零度的物体，温度不同，辐射的能量就不同，呈现在红外图谱上的颜色就会不同。且红外热成像是非接触性的，对光线也没有要求，所以应用于电力巡检可以实现带电检测，使用范围广。

2    输电线路故障及无人机选型分析

2.1    输电线路常见故障归纳

输电线路设备存在缺陷，通常情况下都会出现表面温度过高即异常发热的现象，红外热成像就是针对这种温度缺陷特性工作的传感设备。

输电线路的常见典型设备可以归纳为以下几种：

一是导线，导线缺陷包括松脱、变形、短路、老化等;

二是绝缘子，绝缘子会发生覆冰、受潮、破损、污秽等现象;

三是杆塔，存在螺栓脱落、杆塔倾斜、局部发热等缺陷;

四是金具，有金具老化、线夹缺损、接触不良等故障;

五是接地类和拉线类。

这些故障都可以使用红外热成像技术进行检测和诊断。

2.2    电力巡检无人机选型分析

随着近些年科技的飞速发展，无人机以其轻型化、智能化、节能化、品质化等优点承担了越来越多的航飞任务。目前市场上比较常见的无人机大致可以分为三类：直升机无人机、固定翼无人机、多旋翼无人机。

各种无人机特点不一：

（1）直升机无人机体积和质量较大，因此飞行速度较慢且续航能力差，但是其抗风能力较好，比较稳定，这是无人机应用的第一阶段;

（2）固定翼无人机最突出的特点是飞行速度快，适用于大范围的巡检航拍工作，但是其体积依然较大，且对飞行环境要求较高;

（3）多旋翼无人机已由最初的四旋翼发展成如今工业上常用的六旋翼、八旋翼等，这种无人机的特点是体积小，飞行灵活，但是其体积限制承重、电池续航问题尚未解决。

因成本较低，且能够满足一般的巡检要求，多旋翼无人机目前应用较多。

3    基于红外成像的无人机故障诊断

3.1    红外样本预处理方法

由于无人机应用于电力巡检时，大多在恶劣的自然环境下飞行，且无人机相对于输电线路处于一种相对运动的状态，所以电力巡检中无人机的红外图片需要进行优化处理，才能高效准确地判断线路故障。

通常红外样本预处理的主要步骤包括图像灰度化、图像去噪、图像增强、边缘检测等技术。图像灰度化就是将原来五彩斑斓的图片中各个R=G=B的像素点表示成一种灰色。图像去噪就是去除容易造成干扰的因素。图像增强就是将原本图片中存在的有用信息最大化。边缘检查是从边缘提取检测所需要锁定的目标区域。

3.2    红外诊断方法

电气设备的发热缺陷通常可以采用红外热成像技术鉴别出来，但恶劣的自然条件，例如温度、湿度、风速、污秽都有可能对红外诊断带来不利影响。所以不能采用单一的方法直接进行故障诊断得出结论。

红外诊断方法通常分为四种：同类设备对比、表面温度判定、相对温差比较、热图谱分析法。

电力无人机搭载红外热成像传感器，采集输电线路各设备的红外图片，尤其是导线、绝缘子、杆塔、金具、接地类和拉线类设备，然后通过以上方法进行对比分析，可以实现非接触不断电检测，并对输电线路电力故障作出诊断。

4    结语

本文基于无人机电力巡检推广普及的背景，归纳总结输电线路典型设备及其常规故障，针对其故障时的温度特性，提出采用红外热成像设备进行故障诊断，同时总结红外样本优化处理方法和红外诊断方法，为以后输电线路红外故障诊断的研究奠定了基础。

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收稿日期：2020-03-04

作者简介：包志鹏（1995—），男，甘肃永靖人，工程师，从事电网智能检测研究应用工作。