输电线路无人机精细化巡检自动驾驶系统研发与应用

王成皓，黄海鹏，周海峰，唐光辉

（深圳供电局有限公司输电管理所，广东 深圳 518001）

0 引 言

随着高等级输电线路的不断发展，输电线路的精细化巡检作业对维护区域电网的安全、稳定及高效运行越来越重要，成为电网运行的当务之急[1,2]。输电线路跨区域分布，点多面广，所处地形复杂，自然环境恶劣，设备长期暴露在野外，受到持续的机械张力、雷击闪电、材料老化、覆冰以及人为因素的影响容易造成倒塌、断股、磨损、腐蚀与舞动等现象，此外绝缘子还存在被雷击损伤、树木生长引起高压放电以及绝缘劣化导致输电线路事故，杆塔存在被偷盗等意外事件[3-5]。传统的人工输电线路精细化巡检工作强度大、时效和巡视效果差，难以多方位观察线路本体、线路附属设备、杆塔本体以及塔上附属设备的状况，需要巡检人员爬塔，并借助辅助器材对电力设施进行近距离巡视，对人身安全构成很大威胁[6,7]。无人机技术的发展和通航领域政策的逐步放开，有效解决了电力线路巡检的难题，推进了传统人工巡检模式向机巡模式的转变[8]。南方电网“十三五”规划明确提出，要全面推行“机巡+人巡”的巡线模式，并在2020年底基本实现“机巡为主、人巡为辅”的协同巡检目标[9]。

随着无人机市场的不断扩大和无人机精细化巡检的不断深入，多旋翼无人机具有灵活快速、安全性高、操作简单、中、近距离的定点以及机动巡查等特点。通过搭建RTK高精度定位模块，可实现输电线路的精细化巡检[10]。无人机飞手通过采用人工操控多旋翼无人机的方式进行精细化巡检，由于操作水平的不同，无人机的拍摄位置、高度、部位以及顺序等均会有较大差异，每次的拍摄质量也因人而异，增加了巡视的安全风险和后续缺陷分析的难度[11]。为有效解决上述问题，本文基于输电线路精细化巡检的内容和要求，采用智能飞行控制技术和机器学习算法，自主研发了一款针对输电线路无人机精细化巡检的自动驾驶系统，以减少人工操作，降低安全风险，减少事故率，实现无人机输电线路的自动精细化巡检。

1 输电线路精细化巡检方法及内容

1.1 输电线路精细化巡检方法

电力巡检是指及时并准确地巡视检测电力线路和附属设备的运行状态以及电力线路走廊周边的环境状况。通过排查发现故障点及危及电力安全的潜在隐患并进行有效排除，确保输电线路安全可靠运行。目前，常用的电力巡检方法有传统人工巡检、特种机器人巡检、载人直升机巡检、固定翼无人机巡检以及多旋翼无人机巡检等，将无人机应用于电力巡检可以大幅度减轻电力巡检方面的各项投入，降低人工成本和劳动强度，提高工作效率，保障作业安全，解决传统巡线中所遇到的困难，有利于推动智能电网数字化建设，实现安全、高效、精细且经济的电力巡检目的。

1.2 输电线路精细化巡检内容

无人机技术的发展大大减轻了电力巡检人员的作业负担，以多旋翼无人机为例，通过多旋翼无人机精细化巡检可以清楚判断输电线路的重要部件是否受到损坏，保证输电线路的安全，保障居民用电。其主要用于220 kV及以上输电线路的架空输电线路巡检，主要巡检方式为拍照和录像等，巡检对象为线路本体、线路附属设备、杆塔本体以及塔上附属设备。

多旋翼无人机精细化巡检分为正常巡检、故障巡检以及特殊巡检。其中，正常巡检主要对输电线路导线、地线和杆塔上部的塔材、金具、绝缘子、附属设施以及线路走廊等进行常规性检查。故障巡检主要是在线路发生故障后，根据故障信息确定重点巡检区段和部位，采用无人直升机查找故障点及其他异常情况。特殊巡检主要是根据季节特点、设备内外部环境及特殊生产需要做出的加强性、防范性及针对性巡检，如鸟害巡检、树竹巡检、防火烧山巡检、外破巡检以及灾后巡检等。

除正常巡检、故障巡检以及特殊巡检外，还可将无人机应用在电网灾后故障巡检。当灾害导致道路受阻人员无法巡检时，无人机可以发挥替代作用，开展输电线路巡查，准确定位杆塔和线路故障，且视角更广，能避免盲点。

2 自动驾驶系统各模块功能

输电线路无人机精细化巡检自动驾驶系统是基于Android移动操作系统和大疆SDK自主研发的、针对输电线路精细化巡检的作业特点深度定制的无人机自动驾驶系统。系统功能分为数据采集、模式切换、任务管理以及飞行记录4大模块，具体功能如下。

2.1 数据采集模块

数据采集模块主要用于精细化巡检作业的显示，内置Google地图和高德地图两种互联网主流地图，每种地图均包含常用路网地图或卫星影像地图，可通过地图切换完成转换显示。提供快速定位功能，当设备连接时定位功能进行的是无人机定位，当设备未连接时定位功能进行的是手机定位。在无人机的飞行过程中，可实时显示无人机在飞行过程中的位置、视频以及各种姿态参数等信息，并提供GPS信号强度、卫星数量、图传信号强度、遥控器信号强度、电量、云台角度、飞行高度、飞行距离、飞行速度、垂直速度、飞行时长、曝光数量、曝光补偿以及相机模式等参数的显示功能。此外，还提供实时天气预报功能和禁飞区提示功能。

2.2 精细巡视模块

精细巡视模块可分为学习模式和巡检模式。学习模式可以记录飞行的轨迹和拍摄位置，记录下来的信息将会在巡检模式中作为飞行依据，而巡检模式可以按照学习模式记录下来的信息进行自动飞行。该模块具备KML或者Excel格式的杆塔坐标位置导入功能，可以新增杆塔、追加杆塔、删除杆塔、保存单点杆塔的飞行路径，还可同时保存多个杆塔的飞行路径，并将其保存为KML文件。为确保每个巡视人员能够安全操作无人机进行精细化巡视，可以在学习模式下由有经验的巡视人员先控制无人机进行巡视，完成之后再由其他的非专业巡视人员在巡检模式下按照学习模式记录的轨迹和拍照位置进行自动化巡检。

2.3 任务管理模块

任务管理模块用于记录所有飞行任务的名称、日期、高度、重叠度、航线规划以及完成状态，支持任务的预览、删除、编辑、上传、断点续飞等功能，还提供影像预览、上传图像、拼接图像、删除任务等功能。可以通过蓝牙将任务的信息同步到其他移动端，也可以将影像数据上传到云端或者传输到深度影像处理系统中进行处理。

2.4 飞行记录模块

飞行记录模块具有飞行记录预览、飞行信息统计、飞行记录查看以及飞行记录删除等功能，可查看每次飞行任务的日期、经度、纬度、里程、飞行时长等基本信息，提供该架无人机的总飞行时间、里程、次数等统计信息，并可浏览和删除飞行记录。

3 工程应用

基于多旋翼无人机，利用该自动驾驶系统在深圳市大鹏区500 kV输电线路进行测试应用，获取的精细化巡检影像如图1所示，巡检线路的点云数据如图2所示。输电线路精细巡检数据的获取是进行杆塔缺陷隐患分析的前提和基础，将获取的精细化巡检数据应用于杆塔的缺陷隐患分析中可实现缺陷隐患的自动识别与分类，缺陷自动识别的结果如图3所示。

图1 精细化巡检影像

图2 巡检线路的点云数据

试验结果表明，该系统具有高精度定位、航线自动规划、一键起飞、自主作业、自动返航、断点续飞以及智能避障等特点，可有效地完成精细化的输电线路无人机巡视作业，保证作业安全。利用无人机自动驾驶系统采集得到的影像数据质量好，距离杆塔近，能够清楚地展示杆塔的部件信息。将其应用于缺陷隐患识别软件中可实现缺陷的自动识别，具有较高的效率。

4 结 论

输电线路无人机精细化巡检自动驾驶系统具有数据采集、模式切换、任务管理以及飞行记录4大模块，可自动记录人工操控无人机巡检的起飞位置、杆塔部位的选定位置及拍摄角度等全过程信息，详细记录巡视路径节点，形成每个点位的最佳采集方案，并存贮在系统中，形成机器学习的全自动化杆塔精细化空中飞行巡视采集作业流程。

通过试验表明，利用无人机自动驾驶系统采集得到的影像数据质量好，距离杆塔近，能够清楚地展示杆塔的部件信息。将其应用于缺陷隐患识别软件中可实现缺陷的自动识别，具有较高的效率，对于无人机输电线路的精细化巡视作业具有良好的适用性。