无人机在高压线路巡检中的关键技术及应用＊

陈 强，秦飞跃，王丽明

（黄河交通学院机电工程学院，河南 焦作 454950；焦作市黄河流域生态监控智能无人机工程技术研究中心，河南 焦作 454950）

近些年来，中国经济快速发展，与此同时，高压输电线路里程也在快速增长，但是在中国中西部地区，高压架空输电线路多建设在人烟稀少的山地、河流、丘陵、草原等地带，交通不便，这给线路巡检和维护提出了更高的要求，传统的人巡方式已经不能适应发展的要求[1-2]。近几年来，随着无人驾驶飞机技术的快速成熟，中国在民用无人驾驶飞机行业保持着市场和技术的绝对领先，除消费级外，工业级无人驾驶飞机与各行各业的结合应用也在快速展开，其中在高压架空输电线路巡检方面有多方面的应用，已经成为线路巡检重要的手段之一，目前形成了“无人驾驶飞机巡检为主，人巡为辅”的模式，并在向完全代替人巡方面发展，因此研究无人驾驶飞机在高压架空输电线路中的巡检应用具有现实意义和价值。

1 无人驾驶飞机的主要分类

无人驾驶飞机（Unmanned Aerial Vehicle，UAV，以下简称“无人机”），是一种由动力驱动、可操控、无人驾驶却能携带多设备、执行多任务，并可重复使用的无人驾驶航空飞行器[1]。无人机系统主要由无人机飞行平台、任务载荷、地面站和保障系统组成，飞行平台为无人机主体，根据需求的不同一架无人机可搭载不同的任务设备，地面站可遥控指挥无人机同时接收无人机的数字和图像信号。无人机系统如图1所示。

图1 无人机系统示意图

无人机分类方式多样，按照用途可分为军用和民用，本文所指无人机为民用。按照飞行原理及结构不同，无人机可分为直升无人机、固定翼式无人机、多旋翼式无人机、复合翼式无人机等[3]。

大型无人直升机多具有垂直起降、定点悬停等多种功能，但是机械结构复杂，对飞手技术要求较高，目前在线路巡检中应用很少。固定翼无人机结构简单、飞行速度快、航程远，但是该无人机起降需要场地，不能实现定点悬停，因此目前在长距离线路巡检中应用较多。多旋翼无人机是近几年来发展速度最快、应用最广泛的一种无人机，以锂电池为主要能源，多为四旋翼、六旋翼和八旋翼3 种形式，具有结构简单、灵敏度高、垂直起降、定点悬停、控制方便等诸多优点，并被广泛应用，但是其也存在续航时间和通讯距离短的缺点。复合翼无人机是一种将多旋翼和固定翼结合起来的一种中大型无人机，结合了固定翼续航时间长、通讯距离长和多旋翼垂直起降、定点悬停两者优点，近几年来应用逐渐广泛。

2 无人机巡线优势

与人工巡检相比，无人机巡检具有巡检效率高、成本低、安全性高、效果好的优势。高压架空输电线路架设在比较复杂的地理环境中，传统的人工巡检需要巡检人员步行至输电线路附近使用望远镜等工具观察线路情况，耗费时间长、检测成本高、效果难以保障；使用无人机检测，其飞行速度是人员步行的10 倍以上，且人员不需要到达现场，避免了地形、距离的不利影响，直接操控无人机飞行至需检测线路，因此检测成本更低、时间更短、更安全[4]。

传统人工检测时，检测效果与检测人员的经验、现场环境关系较大，情况复杂时不能完全检测出线路异常；使用无人机进行检测，无人机可手动或按照设定的航线飞行，只要相机采集到的图像就可自动检测，大大提高了检测的质量。此外，无人机巡检使用图像识别技术可以快速发现线路异常并将图像传输给检测人员，利用无人机进行近距离、多角度检测，更容易发现和判断异常情况。

3 无人机巡检关键技术

3.1 图像处理技术

无人机在进行线路巡检时，所需要的检测区域大，但无人机相机每次所拍摄区域有限，需要大量多次拍摄然后将图像进行匹配处理组成完整的检测区域影像，但是无人机所拍摄的线路图像具有几何畸变较大、相邻图像重叠高、光照不均匀等特点，致使图像匹配具有一定难度，也直接影响拼接及三维重建的效果。目前图像拼接主要以图像边缘相似特征以及像素值作为参考进行，图像重叠部分在不同角度下灰度值会有差别，一般使用图像融合的方式进行处理；此外也有基于高斯曲率尺度空间的航拍图像匹配算法进行拼接，但是复杂情况下效果也有限。

另外，由于受雨雪天气影响，无人机所拍摄的图像模糊导致不能真实反映现场情况或对检测结果存在干扰。对于简单的图像处理，由于雾雨在图像上明亮清晰，可以使用像素过滤值的方法去除；对于运动的视频，需要建立相关雨雪模型，然后通过背景分离的方法将雨雪图像和需检测图像分离，再根据图像的明亮程度将雨雪图像去除[5]。

3.2 巡检通信技术

在使用无人机对高压架空输电线路进行检测时需要地面站和巡检无人机实时双向通信，地面站向无人机发射指令，无人机实时将飞行数据和图像信息传输到地面站以便进行下一步指令。无人机通讯距离直接限制了单次高压架空输电线路检测的距离和检测效率，目前大疆无人机采用OcuSync 图传技术，通讯距离可达10 km，但是对于高压架空输电线路检测还远远不够。目前无人机远距离通信技术主要有卫星通信、5G 通信和中继通讯（固定中继、空中中继）等方式。

卫星通信方式具有不受传输距离限制的优点，能够支持无人机执行长距离的飞行任务，但是卫星通讯天线质量大、通讯成本高，主要适用于大型工业无人机[6]。利用5G 移动通信技术在无人机上装载移动通信芯片模组，使之成为网联无人机，该通讯方式可为无人机实现中长距离、超视距飞行提供通信链路保障，其覆盖高度可达3 000 m，距离延伸可达1 000 km 以上，抗干扰能力强，满足4K 高清图像传输，延迟时间短。中继通信是通过中间通讯的方法来增加通信范围，主要为地面中继基站通信及无人机空中中继，其中无人机空中中继作为地面中继基站通信在距离不足时的补充。

3.3 避障技术

部分高压架空输电线路架设在环境复杂的地区，无人机在飞行过程中容易撞击障碍物导致坠毁事故，如何躲避障碍物是无人机的一个重要技术。目前无人机避障的主要实现方式是通过超声波、激光雷达、视觉传感器采集数据建立障碍物三维模型，在进行自主路线规划时绕开障碍物飞行；但输电线较细，超声波、激光雷达传感器不能很好的识别，视觉传感器的图像识别技术容易受到天气和周围环境的影响[7]。无人机避障流程如图2所示。

图2 无人机避障流程图

近几年也在探索新型避障检测方法，如将需要巡检的线路坐标输入飞控系统，使用模糊神经网络多传感器数据融合方法，实现无人机对架空输电线路的自主避障导航；此外，也有人提出输电线路本身会产生电场，距离线路越近电场越强的理论，利用距离与电场强度的关系，无人机感知与导线的位置关系，实现场强三维差分避障巡检带电导线[8]。

3.4 图像识别技术

早期将无人机应用于高压架空输电线路巡检时，主要是使用可见光相机拍摄图像，然后再人工查看图片识别异常和缺陷，其效率低而且效果受人识别经验影响较大。

目前无人机巡检技术也朝着智能化方向发展，飞行平台可以搭载可见光相机、双光热成像相机和激光扫描仪，对高压架空输电线路、塔杆等拍摄照片或视频，图3 为使用热成像相机检测线路塔杆。无人机通过大数据对高压架空输电线路异常和缺陷进行深度学习，在巡检过程中可智能化分辨出线路的异常和缺陷特征、位置等，大大提高检测精度和效果，其应用范围更加多样，在复杂情况下也能保持较好的检测效果。

图3 热成像相机拍摄的塔杆

4 无人机在线路巡检中的主要应用

目前，在高压架空输电线路巡检中固定翼无人机和多旋翼无人机应用较广泛，固定翼无人机由于航程远、飞行速度快、起飞降落需要场地等特点，主要用于长距离巡检；多旋翼无人机可垂直起降、定点悬停、飞行时间短，主要用于定点精细化巡检。无人机在线路巡检中的主要应用具体包括以下几个方面。

4.1 长距离沿线巡检

在进行长距离高压架空输电线路巡检时，固定翼无人机根据高压架空输电线路位置坐标规划飞行航线，飞行过程中依靠无人机配置的超声波、雷达等传感器采集环境信息，借助避障功能实现沿高压架空输电线路的飞行，使用可见光和红外相机采集线路及塔杆的图像和视频信息，同时对异常情况进行检查、分析，标注出异常点位置，最后形成巡检报告。

4.2 精细化巡检

多旋翼无人机主要用于短距离巡检以及对固定翼无人机检测的异常点进行精细化巡检，无人机在飞行过程中围绕塔杆飞行，通过图像的实时传输功能，使用可见光相机发现异物时可拉近距离或使用变焦相机对异物拍摄视频或图像。

高压输电线路的塔杆主要有直线塔杆和耐张塔杆2 种，对塔杆进行识别主要有直线特征的提取、筛选分类、图像的分块和塔杆区域判断、判断图像区域是否存在塔杆4 步；在对塔杆进行检测时，如果有鸟巢、风筝、塑料膜等异物，则图像内塔杆的直线没有连续性，从而识别异物的位置。

绝缘子是架空线路重要组成部分，长期暴露在空气中会出现自爆、掉串、裂纹破损和异物等问题，使用机器学习领域中的神经网络方法对绝缘子进行定位并进行缺陷识别，如图4所示。

图4 无人机可见光相机高压架空输电线路塔杆巡检异常

4.3 可视化走廊

使用无人机倾斜摄影技术或者搭载的三维激光雷达系统，无人机按照预先设置的航线飞行时，获取线路、塔杆以及周围植被的点云，构建线路走廊的三维模型，如图5所示。在三维模型中，导线与导线、导线与树木的距离以及导线的弧垂变化都可以测量，同时可以模拟在不同风速、温度及树木生长情况下对线路的影响情况[9]。

图5 高压架空输电线路可视化走廊

5 结束语

随着无人机技术的快速发展，已经融合到很多行业的应用中，另外无人机在图像处理、通讯传输、避障和图像识别等关键技术中不断突破，高压架空输电线路巡检的要求也越来越高，无人机在巡线中的应用也会更加广泛，并且朝着飞行平台智能化、巡检智能化、数据分析智能化以及与大数据融合等方面发展。