CN102879692B - 一种多旋翼无人机检测绝缘子方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多旋翼无人机检测绝缘子的方法与装置，它包括一个多旋翼无人机，其上的飞控系统机载控制计算机与定位装置、无人机舵机控制器、高度测量装置、速度测量装置、高清摄像头、无人机PCM遥控接收机以及机载无线通讯单元、升降装置连接，升降装置带动探测下极移动，机载无线通讯单元与地面站通信；无人机舵机控制器控制伺服舵机，伺服舵机控制多旋翼模块，探测上极和探测下极分别与各自的电压传感器连接，两电压传感器与A/D转化单元、DSP处理单元、飞控系统机载控制计算机连接。本发明可及时了解和掌握线路绝缘子的运行情况，还能够避免了检测人员爬高进行近距离带电操作的危险性，同时提高检测效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种无人机检测绝缘子的方法与装置，特别是一种多旋翼无人机检测绝缘子方法与装置。
背景技术
近年来，我国国民经济的持续快速发展对我国电力工业提出了越来越高的要求。我国目前已形成华北、东北、华东、华中、西北和南方电网共6个跨省区电网，500千伏线路已成为各大电力系统的骨架和跨省、跨地区的联络线，电网发展滞后的矛盾基本得到缓解。由于我国国土辽阔，地形复杂，为了安全和可靠地供电，巡线维护自动化和现代化已日益显示出其迫切性。
绝缘子是用来支持导体的绝缘体，绝缘子可以保证横担、杆塔与母线等带电体有足够的绝缘。它在运行中需能承受导线垂直方向的荷重和水平方向的拉力，还需经受着日晒、雨淋等气候变化及化学物质的腐蚀。因此，绝缘子既要有良好的电气性能，又要有足够的机械强度。在发电、变电、输电等过程中都离不开绝缘子的使用，绝缘子性能的好坏对电网的安全运行起着至关重要的作用。绝缘子按结构可分为支持绝缘子、悬式绝缘子和套管绝缘子等，按电介质材料分类，有瓷、玻璃、有机合成绝缘子三种类型。在长期的运行中，绝缘子会受到雷击、污秽、鸟害、冰雪、高湿、温差等环境因素的影响；在电气上要承受强电场、雷电冲击电流、工频电弧电流的作用；在机械上要承受长期工作荷载、综合荷载、导线舞动等机械力的作用，这些因素对绝缘子性能的破坏是一个渐进的过程，因此需要能够在电力线路正常运行的情况下对高空中的绝缘子性能进行检查。
目前对绝缘子的检测方法主要有直接观察法、紫外成像法、红外成像法、超声波检测法、等值盐密法、电势测量法、电阻法、电场法、泄漏电流法和脉冲电流法。直接观察法误差较大，且对绝缘子的内绝缘性能无法检测；紫外成像法只能在局部放电发生时使用，且受环境温度影响较大；红外成像法对早期绝缘缺陷缺乏有效的检测，且检测定位不准确，同时易受环境温度的影响；超声波检测法因其耦合和衰减及超声波换能器性能问题不适合现场检测；等值盐密法消耗时间长，得出的结论仅为绝缘子整体污秽的平均水平，不能真实反映绝缘子的绝缘性能；电阻法仅适用于低压线路；电场法对某些不影响电场分布的绝缘损伤灵敏度不高，适用范围有限；泄漏电流法需要在每串绝缘子串上安装相应的设备，且受很多其他因素影响，数据准确性有限；脉冲电流法的检测分辨率依赖于不良绝缘子的阻值、不良绝缘子在串中的位置、绝缘子串的片数和正常绝缘子的电晕起始电压等参数，且该方法并未完全成熟，目前国内外均在做进一步探索。电势测量法是很简单的一种检测法，它的基本原理即通过检测绝缘子两端间电势差，与绝缘子串上各个绝缘子电压分布的规律性作对比，可判断绝缘子绝缘性是否良好。此方法简单易操作且数据准确率高，在过去相当一段时期内应用较广泛，但由于其需要检测人员爬高并进行近距离带电操作，危险性较高且效率低。
因此，可以寻求一种方法，既能够利用电势测量法的简单可靠性，又能够避免需要检测人员爬高进行近距离带电操作的危险性，同时提高检测效率。随着利用无人机巡线技术的日趋成熟，考虑到利用无人机这种安全稳定的高效手段，结合电势测量法进行对于绝缘子的检测。
现有多种在线监测绝缘子的设备，如专利号为01102273.6的《高压输电线路绝缘子带电智能检测仪》，专利号为92242814.X的《悬式绝缘子检测器》等，此类专利取得了一定的有益效果，但仍存在缺点如下：
此类设备均为不可移动监测设备，即需要针对每个绝缘子串或绝缘子片安装，或者还是利用检测人员携带该设备爬高进行近距离带电操作，工作量巨大，且不能完全解决人员安全和效率问题。
现有利用机器人进行绝缘子检测的技术，如专利号为200810230387.4的《一种绝缘子检测机器人》，此专利取得了一定的有益效果，但仍存在缺点如下：
（1）该机器人仍需人工由地面运送到杆塔上进行使用，无法完全避免人员近距离带电操作；
（2）该机器人不具备跨越杆塔或线路项间距行走的功能，即每次只能巡检单导线单杆塔连接处的绝缘子串，若想巡查不同导线或不同杆塔连接处的绝缘子串，仍需人工进行位置移动。
现有利用无人机进行绝缘子检测的技术，如专利号为200810224172.1的《一种用于检测输电线路绝缘子的飞行机器人》，以及专利号为201020138974.3的《绝缘子性能的新型检测装置》，这两项专利取得了一定的有益效果，但仍存在缺点如下：
（1）专利《一种用于检测输电线路绝缘子的飞行机器人》中所述对绝缘子进行检测的系统为目标识别系统，仅采用视觉方式从绝缘子外观判断其是否正常，该方法检测正确率低，无法检测到外观无明显变化的缺陷；
（2）专利《绝缘子性能的新型检测装置》中所述绝缘子检测仪并未加载可升降装置，即绝缘子检测仪的两检测探头间距为一固定值，不可适用于多种间距的绝缘子检测，适用范围有限；
（3）上述两专利中均未提及检测到可靠信号后的弹开命令设置，由于多旋翼无人机在进行绝缘子检测时，一般为不妨碍线路正常供电，多为带电检测，无人机应尽量减少近距离乃至接触绝缘子的检测时间，以提高检测安全性。
发明内容
本发明的目的就是为解决上述问题，提供一种多旋翼无人机检测绝缘子的方法与装置，它主要利用多旋翼无人机这种安全稳定的高效手段，通过测量绝缘子两端电势与正常值相比较的方法实现对绝缘子状态的检测。利用该装置和方法，不仅可作为一种监测手段，及时了解和掌握线路绝缘子的运行情况，是否存在安全隐患，为有效决策提供依据；还能够避免了检测人员爬高进行近距离带电操作的危险性，同时提高检测效率。对输电线路的安全性及无人机巡检可利用范围的延伸具有很大的实际意义。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种多旋翼无人机检测绝缘子装置，它包括一个多旋翼无人机，在多旋翼无人机上设有飞控系统机载控制计算机，飞控系统机载控制计算机与定位装置、无人机舵机控制器、高度测量装置、速度测量装置、无人机PCM遥控接收机以及机载无线通讯单元连接，机载无线通讯单元与地面站通信；无人机舵机控制器控制伺服舵机，伺服舵机则控制多旋翼无人机的多旋翼模块，所述飞控系统机载控制计算机与高清摄像头连接；探测上极和探测下极分别与各自的电压传感器连接，两电压传感器均与A/D转化单元连接，A/D转化单元与DSP处理单元连接，DSP处理单元与飞控系统机载控制计算机连接；同时飞控系统机载控制计算机还与升降装置连接，升降装置带动探测下极移动。
所述定位装置包括无人机卫星定位模块、无人机数字罗盘以及无人机三轴陀螺仪、无人机三轴加速度计，它们均与飞控系统机载控制计算机连接。
所述升降装置包括一个升降单元，升降单元通过升降结构驱动探测下极移动。该升降结构采用专利申请号为200580010899.4中所述升降装置结构。
所述地面站包括地面站信息处理系统，它通过地面站无线通讯单元与机载无线通讯单元通信。
一种采用多旋翼无人机检测绝缘子装置的检测方法，步骤为：
步骤一：在飞控系统机载控制计算机中设置弹开命令所执行的线路和距离；
步骤二：在地面站信息处理系统中设置好绝缘子电势差的标准曲线；
步骤三：选取多旋翼无人机起飞地点，并设置飞行高度；
步骤四：多旋翼无人机上搭载绝缘子检测装置起飞后，根据高清图像实时缓慢调节悬停位置，最终确保探测上、下极分别接触到绝缘子上下两端，而后通过电压传感器、A/D转化单元、DSP处理单元将所测得数据输入飞控系统机载控制计算机；
步骤五：飞控系统机载控制计算机得到一个电势差数据后，立即将弹开命令输出给无人机舵机控制器，进而由无人机舵机控制器控制伺服舵机，指挥多旋翼模块动作，多旋翼无人机将按照步骤一种设置的路线和距离迅速离开被检测绝缘子；
步骤六：重复步骤四、五，至整个绝缘子串上所有绝缘子检测完毕；
步骤七：绝缘子串检测完毕后，地面站信息处理单元中即生成疑似非正常工作的绝缘子编号报告，该编号为根据GPS、高度及检测顺序信息判定的绝缘子具体位置。
所述步骤一中，所述弹开命令执行的线路和距离需根据整个绝缘子串的方向和与杆塔、导线的相对位置、距离设置，以避免执行该命令时与绝缘子串、杆塔和导线的碰撞。
所述步骤二中，标准曲线参照电力行业标准DL/T 487-2000330kV及500kV交流架空送电线路绝缘子串的分布电压设置；由于不同环境、地域中绝缘子串电压分别也会略有差异，还可选择不设置标准曲线，仅在最终分析结果时，将整个绝缘子串上各个绝缘子检测的电势差值绘制曲线，找到变化趋势与其他各点不一致的点对应绝缘子，即为疑似非正常工作绝缘子。
所述步骤三中，所选取的起飞地点和飞行高度应在保证安全飞行的前提下，尽可能使绝缘子串处于高清摄像头的视野中，便于步骤四的进行。
所述步骤四中，检测时应从距离导线较近一侧的绝缘子片开始。
所步骤七中，应将生成的疑似非正常工作绝缘子编号报告发送给线路维护人员，以此为依据进行绝缘子重点更换。
本发明的工作原理为：
探测上、下级分别接触带电作业的绝缘子两端，得到的电信号由两个电压传感器分别变成电压信号后，通过A/D转化单元将电压模拟信号转化为数字信号，输入DSP处理单元进行数据处理，而后将处理后得到的绝缘子两端电势差值输入多旋翼无人机的飞控系统机载控制计算机。飞控系统机载控制计算机同时接受多旋翼无人机飞行状态和各个部件工作情况的多种信息，将其中多旋翼无人机的GPS值和高度信息提取后，与电势差值一一匹配后，通过无线传输传递给地面站进行数据处理，判断是否正常工作的绝缘子及其具体位置；同时，高清摄像头也将所采集的视频通过与飞控系统机载控制计算机由无线传输传递给地面站，地面站人员可实时监控多旋翼无人机的飞行状态，也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控系统机载控制计算机调节飞行高度以及探测上极与探测下极之间的距离，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。飞控系统机载控制计算机通过无线通讯接收到地面站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。此外，飞控系统机载控制计算机在得到DSP处理单元输入的电势差值后，为尽量减少接触绝缘子的检测时间，提高检测安全性，会输出给无人机舵机控制器一个弹开命令，进而由无人机舵机控制器控制伺服舵机，指挥多旋翼模块动作，迅速按照预先设定的路线离开绝缘子。
本发明的有益效果：
1.本发明设计了一种多旋翼无人机检测绝缘子的方法与装置，利用该系统，能够实现对绝缘子状态的实时带电检测，利用该装置和方法，不仅可作为一种监测手段，及时了解和掌握线路绝缘子的运行情况，是否存在安全隐患，为有效决策提供依据；还能够避免了检测人员爬高进行近距离带电操作的危险性，同时提高检测效率。对输电线路的安全性及无人机巡检可利用范围的延伸具有很大的实际意义。
2.上述多旋翼无人机检测绝缘子的方法与装置，既利用了电势测量法的简单可靠性，客服了视觉方式等其他绝缘子检测方法的不足，又利用了无人机这种安全稳定的高效手段，能够避免需要检测人员爬高进行近距离带电操作的危险性，同时具有操控简单、适用范围广、不必大范围安装的性能，极大提高了检测效率。
3.上述多旋翼无人机检测绝缘子的装置中，添加了升降单元，由其通过调节升降结构从而改变探测上极与探测下极之间的距离，省去了在检测前先测量绝缘子间距的步骤，使该装置适用于更多种间距的绝缘子检测，大大增加了使用范围。
4.上述多旋翼无人机检测绝缘子的装置中，采用了弹开命令设置。飞控系统机载控制计算机在得到DSP处理单元输入的电势差值后，为尽量减少接触绝缘子的检测时间，提高检测安全性，会输出给无人机舵机控制器一个弹开命令，进而由无人机舵机控制器控制伺服舵机，指挥多旋翼模块动作，迅速按照预先设定的路线离开绝缘子。
附图说明
图1为多旋翼无人机检测绝缘子装置的结构及数据流程图。
图2为多旋翼无人机检测绝缘子装置的外观示意图。
图3为升降结构示意图。
图中，1探测上极，2探测下极，3电压传感器，4A/D转化单元，5DSP处理单元，6飞控系统机载控制计算机，7无人机卫星定位模块，8无人机数字罗盘，9无人机三轴陀螺仪，10无人机三轴加速度计，11无人机舵机控制器，12无人机气压高度计，13无人机转速测量传感器，14无人机PCM遥控接收机，15机载无线通讯单元，16伺服舵机，17多旋翼模块，18地面站无线通讯单元，19地面站信息处理单元，20高清摄像头，21升降单元，22升降结构。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。
图1中，一种多旋翼无人机检测绝缘子的装置，它包括多旋翼无人机，在多旋翼无人机上设有绝缘子检测装置，该装置包括探测上极1，探测下极2，分别连接电压传感器3，两电压传感器3通过A/D转化单元4将探测上、下极1、2得到的电压模拟信号转化为数字信号后，输入DSP处理单元5进行数据处理，DSP处理单元5输入端亦与多旋翼无人机的飞控系统机载控制计算机6连接。
多旋翼无人机包括飞控系统机载控制计算机6，与其相连的有无人机卫星定位模块7、无人机数字罗盘8、无人机三轴陀螺仪9、无人机三轴加速度计10、无人机舵机控制器11、无人机气压高度计12、无人机转速测量传感器13、无人机PCM遥控接收机14、机载无线通讯单元15；其中无人机卫星定位模块7、无人机数字罗盘8、无人机三轴陀螺仪9、无人机三轴加速度计10,无人机气压高度计12、无人机转速测量传感器13、无人机PCM遥控接收机14均将所采集的数据输入飞控系统机载控制计算机6进行分析，飞控系统机载控制计算机6将无人机卫星定位模块7和无人机气压高度计12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5输入的电势差值相匹配后，通过机载无线通讯单元15将数据传输给地面站无线通讯单元18，从而地面站信息处理装置19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属于和位置绝缘子串的第几片。
多旋翼无人机上还搭载高清摄像头20，高清摄像头20与飞控系统机载控制计算机6相连，不但能将所采集视频通过机载无线通讯单元15传送给地面站无线通讯单元18，由地面站人员可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20实时传回的图像，可操控飞控系统机载控制计算机6调节飞行高度以及探测上极1与探测下极2之间的距离，使探测上极1与探测下极2能够分别接触绝缘子两端，分别测得电势值。
飞控系统机载控制计算机6是通过机载无线通讯单元15接收到地面站信息处理系统19调节探测上极1与探测下极2之间的距离的信号后，发出指令给升降单元21，由升降单元21调节升降结构22从而改变探测上极1与探测下极2之间的距离。其中，升降单元21即为一可编程单片机，其与升降结构22中的电机驱动单元连接，主要将飞控系统机载控制计算机6发出的距离信号转化为电机驱动信号，以调节升降结构22。
升降结构22参照即专利申请号为200580010899.4中所述升降装置结构，其结构如图3所示。其中，该结构中底板固定于图2中所示多旋翼无人机主体结构底部，该结构中顶部即与探测下极2连接，以调节探测下极2的上下位置。由于各型号绝缘子片间距数值相差并不大，该升降结构采用微小型化，且升降结构整体安装需满足旋翼无人机配重平衡要求。
飞控系统机载控制计算机6在得到DSP处理单元5输入的电势差值后，为尽量减少接触绝缘子的检测时间，提高检测安全性，会输出给无人机舵机控制器11一个弹开命令，进而由无人机舵机控制器11控制伺服舵机16，指挥多旋翼模块动作17，迅速按照预先设定的路线离开绝缘子。
如图2，为多旋翼无人机检测绝缘子装置的外观示意图。探测上极1，探测下极2为上下两金属圆环，与机体和旋翼之间均采用中空炭纤维管绝缘连接；电压传感器3及其两端相连的导线均处于碳纤维管内部；旋翼与舵机相连导线也处于碳纤维管内部；其余部件均处于多旋翼无人机主体结构内固定安装，其中高清摄像头20为朝向外侧固定安装；安装时需满足旋翼无人机配重平衡要求，对于各部件位置和次序无要求。
本发明避障方法的步骤为：
步骤一：在飞控系统机载控制计算机中设置弹开命令所执行的线路和距离；
步骤二：在地面站信息处理系统中设置好绝缘子电势差的标准曲线；
步骤三：初步选取多旋翼无人机起飞地点，并设置飞行高度；
步骤四：多旋翼无人机上搭载绝缘子检测装置起飞后，根据高清图像实时缓慢调节悬停位置，最终确保探测上、下极分别接触到绝缘子上下两端，而后通过电压传感器、A/D转化单元、DSP处理单元将所测得数据输入飞控系统机载控制计算机；
步骤五：飞控系统机载控制计算机得到一个电势差数据后，立即将弹开命令输出给无人机舵机控制器，进而由无人机舵机控制器控制伺服舵机，指挥多旋翼模块动作，多旋翼无人机将按照步骤一种设置的路线和距离迅速离开被检测绝缘子；
步骤六：重复步骤四、五，至整个绝缘子串上所有绝缘子检测完毕；
步骤七：绝缘子串检测完毕后，地面站信息处理单元中即生成疑似非正常工作的绝缘子编号（根据GPS、高度及检测顺序等信息判定绝缘子具体位置及编号）报告。
绝缘子的编号规则可参见电力行业标准DL/T 487-2000 330kV及500kV交流架空送电线路绝缘子串的分布电压设置中所述。
上述步骤一中，所述弹开命令执行的线路和距离需根据整个绝缘子串的方向和与杆塔、导线的相对位置、距离设置，避免执行该命令时与绝缘子串、杆塔和导线的碰撞；此外，还可设定弹开的路线即沿靠近该绝缘子时的路线原路返回。
上述步骤二中，所述标准曲线可参照电力行业标准DL/T 487-2000 330kV及500kV交流架空送电线路绝缘子串的分布电压设置；由于不同环境、地域中绝缘子串电压分别也会略有差异，还可选择不设置标准曲线，仅在最终分析结果时，将整个绝缘子串上各个绝缘子检测的电势差值绘制曲线，找到变化趋势与其他各点不一致的点对应绝缘子，即为疑似非正常工作绝缘子。该方法可参见期刊《电力设备》2007年3月第8卷第3期文章《500kV直流线路不良绝缘子带电检测技术研究》所述内容。
上述步骤三中，所选取的起飞地点和飞行高度应在保证安全飞行的前提下，尽可能使绝缘子串处于高清摄像头的视野中，便于步骤四的进行。
上述步骤四中，检测时应从距离导线较近一侧的绝缘子片开始（参照绝缘子编号的顺序）。
上述步骤七中，即完成绝缘子的检测，应将生成的疑似非正常工作绝缘子编号报告发送给线路维护人员，以此为依据进行绝缘子重点更换。
Claims (8)
1.一种多旋翼无人机检测绝缘子装置，它包括一个多旋翼无人机，在多旋翼无人机上设有飞控系统机载控制计算机，飞控系统机载控制计算机与定位装置、无人机舵机控制器、高度测量装置、速度测量装置、无人机PCM遥控接收机以及机载无线通讯单元连接，机载无线通讯单元与地面站通信；无人机舵机控制器控制伺服舵机，伺服舵机则控制多旋翼无人机的多旋翼模块，其特征是，所述飞控系统机载控制计算机与高清摄像头连接；探测上极和探测下极分别与各自的电压传感器连接，两电压传感器均与A/D转化单元连接，A/D转化单元与DSP处理单元连接，DSP处理单元与飞控系统机载控制计算机连接；同时飞控系统机载控制计算机还与升降装置连接，升降装置带动探测下极移动；
所述升降装置包括一个升降单元，升降单元通过升降结构驱动探测下极移动；所述探测上极和探测下极为上下两金属圆环，其通过中空碳纤维管与多旋翼无人机连接，电压传感器及其两端相连的导线均处于碳纤维管内部；多旋翼模块与伺服舵机相连导线也处于碳纤维管内部；高清摄像头为朝向外侧固定安装；
所述地面站包括地面站信息处理系统，它通过地面站无线通讯单元与机载无线通讯单元通信。
2.如权利要求1所述的多旋翼无人机检测绝缘子装置，其特征是，所述定位装置包括无人机卫星定位模块、无人机数字罗盘以及无人机三轴陀螺仪、无人机三轴加速度计，它们均与飞控系统机载控制计算机连接。
3.一种采用权利要求1所述的多旋翼无人机检测绝缘子装置的检测方法，其特征是，步骤为：
步骤一：在飞控系统机载控制计算机中设置弹开命令所执行的线路和距离；
步骤二：在地面站信息处理系统中设置好绝缘子电势差的标准曲线；
步骤三：选取多旋翼无人机起飞地点，并设置飞行高度；
步骤四：多旋翼无人机上搭载绝缘子检测装置起飞后，根据高清图像实时缓慢调节悬停位置，最终确保探测上极和探测下极分别接触到绝缘子上下两端，而后通过电压传感器、A/D转化单元、DSP处理单元将所测得数据输入飞控系统机载控制计算机；
步骤五：飞控系统机载控制计算机得到一个电势差数据后，立即将弹开命令输出给无人机舵机控制器，进而由无人机舵机控制器控制伺服舵机，指挥多旋翼模块动作，多旋翼无人机将按照步骤一中设置的路线和距离迅速离开被检测绝缘子；
步骤六：重复步骤四、五，至整个绝缘子串上所有绝缘子检测完毕；
步骤七：绝缘子串检测完毕后，地面站信息处理系统中即生成疑似非正常工作的绝缘子编号报告，该编号为根据GPS、高度及检测顺序信息判定绝缘子具体位置。
4.如权利要求3所述的检测方法，其特征是，所述步骤一中，所述弹开命令执行的线路和距离需根据整个绝缘子串的方向和与杆塔、导线的相对位置、距离设置，以避免执行该命令时与绝缘子串、杆塔和导线的碰撞。
5.如权利要求3所述的检测方法，其特征是，所述步骤二中，标准曲线参照电力行业标准DL/T 487-2000330kV及500kV交流架空送电线路绝缘子串的分布电压设置。
6.如权利要求3所述的检测方法，其特征是，所述步骤三中，所选取的起飞地点和飞行高度应在保证安全飞行的前提下，尽可能使绝缘子串处于高清摄像头的视野中，便于步骤四的进行。
7.如权利要求3所述的检测方法，其特征是，所述步骤四中，检测时应从距离导线较近一侧的绝缘子片开始。
8.如权利要求3所述的检测方法，其特征是，所步骤七中，应将生成的疑似非正常工作的绝缘子编号报告发送给线路维护人员，以此为依据进行绝缘子重点更换。
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