CN113345123A - 用于高寒高海拔地区的基于无人机的电力输电线巡检系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力输电线巡检技术领域，涉及一种用于高寒高海拔地区的基于无人机的电力输电线巡检系统，所述巡检系统包括无人机、图像采集及处理系统、无线通信链路、地面巡检系统，所述无人机携带所述图像采集及处理系统，所述图像采集及处理系统负责将飞行范围内的图像采集记录下来并加以存储，同时通过上述无线通信链路将图像给所述地面巡检系统，所述地面巡检系统通过集成的图像处理技术，系统完成输电线的巡检。本发明的系统实现了高寒高海拔地区电力输电线巡检，提高了高压电力巡检的效率和精度，避免了人员的伤亡以及财产的损失。

Description

用于高寒高海拔地区的基于无人机的电力输电线巡检系统

技术领域

本发明涉及电力输电线巡检技术领域，具体涉及一种用于高寒高海拔地区的基于无人机的电力输电线巡检系统。

背景技术

近些年来，随着科技的快速发展，电能已经成为了人们日常生活不可或缺的能源，生活、工作、娱乐等无不与电能息息相关。电力系统的安全稳定是维系国家和社会正常运转的基础，没有正常运行的电力系统也就没有现在蓬勃发展的工业社会，更没有国家经济的快速发展和人们幸福舒适的生活。

输电线路是电力系统中重要的一部分，主要由线路杆塔、高压输电线、绝缘子、线路金具等设备构成，架设在地面上的电塔把电厂输入的电能经过变压器增压之后输送给用电方。但输电线路的工作环境大多在野外以及一些荒无人烟的地方，雨雪、雷击等恶劣环境可能会对输电线路造成破坏，鸟类筑巢、人造垃圾也会形成安全隐患。电力系统一旦出现问题，会给人们生活带来诸多不便，也会给国家和社会带来巨大的损失。所以保障输电线路安全稳定的运行尤为关键，必须定期进行检查和维护。

为了保障输电线路安全稳定的运行，电力工人需要定期的巡检输电线路，巡检方式一般分为线上巡检和登杆巡检。在高寒高海拔地区，环境因素导致电力巡检人工成本极高，电力工人身穿防电工作服，在高空测量数据以及观察电力器件是否受到损坏，如输电线路是否存在异物，绝缘子串是否有破损，线夹和接线管是否有异常发热，螺帽、螺栓是否松动，以上这些工作都需要大量人力物力才能够安全有效的完成。

然而，人工巡检的方式存在许多缺点，例如：

(1)高空作业难度太高。需要巡检的电力器件多半位于十几米的杆塔上，攀爬到高空中执行巡检任务，对巡检人员的技术和心理素质都是很大的考验。在高寒高海拔地区，氧含量低以及低温环境下，即使对有经验的技术人员来说也是很大的挑战。

(2)高空巡检作业安全隐患比较多。在数十米的高空长时间作业，巡检人员若是出现意外状况如安全绳索断裂、注意力不集中、身体不适等都可能会导致人员伤亡，造成严重的后果。

(3)人力巡检精度不高。部分输电线路两端的杆塔相距较远，巡检人员即使攀登至相应高度后也只能用望远镜进行察看，由于在杆塔上无法多角度观察器件，会因为光照等因素会产生较大的误差，另外长时间察看之后用眼疲劳也会造成巡检质量的降低。

(4)人力成本太高。高空巡检不仅需要巡检人员，同时需要地面人员提供安全保障。在复杂险恶的地势或需要巡检的目标较多时，甚至需要几组工作人员巡检一处输电线路，很大程度上提高了人力成本。

(5)人力巡检效率低下。人工巡检需要攀爬杆塔，降低了巡检效率。另外在巡检过程中可能需要多角度的通过望远镜观察电力器件，巡检人员在高空中需要来回的变换位置，这不仅导致效率低下，也增加了安全隐患。

此外，我国高原、高海拔、高寒地区主要集中在西部地区，该地区地广人稀、交通不便，使人工巡检作业受到严重影响。

因此，本领域急需新的安全、高效、精确的巡检方式，特别是适合高原、高海拔、高寒地区电力输电线巡检的系统。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种可以用于高寒高海拔地区的基于无人机的电力输电线巡检系统，用以解决现有电力输电线人力巡检存在的以下技术问题：高空作业难度高、高空巡检作业安全隐患多、人力巡检精度不高、人力成本以及效率低下的问题，尤其是解决高寒高海拔的环境下高压输电线路故障难以巡检的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种用于高寒高海拔地区的基于无人机的电力输电线巡检系统，该监测系统包括无人机、图像采集及处理系统、无线通信链路、地面巡检系统，所述无人机携带所述图像采集及处理系统，所述图像采集及处理系统负责将飞行范围内的图像采集记录下来并加以存储，同时通过上述无线通信链路将图像给所述地面巡检系统，所述地面巡检系统通过集成的图像处理技术，系统完成输电线的巡检。

在本发明的用于高寒高海拔地区的基于无人机的电力输电线巡检系统的实施方案中，无人机为八旋翼飞行器，且至少包括飞行控制系统、动力系统、通信模块。

在本发明的用于高寒高海拔地区的基于无人机的电力输电线巡检系统的实施方案中，无人机还包括附属配件。

在本发明的用于高寒高海拔地区的基于无人机的电力输电线巡检系统的实施方案中，附属配件为电池保温箱和/或电池保护套。

在本发明的用于高寒高海拔地区的基于无人机的电力输电线巡检系统的实施方案中，图像采集及处理系统包括30倍200万光学变焦红外双光吊舱。

在本发明的用于高寒高海拔地区的基于无人机的电力输电线巡检系统的实施方案中，无线通信链路为5G无线通信链路系统，集成5G芯片和5G通信模块，由现场无线图传信号接收中心和前端移动监控收/发设备组成。

在本发明的用于高寒高海拔地区的基于无人机的电力输电线巡检系统的实施方案中，地面巡检系统包括地面处理终端，例如电脑、掌上电脑、移动终端等。

本发明方法具有如下优点：本发明使用多旋翼无人机结合5G无线通信链路系统来改变人工电力巡检的现状，实现自主巡线检测等功能，特别是实现了高寒高海拔地区电力输电线巡检，提高了高压电力巡检的效率和精度，避免了人员的伤亡以及财产的损失。

附图说明

图1显示了无人机系统的组成。

图2显示了无人机搭载的设备

图3用于图像处理的视觉简化模型。

图4显示了5G模块硬件架构图。

具体实施方式

下面将结合具体实施方案对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，但是本领域技术人员应当理解，下文所述的实施方案仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。基于本发明中的实施方案，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方案，都属于本发明保护的范围。

基用于高寒高海拔地区的基于无人机的电力输电线巡检系统主要由四大部分组成，分别为无人机、挂载的图像采集和处理系统、无线通信链路、地面巡检系统平台。

1.无人机系统

我国高原、高海拔、高寒地区主要集中在西部地区。该地区地广人稀、交通不便，使无人机测量作业受到严重影响。高原、高海拔、高寒地区气象条件较为恶劣，气候变化差异性大，输电线沿线时常跨越多雾区、峡谷风道区、地形抬升区、永久冻土区等多种特殊地段，“微气象”变化较大。恶劣的气象条件，会对人员实地勘测带来极大的不便利性。除此之外，浓雾、低温、大风、雨雪等气象条件也会对无人机飞行和测量造成较大的影响，甚至可能造成坠机等严重事故。此外高原、高海拔、高寒地区气温通常较平原地带、低海拔地域要低，特别是高寒地区年均气温通常在零度以下，不仅对作业人员影响较大，还对无人机性能要求较高。实践表明，当气温低于4℃时，无人机的锂电池电解液会变稠或凝结，电效率和电池电量降低，严重制约了无人机的工作时长。同时寒冷情况还会对无人机上各种电子传感器造成不利影响。

针对以上环境等条件的影响，对无人机硬件设计提出了较为严峻的挑战。因此在本发明的实施方案中，无人机为工业级八旋翼飞行器，机臂伞状折叠设计，方便携带、快速展开；全碳纤维机体，刚度高，重量轻；7级抗风能力，中雨可行，200个航点的多点导航，一键起飞/返航/降落、航迹规划，指点飞行，绕点飞行，兴趣点环绕等功能；低电量返航，控制信号丢失返航。

无人机至少需要三个子系统：飞行控制系统、动力系统、通信模块，如图1所示。

1)飞行控制系统

飞行控制系统是无人机完成起飞、空中飞行、执行任务和返场回收等整个飞行过程的核心系统，简称“飞控”。飞控对于无人机相当于驾驶员对于载人机的作用，认为是无人机最核心的技术之一。飞控包括各类传感器、主控芯片和数据链路接口三大部分，实现的功能主要有无人机姿态稳定和控制、无人机任务设备管理和应急控制三大类。

向主控芯片提供飞行数据的传感器类型主要有：

以上传感器主要的功能就是获取无人机飞行过程中各种相关信息，并提供给飞控的主控芯片，经过分析计算，飞控输出控制指令由无人机的执行机构(动力系统)自动保持无人机的悬停或执行飞行任务。

2)动力系统

动力系统包括：电子调速器、无刷电机、螺旋桨

根据高海拔特性，需要对动力系统的搭配进行调整，并做对比测试，以适应工作环境。过程如下：

a)此次选取的无人机平台原使用8017型号盘式无刷电机搭配30寸螺旋桨动力套组装无人机，安装44Ah的12S高压版电池组(格式6s高压版22000mAh两并两串)，设置报警电压3.3V,进行试飞实验，最大实验航时为59min，最小航时为57min(受风力和温度影响)。

b)更换8017型号盘式无刷电机搭配28寸螺旋桨动力套组装无人机，进行同种测试，飞行航时为55min～57min。

c)使用8017型号盘式无刷电机搭配30寸螺旋桨动力套组装无人机，安装44Ah 12S高压版电池组(格式6S高压版22000mAh两并两串)，设置报警电压3.3V,起飞重量54kg进行试飞实验，最大实验航时为21min，最小航时为19min(受风力和温度影响)。

原因分析，模拟8017型号盘式无刷电机搭配30寸螺旋桨动力套悬停电压为2.2kw放电测试，测试时间显示其悬停时间应为54min～56min，实际飞行时间为57min～59min，因为高海拔地区温度及环境的影响，无人机最终选定8017型号盘式无刷电机搭配30寸螺旋桨动力套为动力系统，空机设计质量为29kg,最大负载25kg，空载航时57～59min，满载航时为17～19min。

无人机的正常工作温度为-20℃～+55℃，在该温度范围之内，定制均可正常运行，执行相应飞行任务。无人机机载电子元器件设备、部件等均已经通过出厂测试，可在-20℃环境下正常工作使用。所以，结合之前对锂电池低温环境下工作性能的分析，为了获得更好的飞行性能，提高任务执行效率，在高寒/低温环境下，在执行飞行任务之前，应对定制无人机及无人机配件进行相关防护措施。

3)通信模块

巡检的多为高电压输电线路，在其周围会存在强电磁场，这对于无人机的稳定飞行及图像数据的回传造成了极大地影响。所采用的无线传输模块是地面站与无人机的通信的重要模块，同时图像的回传也要依赖无线通信实现，所以，无线通信的质量会直接关乎无人机的飞行状态及图像的回传质量，无线通信链路的抗干扰性显得尤为重要。5G网络作为目前最先进的通讯网络，可以对接入网络的无人机提供超视距飞行服务。图传主要负责将无人机搭载的摄像设备采集到的实时图像，并通过无载波线通信技术传回到地面的处理中心。5G模块作为全球首款5G网联无人机机载专用通信终端，采用了轻量小型化的设计，便于安装；采用宽电压输入，能适配多数的无人机电源；同时，5G模块具有5G接入能力，支持SA/NSA不同组网方式；丰富的物理接口设计，包含千兆以太网、多路UART以及USB3.0。图4显示了5G模块硬件架构。

通信模块所传输的数据主要包括：

上行数据：

A)向无人机发送的控制指令；

B)地面RTK基站向无人机机载部分模块发送的RTK相关数据；

下行数据：

A)无人机飞行过程中的实时飞行数据：姿态、GPS信息、电池电压等；

B)无人机所挂载的任务设备回传数据：光电吊舱的图像等；

由此可见通信模块是无人机与云平台通信的中间枢纽，考虑到之前所提及高寒高海拔地区的不良条件，以及对于无人机进行电力巡检场景所需要达到的要求，此次通信模块选用借助5G通信链路，来完成上行、下行数据的传输。

5G模块的安装位置：可安装于无人机吊舱内或者采用配套的安装结构件固定于无人机机舱外；

电源接口：5G模块支持9～36V宽电压输入，不在此区间的无人机电源需使用变压器，5G模块提供配套的电源线；

网络接口：5G模块网络接口为航空头，可根据无人机自身情况选择连接线，5G模块配套航空头转RJ45连接线；

UART串行接口：5G模块支持多路串行接口，产品配套串口线。

USB3.0接口：5G模块为micro USB3.0接口，配套提供usb3.0A公对micro转接线。

5G模块主体和天线之间通过天线延长线连接，根据无人机情况，天线可以用配套结构件固定于机翼或机臂等位置；

建议天线安装于机身下方，方向垂直朝下，建议天线相互距离0.25米以上，推荐至少连接使用ANT1和ANT4，可选连接使用4根天线以增强信号质量和网络性能；

可通过5G模块WIFI热点或以太网连接5G模块，采用谷歌浏览器或者windows10自带的edge浏览器登陆5G模块管理界面，默认登陆地址为192.168.10.1。详细登录和使用方式参照《5G模块用户手册》。

4)无人机附属配件：

无人机附属配件可以包括电池保温箱和电池保护套。

电池保温箱

在低温环境下，为无人机供电的锂聚合物电池由于自身特性，其放电能力和供电效率均会有不同程度的减少，严重时甚至无法使用或造成电池永久损坏。从而造成无人机飞行时间和飞行性能的降低，甚至无法起飞。所以，在进行高寒/低温环境下无人机巡检任务时，应配备专用电池保温箱，在飞行任务执行之前保持电池温度以及电池预热，并在飞行任务执行之后及时将电池放回，保证低温不对电池造成损坏。

电池保护套

从理论上说，在锂聚合物电池进入正常工作状态后，其发出的温度可维持其正常运行温度而不至于被外部环境低温影响。但考虑到各种极端条件或天气状况，可以在巡检任务执行过程中为电池加装电池保护套，维持电池温度稳定，减少外部因素影响。

2.图像采集及处理系统

系统总体结构上看，该系统主要由无人机、GPS模块、摄像设备、SD卡、通信链路、地面控制站、监控中心和图像处理模块等组成。

无人机搭载的设备包括GPS模块、图传、三轴云台、IOSD、高清数码相机、飞巡控制模块接收器以及各类传感器，还可以根据巡视的要求更换或加载更多的巡视设备，无人机搭载设备如图2所示。此模块在系统中主要负责原始图像的采集工作。

1)图像采集

无人机携带硬件设备成为吊舱，可选用30倍200万光学变焦红外双光吊舱。

吊舱参数

2)图像处理

视觉操作是对图像和信息进行处理的过程，这个操作过程是外部获取的图像对观察者产生的有用信息的描述。因此，视觉对外部新信息处理的过程，可以从不同的三个方面来进行研宄和探索。第一个方面是计算理论，第二个方面是表示与算法，第三个方面是进行算法实现的硬件计算机视觉系统。如果以图像识别为重点，则可以简化为如图3所示的视觉简化模型。

图3所示的视觉简化模型中，给出了图像处理方面的基本过程。结合系统需求，引入无人机和来进行原始图像信息的获取，通过无线链路将图像传回地面终端，配合视觉模型的图像处理分析及图像识别、判断过程，最终，可以实现系统的自动获取图像并处理的功能。同时，可以达到将人工巡视和无人机巡视相结合，充分发挥无人机的易达、悬停、高清拍摄、细节巡视等特点，缩短巡视周期的同时。获取更多的巡视细节，弥补人工巡视的不足。

系统利用无人机携带摄像设备一起作为系统的传感器对输电线组成原始图像信息的采集模块，通过5G网络无线链路直接或通过SD卡存储的方式间接将图像信息传回至地面的处理终端，地面终端根据视觉模型对图像分别进行图像处理，最终检测出输电线路是否存在断股故障。如果存在以上问题，系统可以自动发出告警，并将相关图像和故障详情一起传送给监控中心，监控中心进一步核实后，开展相应的维修工作

3.5G无线通信链路系统

无线5G图传网络主要集成5G芯片和5G通信模块。由现场无线图传信号接收中心和前端移动监控收/发设备组成。实现对安全保卫或突发事件发生区域的移动监控，并根据需要将视频图像往上一级无线监控，其网络传输GSM/GPRS、CDMA为移动通信公网技术，当前有2G(接近停用状态)3G、4G、5G网络。其网络支持基于IP的Internet/Intranet的接入方式，可在移动用户和数据网络之间提供一种连接，能够提供快速即时的TCP/IP连接，可以用于数据传输、远程监控等应用。3G传输速率在高速移动环境中支持144kb/s，步行慢速移动环境中支持384kb/s，静止状态下支持2Mb/s；4G传输速率可达到20Mbps，甚至最高可以达到高达100Mbps；5G在28千兆赫(GHz)波段下达到了1Gbps。

第五代无线宽带技术，相比于4G技术，进一步提高了语音信息的传输质量，以及信号传输、接收的速度，容量更大，具有强大的数据信息整合功能。同时，也更好地满足了用户对语音、视频、在线游戏、即时通讯等的互动要求。而且5G网络中，当频谱宽度不足时，依旧能够高速运行，不受其影响依然保持在100Gbps，保障了在任何情况下，用户的需求都能得到满足。

具体而言，5g无线网络采用大规模多天线技术，能够获得以下优势：

1.能进一步提升系统的空间分辨率，并且可以在没有基站分裂的条件下，实现空间资源的挖掘。

2.能够让能量极小的波束集中在一块小型区域，减少干扰。

3.能够通过不同的空域、时域、频域等维度，提高对频谱和能量的利用效率。

4.大规模多天线技术结合了通信理论、电磁传播理论，其能够有效提升系统容量、峰值速率、减少能量消耗等，在5G无线网络中是一项被认为关键、具有可行性的技术。但是要实现技术也需要一定的条件，比如当小区内采用正交的导频序列、小区间采用相同的导频序列组时，会存在有导频污染的问题，导致上、下行数据传输的信干比无法随基站天线数增加相应变化。另外，若在基站侧部署大规模多天线技术，在一定程度上会增加成本的投入，在实际场景中，大规模多天线还要能够灵活地适应复杂的天线电环境，这是该技术面临的挑战。

3.1主要参数

通信能力

·支持5G(SA/NSA)/4G

·空口上行速率200Mbps

·空口下行速率1Gbps

协议能力

·RTMP/RTSP

·空管交互协议

·飞控交互协议

·IPv6/IPv4

·DHCP

宽电压输入

·支持9∽36VDC输入

物理接口

·多串口集成设计

·一路千兆网口

·一路USB3.0接口

低功耗设计

·功耗小于8W

设备管理

·以太接入管理

·WIFI接入管理

·FOTA远程升级

尺寸重量设计

·体积80*70*23mm

·重量约140g

工作环境

·工作温度-25～65℃

·工作湿度：5～90％

5G模块在“云-网-端”协同机制下，通过5G网络实时将飞控数据和图像数据与云平台进行交互，实现飞行数据和图像数据的上传以及飞行任务下发

4.地面巡检系统平台

无人机使用网页版地面站和后台服务器，借助4G/5G/LTE自建网络实现无人机远程监控与实时操控的地面站系统。

不同于传统地面站的安装操作，网页版地面站通过打开地面站链接就可实现对无人机的监控及控制，兼容PC端、手机端、和平板电脑，不受系统兼容性限制通用性更强，同时由于无人机通过网络服务器与地面站实现数据通信，只要网路条件允许，理论上无人机的操控是不限距离的，因此可以实习无人机的远距离超视距控制。

同时，由于后台服务器的实时参与，无人机的飞行记录、飞行轨迹及任务信息可实时上传至后台服务器，借助于服务器的大数据分析能力，进而实现多架无人之间的协同作业，避免多机飞行中出现碰撞的风险，真正实现一控多机。

采用账号密码的登陆方式，登陆成功后自动出现与用户绑定的无人机，实现用户与无人机的一一对应，便于人员与无人机的管理。

本发明的用于高寒高海拔地区的基于无人机的电力输电线巡检系统，由无人机搭载5G模块，悬挂吊舱完成整个硬件设施。在图像数据处理方面，5G模块可提供包括千兆以太、USB3.0在内的丰富接口来连接不同类型的摄像头；同时提供低时延、高带宽的5G数据通道，满足高清视频流的实时传输，以实时将摄像头视频推送至无人机云管理平台。

飞控通过串口链接5G模块进行通讯连接，5G模块为无人机提供高速稳定的传输链路，使得无人机在飞行过程中可以实时传输图像或视频，同时能使无人机在飞行过程中更好的被控制。在飞控数据处理方面，5G模块一端通过串口、以太口等连接无人机的飞控模块，另一端通过5G网络连接无人机云管理平台，提供低时延、高带宽、安全的数据通道。5G模块可以接收来自无人机飞控模块上报的各种飞行状态数据，如速度、方向、高度、GPS位置等，针对不同的飞控厂家，5G模块对飞行状态数据进行协议转换，统一格式后上报无人机云管理平台。同时，5G模块可以接收云管理平台的飞行控制指令，并根据各个不同飞控厂家的需要，将其转换为适应其协议的飞行控制指令发给无人机飞控模块，来实现对无人机的控制。5G模块与云管理平台交互实现对无人机的航点任务规划能力，即在平台侧提前完成航点规划，并设定好高度和速度等参数，然后下发给5G模块，5G模块与无人机实现交互控制。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (7)

1.一种用于高寒高海拔地区的基于无人机的电力输电线巡检系统，其特在在于，所述监测系统包括无人机、图像采集及处理系统、无线通信链路、地面巡检系统，所述无人机携带所述图像采集及处理系统，所述图像采集及处理系统负责将飞行范围内的图像采集记录下来并加以存储，同时通过上述无线通信链路将图像给所述地面巡检系统，所述地面巡检系统通过集成的图像处理技术，系统完成输电线的巡检。

2.根据权利要求1所述的用于高寒高海拔地区的基于无人机的电力输电线巡检系统，其特在在于，所述无人机为八旋翼飞行器，且至少包括飞行控制系统、动力系统、通信模块。

3.根据权利要求2所述的用于高寒高海拔地区的基于无人机的电力输电线巡检系统，其特在在于，所述无人机还包括附属配件。

4.根据权利要求2所述的用于高寒高海拔地区的基于无人机的电力输电线巡检系统，其特在在于，所述附属配件为电池保温箱和/或电池保护套。

5.根据权利要求1所述的用于高寒高海拔地区的基于无人机的电力输电线巡检系统，其特在在于，所述图像采集及处理系统包括30倍200万光学变焦红外双光吊舱。

6.根据权利要求1所述的用于高寒高海拔地区的基于无人机的电力输电线巡检系统，其特在在于，所述无线通信链路为5G无线通信链路系统，集成5G芯片和5G通信模块，由现场无线图传信号接收中心和前端移动监控收/发设备组成。

7.根据权利要求1所述的用于高寒高海拔地区的基于无人机的电力输电线巡检系统，其特在在于，所述地面巡检系统包括地面电脑终端。

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