CN202042825U - 基于多旋翼无人飞行器的输电线路巡检系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于多旋翼无人飞行器的输电线路巡检系统，包括多旋翼无人飞行器和地面支持系统。多旋翼无人飞行器包含飞行器本体、机载飞行控制系统、机载任务系统和机载电源。飞行器本体由机身、固连于机身下方的起落架、多个以对称方式分布并安装于机身周边的旋翼组件组成。机载飞行控制系统包含飞行导航与控制部件、输电线路防碰撞预警与控制部件、遥控遥测数据链的机载端。机载任务系统包含减震吊舱、安装于减震吊舱的影像采集设备、无线图像传输链的机载端。地面支持系统包含遥控遥测数据链的地面端、飞行监控系统、无线图像传输链的地面端和影像监控系统。本实用新型结构合理、易于实现，具有良好的工程应用价值。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种基于多旋翼无人飞行器的输电线路巡检系统，属于电力、航空、控制等多技术交叉领域。本实用新型的提出与应用，为输电线路的中短途巡视与检测提供了一种高可靠、低风险、高效率、低成本的智能化技术手段，适应了国家智能电网技术的发展需求。
背景技术
输电线路具有分布广，覆盖面大，所处地形复杂，自然环境恶劣的特点。由于电力导线、地线、杆塔及其附件长期暴露在野外，会受到持续的机械张力、各种天气现象（风吹日晒、雨雪冰霜、雷击闪络等）、材料老化、动物或人为破坏的影响，产生倒塔、断股、磨损、腐蚀、受力等损伤。特别是绝缘子被雷击损坏，树木生长引起导线放电，杆塔材料被偷窃等意外事件，时有发生。若不及时采取有效的维护措施，这些隐患将最终导致输电线路重大安全事故。因此，必须对输电线路及其附属设备进行定期或应急的巡视检查，以有效掌握线路运行状态及周围环境的变化，及时发现设备缺陷和危及线路安全的隐患并开展维护，确保电力系统运行的安全、稳定与可靠。
传统的输电线路巡检基本依赖于人工登塔和地面望远镜观察，存在着工作量大、条件艰苦、可靠性（所采集信息的准确性和完整性）不高、巡检效率低、巡检人员安全保护等方面的不足。特别对于山区和跨越大江大河的输电线路，以及恶劣条件（冰灾、水灾、地震、滑坡等）和夜晚环境，巡检工作的劳动强度和任务难度大、花费时间长、人力成本高。基于以上情况和越来越高的输电可靠性要求，采用航空飞行器平台的输电线路巡检技术正逐步应用于工程实践，并越来越显示出优越性。其中，有人驾驶飞行器平台以轻型有人直升机为主，无人驾驶飞行器平台以轻型的固定翼无人机、无人直升机和无人飞艇为主。
近年来，国内外开展了多项基于有人驾驶直升机的输电线路巡检技术研究，取得了大量成果。但有人驾驶直升机的应用，存在着飞行约束条件多、任务设备集成复杂、运营成本高、输电线路环境和运行人员承受的安全风险大、依赖于人工观察引导、巡检人员劳动强度大等不足，因而实用化和普及化难度很大。
在无人驾驶飞行器平台方面，固定翼无人机由于飞行速度快、飞行相对高度高、无法悬停凝视，因而巡检可靠性低，难以得到广泛应用。
申请号为200910017047.8的“巡检架空线路线和杆塔用无人直升机系统及其方法”实用新型专利及《山东电力技术》2010年第1期发表的“利用无人直升机巡检输电线路”论文，采用无人直升机携带检测设备、控制设备和通信设备，沿着架空线路走廊巡检线路和杆塔。此类无人直升机，其固有稳定性往往不足，人工操控的专业性要求高；为满足有效载荷和抗风性能，必须具有相当的尺度和质量，因而高速旋转的旋翼对输电设备、周围环境和地面人员潜在危害性很大，运行风险高，综合应用推广的潜力有限。
申请号为200410098960.2的“电力线路巡检机器人飞机及其控制系统”实用新型，提出一种应用于输电线路巡检的机器人飞机。该申请采用共轴双螺旋桨结构并由燃油发动机驱动，机械传动与操纵机构较为复杂，未涉及针对油机振动大而采取的减震防抖与图像降噪措施。
申请号为200810224172.1的“一种用于检测输电线路绝缘子的飞行机器人”实用新型专利，专门用于输电线路绝缘子的检测，未涉及输电线路的导线、金具等其它部件。所述的飞行机器人定位于三轴或四轴飞行器，所采用的超声波避碰系统只适用于回避具有较大反射面积的障碍物（如墙体），因而对架空导线的避碰作用十分有限。这种四旋翼飞行器有别于传统直升机，多以电能为动力，具有稳定性好、机动性强、可悬停凝视、操控简单、潜在危害性小、运行风险低等特点，应用潜力良好。为此在工程实践方面，湖南省电力公司于2010年开展了“四旋翼无人机解决覆冰监测难题”的研究；同年江西省电力公司测试了多种输电线路巡查无人机；航天科工深圳有限公司推出了四旋翼等无人机巡检系统。
综合起来可以看到，近年来的基于航空飞行器的电力巡检研究，技术细节少有公开，普遍存在着系统复杂度高、操控专业性强、巡检效率低、运行成本和风险高、智能化水平低等不足（四旋翼无人机相对较好）；特别是飞行器自身可靠性和线路安全防碰撞防护方面，缺少切实有效的手段。
实用新型内容
本实用新型的目的是，提出一种适用于输电线路中短途巡查与检测，可对各种隐性或潜在的缺陷实施多角度、全方位、快速而准确的实时观测和检查，乃至自动识别缺陷并诊断故障，具有线路防碰撞预警功能的低成本、高可靠、低风险、高效率的输电线路巡检系统，以弥补现有方案的不足。特别是该系统所采用的无人飞行器平台，应具有结构简单、飞行稳定、安全性高、易于操控、可自主悬停和自主飞行、便于运输等特点。
本实用新型的技术方案是：一种基于多旋翼无人飞行器的输电线路巡检系统，包括多旋翼无人飞行器和地面支持系统。多旋翼无人飞行器包含飞行器本体、机载飞行控制系统、机载任务系统和为全机电子设备供电的机载电源。飞行器本体由机身、固连于机身下方的起落架、多个以对称方式分布并安装于机身周边的旋翼组件组成。机载飞行控制系统包含飞行导航与控制部件、输电线路防碰撞预警与控制部件、遥控遥测数据链的机载端。机载任务系统包含减震吊舱、安装于减震吊舱的影像采集设备、无线图像传输链的机载端。机载飞行控制系统、机载任务系统和机载电源以内置或外挂方式固连于机身。地面支持系统包含遥控遥测数据链的地面端、飞行监控系统、无线图像传输链的地面端和影像监控系统。
优选地，所述的旋翼组件包括旋翼支撑臂、旋翼电机和旋翼。旋翼电机连接于旋翼支撑臂的外端，旋翼安装在旋翼电机的转轴上并由旋翼电机驱动；旋翼支撑臂的内端固连于机身。
优选地，所述的旋翼电机以固定方式与旋翼支撑臂连接。
优选地，所述的旋翼支撑臂具有机翼的外形和结构，所述的旋翼电机通过倾转机构与旋翼支撑臂连接。
优选地，所述的飞行导航与控制部件，包含惯性量、大气量、卫星定位类型的传感器，以及具有自主航迹跟踪、多旋翼故障诊断与容错飞行控制、机载电源实时监测与应急保护功能的飞行控制计算机。
优选地，所述的输电线路防碰撞预警与控制部件，包含基于电场场强感应或基于机器视觉的输电线路与飞行器距离感知传感器。
优选地，所述的飞行控制计算机具有与所述距离感知传感器接驳以实施避障控制的接口，和与所述遥控遥测数据链的机载端接驳的通信接口。
优选地，所述的减震云台包含用于变焦操纵、俯仰运动和方位运动的机构。
优选地，所述的影像采集设备为可见光高清摄像机或高分辨率照相机，或为红外成像仪，或为紫外成像设备。
优选地，所述的机载任务系统，还包含基于机器视觉的输电线路部件自动跟踪、具有凝视检测功能的机载视觉计算机。
优选地，所述的飞行监控系统包括飞行遥控设备，以及具有路径规划、飞行状态监视、碰撞预警显示、远程操控功能的飞行监控计算机。
优选地，所述的飞行监控系统具有与所述遥控遥测数据链的地面端接驳的通信接口。
优选地，所述的影像监控系统包括用于操作所述减震吊舱和所述影像采集设备的远程操控设备，以及用于机载影像监视的影像监视计算机。
优选地，所述的影像监控系统具有与所述无线图像传输链的地面端接驳的通信接口。
优选地，所述的地面支持系统，还包含基于机器视觉的输电线路巡检综合诊断计算机。
该方案的优点是：
1）多旋翼飞行器具有机动性好、简单易用、潜在危害性小、运行风险低、便于携带等特点，配合飞行控制系统后的稳定性和操控性良好，可悬停凝视，非常适合于输电线路的巡检，尤其是中短距离的应急和常规检测。
2）通过减震云台搭载影像采集设备，可多角度、全方位地采集并观测到输电线路设备及其故障点的高分辨率稳定图像。
3）当旋翼支撑臂具有机翼的外形和结构、旋翼电机通过倾转机构与旋翼支撑臂连接时，有利于前飞时实现旋翼前倾，以充分利用机翼带来的空气动力，减少系统能耗，延长飞行时间。
4）飞行导航与控制部件能够感知飞行器的姿态、速度和位置等状态量，并通过飞行控制计算机对飞行器实施自主航迹跟踪控制、多旋翼故障诊断与容错飞行控制、机载电源实时监测与应急保护控制，提高了飞行器的可靠性水平。
5）输电线路防碰撞预警与控制部件的应用，可对飞行器实施快速的避障控制，从而有效提高线路巡检的安全性。
6）通过机载视觉计算机，机载任务系统可对输电线路部件进行自动的视觉跟踪，并实施凝视检测。
7）地面支持系统包含基于机器视觉的输电线路巡检综合诊断计算机，有助于快速判别与定位线路缺陷和故障，有效提高巡检系统的智能化水平。
附图说明：
图1为本实用新型的系统组成结构图。
具体实施方式
如图1所示，本实用新型的实施例1是：一种基于多旋翼无人飞行器的输电线路巡检系统，包括多旋翼无人飞行器和地面支持系统。多旋翼无人飞行器包含飞行器本体、机载飞行控制系统、机载任务系统和为全机电子设备供电的机载电源。飞行器本体由机身、固连于机身下方的起落架、多个以对称方式分布并安装于机身周边的旋翼组件组成。机载飞行控制系统包含飞行导航与控制部件、输电线路防碰撞预警与控制部件、遥控遥测数据链的机载端。机载任务系统包含减震吊舱、安装于减震吊舱的影像采集设备、无线图像传输链的机载端。机载飞行控制系统、机载任务系统和机载电源以内置或外挂方式固连于机身。地面支持系统包含遥控遥测数据链的地面端、飞行监控系统、无线图像传输链的地面端和影像监控系统。
旋翼组件包括旋翼支撑臂、旋翼电机和旋翼。旋翼电机以固定方式连接于旋翼支撑臂的外端，旋翼安装在旋翼电机的转轴上并由旋翼电机驱动；旋翼支撑臂的内端固连于机身。
飞行导航与控制部件包含惯性量、大气量、卫星定位类型的传感器，以及具有自主航迹跟踪、多旋翼故障诊断与容错飞行控制、机载电源实时监测与应急保护功能的飞行控制计算机。
输电线路防碰撞预警与控制部件，包含基于电场场强感应或基于机器视觉的输电线路与飞行器距离感知传感器。
飞行控制计算机具有与距离感知传感器接驳以实施避障控制的接口，以及与遥控遥测数据链的机载端接驳的通信接口。
减震云台包含用于变焦操纵、俯仰运动和方位运动的机构。影像采集设备为可见光高清摄像机或高分辨率照相机，或为红外成像仪，或为紫外成像设备。
飞行监控系统包括飞行遥控设备，以及具有路径规划、飞行状态监视、碰撞预警显示、远程操控功能的飞行监控计算机；并具有与所述遥控遥测数据链的地面端接驳的通信接口。
影像监控系统包括用于操作减震吊舱和影像采集设备的远程操控设备，以及用于机载影像监视的影像监视计算机；并具有与所述无线图像传输链的地面端接驳的通信接口。
本实用新型的实施例2是：与实施例1相似，但旋翼支撑臂具有机翼的外形和结构，旋翼电机通过倾转机构与旋翼支撑臂连接。该种倾转旋翼方式有利于在前飞时充分利用机翼的高升力特性，减少能源消耗，延长飞行时间。
本实用新型的实施例3是：在实施例1或实施例2的基础上，机载任务系统还包含基于机器视觉的输电线路部件自动跟踪、具有凝视检测功能的机载视觉计算机；地面支持系统还包含基于机器视觉的输电线路巡检综合诊断计算机。
除了组成结构外，系统的运行模式包含手动模式和自动模式。
手动模式
1）携带输电线路巡检系统到达现场，布置多旋翼无人飞行器和地面支持系统。检查完毕后，展开并启动设备，通过飞行遥控设备操控多旋翼无人飞行器起飞并升到杆塔或导线高度，开启影像采集。通过无线图像传输链的机载端和地面端，地面站接收到输电线路设备的实时影像。
2）通过飞行操控设备操控多旋翼飞行器沿输电线路巡视飞行，或悬停在输电线路设备附近，同时进行目标影像采集。
3）地面站从传回影像中发现疑似输电线故障目标后，通过远程操控设备操作机载影像采集设备，对目标影像进行放大以提高疑似点图像捕捉的清晰度，同时进行影像拍照与存储。
4）若飞行器距离输电线路到达设定的最小安全距离时，机载的输电线路防碰撞预警与控制部件将发出高亮度的LED警报告知地面操作人员，操作人员做出相应避障操控以恢复安全距离。
5）当机载电源的电量到达设定下限时，地面站的飞行监控系统将提示地面人员及时启动返航操作以回收飞行器。更换机载电源后可重复上述过程。
自动模式
1）携带输电线路巡检系统到达指定地点，布置多旋翼无人飞行器和地面支持系统，通过飞行监控系统设置飞行路线。一切设备检查完毕后，启动设备，多旋翼无人飞行器自动起飞上升到杆塔或导线高度，开启影像采集设备。通过无线图像传输链的机载端和地面端，地面站接收到输电线路设备的实时影像。
2）根据预置的杆塔高度和经纬度，多旋翼无人飞行器在机载飞行控制系统的控制下，沿输电线路的外侧自动巡视飞行。飞行器的当前经纬度由飞行导航与控制部件实时提供。
3）地面的影像监控系统从传回影像中发现疑似输电线故障目标后，先通过飞行监控系统将飞行模式切换到悬停状态，然后通过远程操控设备操作机载影像采集设备，对目标影像进行放大以提高疑似点图像捕捉的清晰度，同时进行影像拍照与存储。之后，切换回自主巡视状态。
4）若飞行器距离输电线路到达设定的最小安全距离时，机载的输电线路防碰撞预警与控制部件将发出高亮度的LED警报告知地面操作人员，同时经机载飞行控制系统进行自动避障，恢复安全距离。
5）当机载电源的电量到达设定下限时，地面站的飞行监控系统将提示地面人员，同时启动自动返航程序以回收飞行器。更换机载电源后可重复上述过程。
6）手动模式具有更高优先权，因此在自动模式下可随时切换到手动操控。
Claims (10)
1.一种基于多旋翼无人飞行器的输电线路巡检系统，其特征在于：包括多旋翼无人飞行器和地面支持系统；多旋翼无人飞行器包含飞行器本体、机载飞行控制系统、机载任务系统和为全机电子设备供电的机载电源；飞行器本体由机身、固连于机身下方的起落架、多个以对称方式分布并安装于机身周边的旋翼组件组成；机载飞行控制系统包含飞行导航与控制部件、输电线路防碰撞预警与控制部件、遥控遥测数据链的机载端；机载任务系统包含减震吊舱、安装于减震吊舱的影像采集设备、无线图像传输链的机载端；机载飞行控制系统、机载任务系统和机载电源以内置或外挂方式固连于机身；地面支持系统包含遥控遥测数据链的地面端、飞行监控系统、无线图像传输链的地面端和影像监控系统。
2.根据权利要求1所述的基于多旋翼无人飞行器的输电线路巡检系统，其特征在于：所述的旋翼组件包括旋翼支撑臂、旋翼电机和旋翼；旋翼电机连接于旋翼支撑臂的外端，旋翼安装在旋翼电机的转轴上并由旋翼电机驱动；旋翼支撑臂的内端固连于机身。
3.根据权利要求2所述的基于多旋翼无人飞行器的输电线路巡检系统，其特征在于：所述的旋翼电机以固定方式与旋翼支撑臂连接；或者，所述的旋翼支撑臂具有机翼的外形和结构，所述的旋翼电机通过倾转机构与旋翼支撑臂连接。
4.根据权利要求1所述的基于多旋翼无人飞行器的输电线路巡检系统，其特征在于：所述的飞行导航与控制部件，包含惯性量、大气量、卫星定位类型的传感器，以及具有自主航迹跟踪、多旋翼故障诊断与容错飞行控制、机载电源实时监测与应急保护功能的飞行控制计算机。
5.根据权利要求1所述的基于多旋翼无人飞行器的输电线路巡检系统，其特征在于：所述的输电线路防碰撞预警与控制部件，包含基于电场场强感应或基于机器视觉的输电线路与飞行器距离感知传感器。
6.根据权利要求1所述的基于多旋翼无人飞行器的输电线路巡检系统，其特征在于：所述的减震云台包含用于变焦操纵、俯仰运动和方位运动的机构。
7.根据权利要求1所述的基于多旋翼无人飞行器的输电线路巡检系统，其特征在于：所述的影像采集设备为可见光高清摄像机或高分辨率照相机，或为红外成像仪，或为紫外成像设备。
8.根据权利要求1所述的基于多旋翼无人飞行器的输电线路巡检系统，其特征在于：所述的机载任务系统，还包含基于机器视觉的输电线路部件自动跟踪、具有凝视检测功能的机载视觉计算机。
9.根据权利要求1所述的基于多旋翼无人飞行器的输电线路巡检系统，其特征在于：所述的飞行监控系统包括飞行遥控设备，以及具有路径规划、飞行状态监视、碰撞预警显示、远程操控功能的飞行监控计算机。
10.根据权利要求1所述的基于多旋翼无人飞行器的输电线路巡检系统，其特征在于：所述的影像监控系统包括用于操作所述减震吊舱和所述影像采集设备的远程操控设备，以及用于机载影像监视的影像监视计算机。
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