基于无人机的输电线路巡视系统设计与实现

   目前，国内对输电线路巡视系统研究集中在六旋翼无人机、无人遥控直升机输电线路巡视系统应用上。六旋翼无人机是当前电力系统巡视应用较为成熟的一种机型，主要由机体结构、动力系统、飞控系统、图像采集系统组成，它在执行检查任务时能保持稳定的飞行状态，具有良好的起降能力，最大有效载荷10kg，最大巡航速度360km/h，最大升幅5km。可携带多种高分辨率图像采集设备和信息传输设备，并可实现远程检测和信息传输。无人遥控直升机输电线路巡检系统由无人遥控直升机、高分辨率摄像设备和图像传输设备组成。应用遥控无人直升机输电线路巡检系统，可以快速捕捉和传输巡检目标图像，方便巡检人员及时排障碍物。《简明机械设计手册》（李连进编著，化学工业出版社，2017年6月）一书是无人机机体结构设计及飞控动力动力系统设计与功能实现的专业著作，该书对电力系统巡视应用的无人机机械结构设计、功能模块匹配、部件设计及数学力学模型搭建作出了详细阐述，对无人机机体结构与力学系统设计中应用的数学公式、力学公式、设计规范、执行标准、基本原理、应用案例进行了深度阐述，为广大无人机输电线路巡视系统设计者的专业实践提供了依据。该书还涉及了基于无人机的输电线路巡视系统设计与实现过程中系统工程材料、部件结构设计、零件加工、润滑技术、密封技术、液压元件、减速器、电动机等内容，使基于无人机的输电线路的巡视系统设计具备更为广泛的应用空间。

1、巡视系统设计思路

基于无人机的输电线路巡视系统设计需要全面考虑无人机飞行器机械系统的结构设计、设计标准与规范两方面内容。该书对基于无人机的输电巡检系统设计中的无人机机械系统设计中系统结构的功能实现进行了深入论述，重点对无人机飞行器机械系统结构设计中系统框架搭建、功能模块进行了介绍，并以明确的机械系统设计目标对基于无人机的输电线路巡检系统机械系统结构设计的基本理论、基本原理、基本原则等内容进行了全方位剖析。无人机机械系统设计标准与设计规范是基于无人机输电线路巡检系统功能实现的重要前提，明确系统设计中各类机械部件的规格尺寸、应用计量是系统功能实现的重要前提。基于无人机的输电线路巡检系统设计中对各类机械机构、机械部件的应用特性及结构特征进行了说明，能根据电力系统巡检的具体需求选择适合的设计标准与设计规范进行系统设计，保障无人机电力巡检系统满足各类复杂环境下电力系统检查巡护需求。机械制图标准、机械部件作图画法、机构运动简图符号、常用部件画法都会随着无人机输电线路巡检系统设计环境、设计目标、设计需求的变化发生改变，需要针对电力系统巡检的环境条件、地形地貌条件、温湿度特征有针对性的分析与思考。该书对基于无人机的输电线路巡视系统的设计标准、设计规范进行了详细总结，最大程度呈现出基于无人机输电线路巡视系统设计的基础原理。该书针对特殊环境下电力系统巡检具体需求论述了机械系统制图画法、图框格式、图框尺寸、系统装配图、尺寸注法、结构部件画法、系统装配工艺等内容，较为全面总结了无人机电力巡检系统设计标准、设计规范。

   当前，用于电力系统巡视的无人机具有多种类型，可以划分为固定翼无人机、多旋翼机、直升机，固定翼无人机、无人直升机在电力系统执行巡检任务时对控制精度、信号传输距离及飞行环境有着较高的要求，因此，在电力系统巡检中应用较为广泛的是多旋翼机。相对于其他机型，六旋翼无人机系统结构较为简单，分为机械支撑结构、动力结构设计两部分。六旋翼无人机机械系统结构要具备较强的环境适应能力，能胜任多种复杂恶劣环境巡检任务需求。因此，六旋翼无人机的机体旋翼不能过小，能保障无人机的滞空时间和有效载荷，机体结构要采用可折叠、可调节、轻量化的结构设计，机体材料要采用碳纤维，机械支撑结构要采用碳纤维材料，机体连接处要采用铝合金螺纹连接的方式，要用主螺栓进行固定，配合防滑螺帽锁定，保障机体的机械支撑结构具有较高的强度，能有效避震，机体电机轴距设置为606mm，选择11寸旋翼，机体结构上合理划分功能模块区域，要能承载高清视频设备、无线电传输设备、红外探测设备、监测雷达等。动力系统设计要考虑到电机的匹配，电机通常会选用外转子无刷直流电机，并通过电流控制器调节电流大小实现对飞行角度、航向及飞行姿势的控制，因此，电机的性能对无人机滞空姿态控制有着重要影响。六旋翼无人机电机可以直接配合旋翼使用，无需安装转速控制器，在设计过程中，要控制好整机质量，保持适当的推重比，保障机体具有的稳定载荷。机体上的六个电机需要均匀分配，并保持一定拉力，保障整机的有效载荷，并要设定好拉力电流，电机拉力与电流要保持正比关系，选择高性能锂电池作为电源，保障无人机的滞空时间。旋翼的安装要与机体机械支撑结构中的三个机臂成120度角，并分列安装，最后通过性能测试，通过飞行测试、任务测试、结构强度测试对六旋翼无人机飞行性能全面评估，针对设计过程存在的不足在后期飞行试验中需要对系统结构设计方案不断优化调整，保障六旋翼无人机达到输电线路巡检要求。

2、巡视系统的实现

基于无人机的输电线路巡检系统是综合工程材料学、系统工程学、计算机科学、机械工程学、电子科学及自动化控制技术形成的一门技术实践学科，在设计实践中，输电线路无人机巡视系统的体系结构、仿真模型、系统控制目标、设计方案、功能体系会随着输电线路的使用环境、应用范畴的变化发生改变，需有针对性的设计。该书针对无人机输电线路巡视的具体需求对巡视系统应用的各个功能模块有针对性的进行阐述，包括无人机飞行平台结构设计、无人机结构连接方式选择、将基于无人机输电线路功能模块的技术原理、功能模块设计全面呈现出来，以保障各个模块功能与系统结构全面匹配。巡视系统设计还需要针对输电线路所处的地域环境对系统模块分别设计，需要设计无人机飞行平台、地面信息数据接受系统、地面信息数据处理中心等，通过计算机制图、仿真设计、机械设计、部件设计、信息数据综合处理等方法实现系统各模块功能的聚合。巡视系统中信息数据系统、构件设计、飞行控制系统、信息传输系统、信息数据综合处理系统、影像传输系统的设计是否合理、是否科学、是否满足系统功能实现需求，关键在于系统功能方案的设计，只有在巡视系统功能实现过程对系统功能设计方案优化调整，使各个功能模块紧密衔接、精准匹配、协同配合，才能促进无人机输电线路巡视系统功能最大程度实现。

  2019年6月北京国家电网有限公司针对北京生态涵养区输电线路巡视需求设计了大型六旋翼无人机应对生态涵养区输电线路巡检要求。该无人机巡视系统包括无人机飞行平台、地面信息接收控制平台和信息数据处理平台三部分，其中，无人机飞行平台针对生态涵养区输电线路巡视任务单独设计，综合考虑六旋翼无人机多种复杂环境下输电线路巡检的现实需要，集成了红外监测模块、传感器模块、热成像模块、探测雷达、信息传输模块、信号接受模块、数据存储模块、飞行预警模块、自动臂章模块等，确保六旋翼无人机能在多种复杂环境下保持稳定的飞行姿势和自动控制，并能使用地理信息定位系统和无线信息传输系统，将位置信息、飞行状态信息、气候环境信息、图像监测信息及时反馈，并能根据探测点周围的空间环境，自动选择探测模块和传感器系统对输电线路巡视监测，保障巡检人员能最大程度获得巡检点的巡视数据。地面接受控制平台承担着输电线路巡视数据传输、储存、管理的重要作用，既要实现对无人机的实时控制，也要保障信息接收传输的及时性、有效性。信息接收处理平台是无人机输电线路巡视系统信息数据汇总分析、综合处理、运算、报告中心，会对从地面信息接收平台反馈传输的各类信息数据深度归类、清洗、分析、汇总，最后生成巡检任务报告，并对应用无人机输电线路巡检的全过程监督管理，并使用算法工具和Hadoop数据处理框架对各类巡检点传感器数据、视频数据、图像信息综合精准化测量分析，并对无人机巡检的全过程可视化还原和动态监测，检测出输电线路损坏位置、损坏原因，并智慧化匹配检修方案，在保障巡检结果科学准确的前提下，提升检修保障效率。六旋翼无人机在执行输电线路巡检任务时，需要使用导航系统，根据地面接受控制平台的指令对飞行航迹点标注，并建立三维空间坐标，及时反馈飞行位置，还需要使用激光探测雷达对输电线路周围地形地貌、基础设施进行探测，并搜集数据，对于输电线路与周围建筑物、林木间的净空距离精准测算，在每个飞行航迹点上设定滞空停留时间，到达了预定飞行航迹点调用高清影像设备悬空巡视。机载图像会借助地面信息接收控制平台及时传输回地面终端上，可以切换手动控制模式，通过调整飞行姿势转换拍摄角度。根据地面信息接收控制平台反馈的飞行参数，可以通过调整飞行轨迹，地面控制人员根据无人机反馈的图像信息调整飞行角度，可以根据无人机的空间三维坐标调控旋翼转速微调飞行姿态，调节云台角度，保障无人机的云台镜头处于最佳检查角度，实现对输电线路的精准巡视，使输电线路巡检效率全面提升。

3结论

综上所述，该书是机械系统设计专业领域的集大成之作，理论框架系统完整，实践案例典型突出，对机械系统设计原理、功能目标、工艺方法、技术理论的深入阐述，对无人机输电线路巡检系统设计与实现有着重要启示与借鉴价值，能够促进基于无人机的输电线路巡视系统机械结构设计、系统功能实现。同时，该书对机械系统设计知识理论的全面分析及对机械结构零件及系统功能模块应用分析，使基于无人机的输电线路巡检系统的结构设计、功能目标具有更强的科学性，助力机输电线路无人机巡视系统功能的全面实现。