高压输电线路多无人机自主协同巡线设计与测试

刘杰

安徽送变电工程有限公司 安徽 合肥 230000

摘要：目前无法详细检查高压输电线路的固定多无人机，并且由于多无人机移动缓慢以及需要手动遥控操作的问题，因此，存在安全隐患，需要进行多项自主调整，完善的路线检查程序。本文介绍了如何使用多无人机学习技术和多主体完整性控制算法，通过位于电线两侧的两台无人机来协调高压输电塔和电线的检查，并设计了无人机自动飞行控制器。根据设计结果，开发了一个多个单元系统以验证生产线检查计划，并且在实验中，将两台机器作为一组部署。结果表明，该系统按预期完成了高压线路检查。与单个遥控多旋翼无人机检查程序相比，多飞机协调程序不需要在飞行中进行人工干预，总线检查速度超过一台机器的最大速度，而两架飞机的平均检查时间超过了一个塔的平均检查时间，连接到机器的时间少于单个遥控器检查时间的一半。

关键词：多旋翼无人机，高压巡逻，多无人机协作，机器学习，一致性

引言

随着中国电网用户的逐年增长，高压电力线正在全国范围内蔓延，电力公司每年花费大量的人力和物力来维持其运营。最初，电网维护主要是通过人工线路检查完成的，这属于劳动密集型且效率低下，线路检查非常困难且危险，因为某些线路受到地形因素的限制。随着自动化设备和技术的发展，电源供应商发现使用自动化技术维护电网更加经济和可靠。这种类型的传感器可以监视电网的运行，而不是手动检查。但是，由于高压电源线越过山脉和山脊，布线位置实在恶劣的自然环境中，温度突然变化，动物粪便，电磁干扰以及监视系统本身的电源问题，因此该系统难以操作。目前，国内电网的输电线路仍主要是人工检查。

1双无人机协同巡检高压输电线路作业方案

当前普遍用于细线巡逻的多旋翼遥控无人机具有出色的飞行稳定性，灵活性，悬停技术和耐用性，而电力线巡逻则包括全光谱成像仪和云台，该应用程序还经过了长期验证。因此，本文的研究将这些成熟的技术用作硬件的基础，本文不介绍无人机控制的动力学部分，而是直接将其用作要点。安装在云台上的全光谱成像仪能够检测线路缺陷并提供无人机飞行控制。根据上述运行要求，提出了两种多旋翼无人机协作方案用于塔杆和电线的检查。

1.1高压输电塔双无人机联合检查方案

塔的点通常对称地分布在塔的两侧。以220kV双回路拉力方钢塔为例。行业法规不允许无人机在高压输电塔上飞越，当单个遥控无人机检查塔时，必须首先对其进行检查，按照红色箭头指示的路径从电线下方飞到塔的另一侧，然后从下到上检测其余的点。红色箭头指示的飞行环境非常复杂，仅靠摄像机和高度传感器信息来完成自主飞行控制设计是困难的，并且在飞行过程中可能会意外接触塔架或电缆，这可能会导致安全问题。这两架无人机只需要在不穿过塔架的情况下检测塔架一侧的点，检测完成后，它们就可以安全地从塔架撤离。

1.2高压电力线双无人机联合检查方案

当一架进行电线检查的无人机沿着高压电力线短距离飞行时，它只能观察到一个角度和一个方向上的一条线，因此不可避免地会在视角上出现盲点，这会导致错过测试。同样，在仅配备一个可见光摄像机的无人机上，视场集中在电线上，这可能会由于躲避飞行的障碍物而导致安全事故。因此，必须使用手动遥控器来操作单个UAV短距离检查导线。

针对上述问题，两架无人机沿着电线的两侧平行飞行。在飞行过程中，与电线保持一定距离，以便可以观察电线并查看另一架无人机的飞行情况。如果另一侧无人机的飞行路径中出现威胁性障碍物，则将通知无人机避开障碍物，以便进行调整以避免发生安全事故。在线路检查期间，两架无人机必须保持同步飞行，当无人机悬停拍摄问题线照片时，如果另一侧的无人机未处于避障模式，则悬停以协助拍摄。

1.3机器对机器的通信方法

为了实现多架无人机的协同运行，有必要建立一个机器间通信网络。由于在巡检过程中两架飞机非常接近，因此，可以使用低功耗和硬件中短距离通信模块来减少对无人机耐用性的影响。通讯方式为每个间隔T（T≤0.5s），每架无人机都会发送一个数据包，除了位置，速度和其他飞行参数外，它还包含命令信息，例如飞行员角色切换命令，避障命令和悬停。诸如指令之类的命令，通信采用响应机制和响应等待超时重传机制，以确保及时交付命令。

2高压线路无人机自主协同巡检飞行控制

无人机飞行主要依靠全球定位系统（GPS）和预设路线来提供导航，并根据成像仪的视场调整特定路线。因此，在每次操作之前，无人机都需要下载信息，例如每个极点的位置和传输线的轨迹。为了保证飞行安全，有必要根据实际情况实时叠加飞行约束。线检双机协同飞行是基于跟随模式的多主体共识协调控制算法实现飞行同步，并采用合理的避障路径规划算法来确保飞行安全。

2.1高压输电塔检查点的飞行控制方法

预设控制器的生成过程如下：

1）训练样本。允许经验丰富的人员操作具有相同硬件规格的自主线路跟随无人机。具有相同硬件规格的远程控制无人机根据路线执行不同塔的采样飞行，并同步相关数据，包括由其记录的实时视频。例如飞机成像仪和实时位置，姿态，速度，其他飞行参数以及塔架模型。非对称塔架需要在两侧进行培训和记录，每种类型的塔都需要多次培训，受的训练越多，样本的准确性就越高。

2）数据处理。重要信息，包括从飞行视频中捕获的点的运动轨迹，从记录的数据中提取运动的速度增量，UAV的相对位置和轨迹以及指定塔架的中心。

3）信息拟合。回归算法用于拟合提取的信息，选择适当的模糊控制算法，并形成预设控制器。除了为每种类型的塔形成相应的控制器外，关注点还主要是绝缘子，还可以根据分解后的绝缘子跟踪动作来形成通用的塔检查控制器。由于无人机的检查是从塔顶开始的，因此从导线上方寻找并悬停在要检查的第一个点附近的无人机飞行过程也适用于控制算法，并且需要集成到通用控制器中。

由于飞行环境的复杂性，有必要在实际飞行过程中实时限制机身与塔架，电缆，障碍物和其他物体之间的距离。限制方法如下。使用成像仪的焦距信息实时确定距离，如果无人驾驶飞机与特定实体之间的距离小于最小安全距离，请遵循原始路线并跟踪特定距离，直到到达观察的位置。如果在到达特定的点时回溯的数量达到了一定量时，则观察最后一个回溯点，将光标放在适当的位置，然后移动到下一个点。

结束语

本文提出了一种用于高压输电线路的多无人机自动协调检查方法，并利用多旋翼无人机的机动性，实现了对线路缺陷的短距离和复杂的检查，提高了双效率。多线并行操作多旋翼无人机移动缓慢，巡航距离短，UAV的自主飞行控制算法旨在无需人工干预即可执行飞行过程，从而提高安全性并降低了人工成本。多无人机合作策略也可以应用于诸如地形勘测和应急物资交付等场景。

另一方面，由于高压输电线路较长且行距较宽，因此当多条线路并行运行时，有必要在多个点手动启动无人机。当将该系统应用于高压和非高压输电线路的混合检查时，可以引入更多的线路以形成密集的网络，并且可以设计适当长度的环路，以使无人机实现自动化。由于居住区的传输线环境更加复杂，因此需要进一步设计更具适应性的多机检查计划。同时，对平行检查路线的智能规划是未来研究的重要方向之一。

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