宗殿杰
国网武威供电公司 甘肃武威 733000
摘要：基于目前多旋翼无人机广泛应用于输电线路电力巡检的背景，从功能设计、自动避障、路径规划三个方面讨论多旋翼无人机自主巡检关键技术。研究设计多旋翼无人机自主巡检控制功能模块并划分无人机巡检工作状态，然后分析无人机自动避障原理及搭载多元化传感器避障的传感器选型依据，阐述多种无人机路径规划算法的核心原理并进行了优劣性对比。
关键词：无人机；电力巡检；自主避障；路径规划
中图分类号：F452.3文献标识码：A
1无人机平台介绍
1.1六旋翼无人机平台
多旋翼无人机可在任意地点垂直起降，不需要固定翼起飞的助推，无须滑行降落，对作业地点的要求低、适应性强、机械结构简单、易于维护[1]。无人机在执行特种设备巡检的任务时应该满足以下要求：
（1）无人机能稳定地垂直起飞与降落；
（2）应对港口使用环境，无人机能稳定悬停，抗5级风
（3）无人机携带云台相机，能在地面控制拍照；
（4）操作方便，稳定性高。系统选用六旋翼无人机作为空中巡检平台，如图1所示。
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图1六旋翼空中巡检无人机
经过实地测试，无人机能抗5级风力，可以垂直起降，仅对场地要求有一小块平地即可。性能指标如表1所示。
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2多旋翼无人机自主巡检总体方案
2.1自主巡检主体模块设计
自主巡检的关键是整合处理多方面的输入信息，比如无人机自身的姿态信息、无人机飞行周遭环境信息，同时结合多方面控制指令，比如来自无人机遥控器的控制指令、来自地面段的控制指令、控制系统设定的控制指令，实现自主飞行和数据采集。
2.2多旋翼无人机飞行工作状态
为了方便对自主飞行技术的讨论，本文将无人机的飞行姿态划分为几个工作状态：稳定飞行工作状态、悬停飞行工作状态、绕行工作状态以及自动飞行工作状态。稳定飞行工作状态，即无人机最基本的工作状态，指无人机起飞、降落及没有意外地按固定轨迹航行；悬停飞行工作状态，是多旋翼无人机区别于固定翼无人机特有的工作状态，可以定点采集数据，并且可以在悬停的同时调整机身姿态；绕行工作状态，发生在判断前方有障碍物或其他类型干扰时，即临时调整航线的状态；自动飞行状态则得益于避障、定点算法[3]。
3多旋翼无人机电力巡检系统
3.1多旋翼无人机
多旋翼无人机型号诸多，目前市场上常见的主要是含光A700四旋翼无人机，它的优势在于机身全封闭因此可以在降水条件下正常运行，另外飞行控制体系十分优质，控制的便利性高、具有突出的容错率，飞行的状态相对稳定不易出现事故。另外其还具有可观的搭载能力和续航能力，数据传输能力也十分优越，在电力巡检中能够发挥应有作用。
3.2动力系统
四旋翼无人机的动力系统可以分成电机、电源以及调速系统三个部分，其中电机为无刷电机，而电源则为锂聚合物电池，整体性能十分稳定，调速系统以控制信号为参考调节电机转速从而达到调节速度的目标。
3.3GPS导航系统
如果说动力系统是肌肉、那么导航系统就是眼睛，它能够为无人机操作员提供跟踪功能，便于对无人机进行综合性控制。GPS可以说是无人机电力巡检系统中最为重要的一部分，它能够为无人机提供定位服务，保障了无人机巡检的安全性和稳定性。无人机上搭载的导航系统能够直接进行GPS全球定位，无人机操作员可以事先规划好无人机巡检路线和距离，并且以云台跟踪系统为手段确定无人机巡检的位置和情况，并且可以直接调整云台角度，从而达到拍摄杆塔、导线等特殊位置的目标[4]。
3.4信息采集系统
无人机电力巡检系统的信息采集主要是对杆塔、导线、接地装置等进行拍摄并且回传，因此其信息采集系统主要搭载的是热红外成像系统以及可见光采集设备，能够在短时间内完成电力线路的信息采集工作。为确保采集的准确度和有效性，一般选择定焦摄像机和变焦相机结合的模式，二者共同配合完成拍照录像等任务。而热红外成像系统的作用则在于能够对电力设备、导线表面的温度进行采集，在夜间巡检的时候通过温度差异发现那些不易发现的、比较隐蔽的故障点，从根本上提升无人机电力巡检系统的有效性。
3.5信息传输系统
经过无人机信息采集系统收集到的各种数据和信息，必须要以信息传输系统为通道回传到地面站点进行即时性分析才能发挥真正的作用。当然，也可以根据用户需求直接传输到电网调度中心，实现信息化的数据管理。
4无人机技术在电力巡检信息化管理中的应用
4.1无人机技术
所谓的无人机实际上指的就是以无线电遥控技术为基础、以适配性极强的程序为控制手段而存在的一种无人驾驶航空设备，无人机一般需要与控制站、通信设备、设备保障系统相配合发挥作用，在诸多行业扮演不可替代的角色。具体可从四方面理解无人机及其配套技术。无人机，外形设计必须符合流体力学相关原理才能在更加复杂的条件下稳定飞行，在执行任务时需搭载信息采集设备和其他设备、因此需要一定的荷载能力[5]。
必须具有多样性功能，从电力线路巡检到架线清障等都属于无人机功能的一部分。必须具有远程传输图片以及定位功能，这样才能顺利完成电力线路巡检工作 ；控制站（GCS）。其是无人机技术的核心内容，能给无人机操作员提供工作信息和条件，一般承担着规划航线、控制执行任务、完成数据收集等任务；通信系统。无人机和控制站之间需纽带进行信息的传递才能顺利执行相关任务，而通信系统就是这个纽带，能够将控制信息、无人机收集到的数据等进行双向传输；设备保障系统。
4.2多旋翼无人机电力巡检系统
多旋翼无人机电力巡检系统是一种基于无人机技术、信息化技术而存在的具有多样化功能、能够适应复杂工作条件的图像采集系统，能够对电力线路的实际运行情况、导线地线状态、防雷装置及接地装置等进行快速准确的巡视检查。另外还能在通信系统的作用下及时将巡检结果传输到技术人员手中，便于技术人员进行数据分析和信息化管理。多旋翼无人机电力巡检系统的结构比较复杂，大致可以分成以下六个部分：多旋翼无人机、动力系统、GPS 导航系统、信息采集系统、信息传输系统、控制系统。
结语
本文基于目前输电线路大规模采用多旋翼巡检无人机的背景，首先设计了多旋翼无人机自主巡检主体功能模块，分析了其飞行时的多种工作状态；其次提出多旋翼无人机避障可以采用多传感器并行的方式提高精度；最后对多种航线规划算法进行了介绍并对重点研究进行了举例分析。希望本文能对以后多旋翼无人机电力巡检关键技术的发展起到抛砖引玉的作用。
参考文献：
[1]刘佳陇，吴育武，陈春，邢铀，赵云.基于全生命周期模型的多旋翼无人机电池监测技术[J].电子设计工程，2020，28(14)：104-107+112.
[2]侯经文.无人机技术中一站多机测控系统信息流的设计分析[J].电子设计工程，2020，28(14)：127-130.
[3]王志勇，袁德胜，孙小龙.基于无人机影像技术的施工实景可视化管理[J].项目管理技术，2020，18(07)：114-117.