巡檢架空線路線和桿塔用無人直升機系統及其方法

《巡檢架空線路線和桿塔用無人直升機系統及其方法》是山東電力研究院於2009年7月14日申請的發明專利，該專利的申請號為2009100170478，公布號為CN101604830，公布日為2009年12月16日，發明人是厲秉強、王濱海、韓磊、孫勇。

《巡檢架空線路線和桿塔用無人直升機系統及其方法》採用無人直升機並攜帶檢測設備、控制設備和通訊設備，沿著架空線路走廊巡檢架空線路和桿塔，該方法可以應對複雜多變的地理地形地貌，完成對架空線路和桿塔的設備缺陷檢測。其結構為：它包括無人直升機、遙控器以及地面控制車，所述無人直升機上設有飛行控制系統和巡檢檢測系統，所述兩系統均與地面控制車無線通訊，地面控制車對無人直升機進行遠程控制並對巡檢檢測結果進行分析處理。

2014年11月6日，《巡檢架空線路線和桿塔用無人直升機系統及其方法》獲得第十六屆中國專利優秀獎。

（概述圖為《巡檢架空線路線和桿塔用無人直升機系統及其方法》摘要附圖）

基本介紹

• 中文名：巡檢架空線路線和桿塔用無人直升機系統及其方法
• 公布號：CN101604830
• 公布日：2009年12月16日
• 申請號：2009100170478
• 申請日：2009年7月14日
• 申請人：山東電力研究院
• 地址：山東省濟南市市中區二環南路500號
• 發明人：厲秉強、王濱海、韓磊、孫勇
• 分類號：H02G1/02(2006.01)I;B64C39/00(2006.01)I;B64D45/00(2006.01)I;G01N21/88(2006.01)I;G01J5/00(2006.01)I等
• 代理機構：濟南聖達專利商標事務所有限公司
• 類別：發明專利
• 代理人：張勇

專利背景

中國國民經濟的持續快速發展對中國電力工業提出了越來越高的要求。中國已形成華北、東北、華東、華中、西北和南方電網共6個跨省區電網，截至2008年110千伏以上輸電線路已達到近51.4萬公里。500千伏線路已成為各大電力系統的骨架和跨省、跨地區的聯絡線，電網發展滯後的矛盾基本得到緩解。由於中國國土遼闊，地形複雜，平原少、丘陵及山區較多，氣象條件複雜，瓷絕緣子質量不夠穩定等，因此為了安全和可靠地供電，巡線維護自動化和現代化已日益顯示出其迫切性。

電力架空線路是電力輸送的主要命脈，架空線路和桿塔的正常運行對於電力輸送起著關鍵性的作用，所以架空線路和桿塔的巡檢工作是電力輸送網路日常檢查和維護的重要組成部分。電力線巡檢的大致內容包括：線路是否出現破損、斷股或存在異物；絕緣子傘群是否破損或龜裂，絕緣子緊固件有無鬆脫或異常，絕緣子有無閃落痕跡；架空線路上的接續管、耐張管、跳線線夾、導地線線夾、金具、防振錘、絕緣子等有無發熱現象；線路走廊內的樹木生長、地理環境、交叉跨越等有無影響架空線路安全；桿塔上金具是否異常、鬆脫或脫落等。

2009年7月前，中國採用的巡線方式包括人工巡線和有人直升機巡線。人工巡線主要是人工巡線員徒步沿著線路巡檢。巡檢方式主要是通過望遠鏡查看線路和桿塔。由於中國電路總長度大且覆蓋面積廣，這種巡線方式存在的弊端是人員投入數量大、工作量大，但是巡線的效率很低，成本很高。另外，很多輸電線路分布在山區、湖泊以及無人區，造成人工巡線難度大、危險性高。

歐美各國在20世紀50年代開始研究並使用直升機完成巡線、帶電作業和線路施工。上世紀80年代開始，中國也開始研究利用直升機巡線的技術：袁亦超、鄧春和趙鵬在《華北電力技術》2002年第10卷上發表的《套用直升飛機巡線輸電線路》，邱國新在《廣東電力》2005年第3卷上發表的《在直升機上套用紅外熱像技術巡視檢測高壓輸電線路設備的回顧》，王平和李剛等在《四川電力技術》2001年第1卷上發表的《輸電線路套用直升飛機巡線維護試驗研究》，沈光陛和趙新波在《電力建設》2008年第10卷上發表的《直升機電力巡線技術》都描述了採用有人直升機巡線的技術和方法。但是，利用有人駕駛的直升機進行巡線存在著一些問題：如直升機及其維護費用昂貴、安全問題突出等。特別是其安全問題，這是一個涉及人身及設備（包括飛機和電網）安全的嚴重問題：由於受CCD等檢測儀器技術要求的限制，飛行速度不能太快、高度不能太高，所以飛機飛行稍有差錯，就可能造成機毀人亡的後果，並且也很有可能給電力網路帶來災難性的後果。截至2009年7月，中國國內外不斷出現的巡線直升機墜機事故。2008年初，中國的一架巡線直升機在湖南郴州失事，造成人員受傷。

發明內容

專利目的

《巡檢架空線路線和桿塔用無人直升機系統及其方法》的目的就是為了解決上述問題，提供一種巡檢架空線路線和桿塔用無人直升機系統及其方法，該發明採用無人直升機並攜帶檢測設備、控制設備和通訊設備，沿著架空線路走廊巡檢架空線路和桿塔，該方法可以應對複雜多變的地理地形地貌，完成對架空線路和桿塔的設備缺陷檢測。

技術方案

一種巡檢架空線路線和桿塔用無人直升機系統包括無人直升機、遙控器以及地面控制車，所述無人直升機上設有飛行控制系統和巡檢檢測系統，所述兩系統均與地面控制車無線通訊，地面控制車對無人直升機進行遠程控制並對巡檢檢測結果進行分析處理。

所述飛行控制系統包括安裝在無人直升機上的機載飛行控制計算機，機載飛行控制計算機與安裝在無人直升機上的衛星定位裝置和機載感測器組連線，機載飛行控制計算機通過機載飛行控制無線傳輸電台與地面控制車無線通訊。

所述巡檢檢測系統包括安裝在無人直升機上的機載檢測用計算機，它與機載檢測設備連線，機載檢測設備通過視頻伺服器與機載圖像傳輸電台連線，機載圖像傳輸電台與地面控制車無線通訊；機載檢測用計算機還通過機載檢測數據傳輸電台與地面控制車無線通訊；機載檢測用計算機與存儲設備、陀螺增穩雲台以及衛星定位裝置連線。

所述機載檢測設備包括安裝在無人直升機兩側的機體左側攝像頭和機體右側攝像頭，以及安裝在無人直升機正面的機體前攝像頭、可見光數位相機、紫外成像儀和紅外熱像儀。

所述地面控制車設有計算機控制系統，計算機控制系統通過地面飛行控制數據傳輸電台與機載飛行控制無線傳輸電台通訊，用於向機載設備傳送指令和接受無人直升機實時狀態數據，遠程控制無人直升機；計算機控制系統還通過地面檢測圖像傳輸電台與機載圖像傳輸電台通訊，通過地面檢測數據傳輸電台與機載檢測數據傳輸電台通訊，接受回傳圖像信號並控制檢測設備動作；計算機控制系統顯示無人直升機的狀態顯示，電子地圖顯示，飛行和檢測任務的編輯，下達指令，分析檢測到的數據，顯示機載檢測設備拍攝到的圖像和視頻。

一種巡檢架空線路線和桿塔用無人直升機系統的巡檢方法，它的步驟為：

1）無人直升機搭載檢測設備，由起降點起飛，在架空線路側上方，水平距離為20-25米，垂直距離為3-5米，沿著架空線路以每小時15-20公里的速度飛行；

2）飛行狀態穩定後，調整雲台的角度，使得可見光高清相機、紅外熱像儀和紫外檢測儀能檢測到架空線路；

3）用可見光數位相機檢測線路是否出現斷股、線路物理缺陷或是否掛有異物；用紅外熱像儀檢測導線上是否有過熱的地方；紫外檢測儀檢測電暈和閃落情況；並將檢測到圖像送回地面控制車；

4）當無人直升機靠近桿塔時，無人直升機懸停，調整雲台角度並對桿塔由上至下的檢測，檢測內容包括塔身金具是否出現異常、脫落或缺損；在檢測過程中，實時的圖像通過無線通訊系統，傳送至地面控制車，並在地面控制車的計算機控制系統中顯示，計算機控制系統根據實時的圖像數據來判斷設備是否出現異常。

有益效果

1.無人直升機空中作業，不受地形地貌等因素的影響，只要天氣條件允許，可輕易到達線路所在地的上空，可有效降低地面巡檢人員的勞動強度，以及降低巡線人員在險惡地形條件下作業時的危險性。

2.無人直升機可在架空線路上方懸停，位置一般高於架空線路，可以更清楚的拍攝架空線路設備圖片，可有效掃除地面工作人員觀測盲區，使得單次巡檢的效率更高，從而巡檢周期更短，巡檢頻率更加頻繁，更加有力得保障電力輸電線路的安全運行。

3.無人直升機相對於有人直升機而言，機動性更好，操控性能更優，更關鍵是可完全消除機載人員在電力線上方空中作業這樣的危險性，有效保障人員安全。而無人機後勤保障要求更低，相對於載人直升機巡線成本則降低。

4.無人直升機搭載的圖像採集設備包括了：可見光圖像採集設備、紅外熱像儀、紫外成像儀等，這使得線路巡檢內容更加豐富。

附圖說明

圖1為無人直升機結構示意圖；

圖2為圖1的左視圖；

圖3為遙控器結構示意圖；

圖4為地面控制車；

圖5為無人直升機飛行控制系統結構框圖；

圖6為無人直升機檢測系統結構框圖。

其中：1.無人直升機，2.遙控器，3.地面控制車，4.機載飛行控制計算機，5.衛星定位裝置，6.機載感測器組，7.機載飛行控制無線傳輸電台，8.機載檢測用計算機，9.視頻伺服器，10.機載圖像傳輸電台，11.機載檢測數據傳輸電台，12.存儲設備，13.陀螺增穩雲台，14.機體左側攝像頭，15.機體右側攝像頭，16.機體前攝像頭，17.可見光數位相機，18.紫外成像儀，19.紅外熱像儀，20.計算機控制系統，21.地面飛行控制數據傳輸電台，22.機載檢測設備，23.地面檢測圖像傳輸電台，24.地面檢測數據傳輸電台。

權利要求

1.一種巡檢架空線路線和桿塔用無人直升機系統，包括無人直升機、遙控器以及地面控制車，其特徵是，所述無人直升機上設有飛行控制系統和巡檢檢測系統，所述兩系統均與地面控制車無線通訊，地面控制車對無人直升機進行遠程控制並對巡檢檢測結果進行分析處理。所述飛行控制系統包括安裝在無人直升機上的機載飛行控制計算機，機載飛行控制計算機與安裝在無人直升機上的衛星定位裝置和機載感測器組連線，機載飛行控制計算機通過機載飛行控制無線傳輸電台與地面控制車無線通訊；機載檢測設備包括安裝在無人直升機兩側的機體左側攝像頭和機體右側攝像頭，以及安裝在無人直升機正面的機體前攝像頭、可見光數位相機、紫外成像儀和紅外熱像儀；所述巡檢檢測系統包括安裝在無人直升機上的機載檢測用計算機，它與機載檢測設備連線，機載檢測設備通過視頻伺服器與機載圖像傳輸電台連線，機載圖像傳輸電台與地面控制車無線通訊；機載檢測用計算機還通過機載檢測數據傳輸電台與地面控制車無線通訊；機載檢測用計算機與存儲設備、陀螺增穩雲台以及衛星定位裝置連線；所述地面控制車設有計算機控制系統，計算機控制系統通過地面飛行控制數據傳輸電台與機載飛行控制無線傳輸電台通訊，用於向機載設備傳送指令和接受無人直升機實時狀態數據，遠程控制無人直升機；計算機控制系統還通過地面檢測圖像傳輸電台與機載圖像傳輸電台通訊，通過地面檢測數據傳輸電台與機載檢測數據傳輸電台通訊，接受回傳圖像信號並控制檢測設備動作；計算機控制系統顯示無人直升機的狀態顯示，電子地圖顯示，飛行和檢測任務的編輯，下達指令，分析檢測到的數據，顯示機載檢測設備拍攝到的圖像和視頻。

2.一種權利要求1所述的巡檢架空線路線和桿塔用無人直升機系統的巡檢方法，其特徵是，它的步驟為：

1）無人直升機搭載檢測設備，由起降點起飛，在架空線路側上方，水平距離為20-25米，垂直距離為3-5米，沿著架空線路以每小時15-20公里的速度飛行；

2）飛行狀態穩定後，調整雲台的角度，使得可見光高清相機、紅外熱像儀和紫外檢測儀能檢測到架空線路；

3）用可見光數位相機檢測線路是否出現斷股、線路物理缺陷或是否掛有異物；用紅外熱像儀檢測導線上是否有過熱的地方；紫外檢測儀檢測電暈和閃落情況；並將檢測到圖像送回地面控制車；

4）當無人直升機靠近桿塔時，無人直升機懸停，調整雲台角度並對桿塔由上至下的檢測，檢測內容包括塔身金具是否出現異常、脫落或缺損；在檢測過程中，實時的圖像通過無線通訊系統，傳送至地面控制車，並在地面控制車的計算機控制系統中顯示，計算機控制系統根據實時的圖像數據來判斷設備是否出現異常。

實施方式

圖1、圖2、圖3和圖4中，《巡檢架空線路線和桿塔用無人直升機系統及其方法》包括無人直升機1、遙控器2以及地面控制車3，無人直升機1上設有飛行控制系統和巡檢檢測系統，所述兩系統均與地面控制車3無線通訊，地面控制車3對無人直升機1進行遠程控制並對巡檢檢測結果進行分析處理，遙控器2用於在特殊情況下的手動控制，如出現危險狀況或需要緊急人工控制時切換手動控制。無人直升機1是飛行的主要平台，用於搭載任務設備。地面控制車3是地面控制設備平台，用於裝載地面控制計算機、顯示設備、天線等地面設備。

飛行控制系統包括安裝在無人直升機1上的機載飛行控制計算機3，機載飛行控制計算機3根據飛行任務和無人直升機飛行參數（速度、高度、姿態、位置等）解算控制指令，並通過通訊連線埠向無人直升機1上的執行模組下達控制執行指令；機載飛行控制計算機3與安裝在無人直升機1上的衛星定位裝置5和機載感測器組6連線，機載感測器組6包括三軸加速度計、三軸陀螺儀、電子羅盤和高度計，用於採集無人直升機飛行參數，包括飛行速度、高度、方向、姿態等；採集無人直升機的當前地理坐標信息、飛行姿態參數、飛行速度和高度；機載飛行控制計算機4通過機載飛行控制無線傳輸電台7與地面控制車3無線通訊，用於上傳飛行控制指令和下傳無人直升機的飛行狀態參數。機載飛行控制無線傳輸電台7負責接受由地面站上傳飛行任務和控制指令。

巡檢檢測系統包括安裝在無人直升機1上的機載檢測用計算機8，用於控制記載檢測設備，獲取檢測圖像數據，並存儲檢測圖像數據和飛行參數；它與機載檢測設備22連線，用於控制機載檢測設備22並從機載檢測設備22中獲取檢測到的圖像；機載檢測設備22是無人直升機所搭載的用於檢測設備缺陷的設備總稱，包括可見光數位相機17、紫外成像儀18和紅外熱像儀19，它們通過視頻伺服器9與機載圖像傳輸電台10連線，視頻伺服器9用於將模擬視頻信號轉化並壓縮成為數字視頻信號，以便於傳輸和處理，機載圖像傳輸電台10用於下傳檢測到的圖像數據；機載圖像傳輸電台10與地面控制車3無線通訊，將檢測到的圖像數據傳輸到地面控制車3；機載檢測用計算機8還通過機載檢測數據傳輸電台11與地面控制車3無線通訊，機載檢測數據傳輸電台11用於上傳檢測指令和下傳檢測系統狀態參數；機載檢測用計算機8與存儲設備12、陀螺增穩雲台13以及衛星定位裝置5連線，以保證存儲的檢測圖像有拍攝時的經緯度坐標信息和陀螺增穩雲台13狀態信息。衛星定位裝置5（衛星定位包括GPS、伽利略或北斗）是由飛行控制系統和巡檢檢測系統共用的，用於獲取無人直升機1的實時經緯信息和海拔高度信息。存儲設備12用於儲存檢測到的圖像數據和飛行參數數據，作為備份數據。陀螺增穩雲台13是光學檢測設備（可見光數位相機17、紫外成像儀18和紅外熱像儀19）的搭載平台，根據飛行姿態參數和雲台當前的俯仰和水平角度，利用DSP解算反饋補償角度，以消除無人直升機機體震動與飛行姿態晃動對檢測設備造成的影響。

機載檢測設備包括安裝在無人直升機1兩側的機體左側攝像頭14（用於監視飛機左側的環境狀況）和機體右側攝像頭15（用於監視飛機右側的環境狀況），以及安裝在無人直升機1正面的機體前攝像頭16（用於監視飛機前方的環境狀況）、可見光數位相機17（用於檢測輸電線路和桿塔的可見物理缺陷）、紫外成像儀18（用於檢測輸電線路和桿塔的放電和閃落缺陷）和紅外熱像儀19；機體左側攝像頭14、機體右側攝像頭15、機體前攝像頭16主要用於對無人直升機周圍環境的監視；可見光數位相機17、紫外成像儀18和紅外熱像儀19（用於檢測輸電線路和桿塔的熱缺陷）用於檢測電力設備；陀螺增穩雲台13與機載感測器組6連線，獲取飛機飛行姿態數據，並通過陀螺增穩雲台13的DSP模組計算補償參數，以此增加陀螺增穩雲台13的穩定性。

地面控制車3設有計算機控制系統20，計算機控制系統20是地面控制中心，計算機控制系統20通過地面飛行控制數據傳輸電台21與機載飛行控制無線傳輸電台7通訊，地面飛行控制數據傳輸電台21負責發射由地面站上傳飛行任務和控制指令，用於向機載設備傳送指令和接受無人直升機1實時狀態數據，遠程控制無人直升機1；計算機控制系統20通過地面檢測圖像傳輸電台23與機載圖像傳輸電台10通訊，地面檢測圖像傳輸電台23用於接受檢測到的圖像數據；計算機控制系統20通過地面檢測數據傳輸電台24與機載檢測數據傳輸電台11通訊，接受回傳圖像信號並控制檢測設備動作，地面檢測數據傳輸電台24用於發射上傳檢測指令；計算機控制系統20顯示無人直升機1的狀態顯示，電子地圖顯示，飛行和檢測任務的編輯，下達指令，分析檢測到的數據，顯示機載檢測設備拍攝到的圖像和視頻。

巡檢架空線路線和桿塔用無人直升機的巡檢方法為：

1）無人直升機搭載檢測設備，由起降點起飛，在架空線路側上方，水平距離為20-25米，垂直距離為3-5米，沿著架空線路以每小時15-20公里的速度飛行；

2）飛行狀態穩定後，調整雲台的角度，使得可見光高清相機、紅外熱像儀和紫外檢測儀能檢測到架空線路；

3）用可見光數位相機檢測線路是否出現斷股、線路物理缺陷或是否掛有異物；用紅外熱像儀檢測導線上是否有過熱的地方；紫外檢測儀檢測電暈和閃落情況；並將檢測到圖像送回地面控制車；

4）當無人直升機靠近桿塔時，無人直升機懸停，調整雲台角度並對桿塔由上至下的檢測，檢測內容包括塔身金具是否出現異常、脫落或缺損；在檢測過程中，實時的圖像通過無線通訊系統，傳送至地面控制車，並在地面控制車的計算機控制系統中顯示，地面站工作人員根據實時的圖像數據來判斷設備是否出現異常。

《巡檢架空線路線和桿塔用無人直升機系統及其方法》的工作原理：無人直升機1飛行平台工作原理構架如圖5所示，工作人員在後台控制軟體中制定飛行任務，後台控制軟體將飛行任務轉化為指令，通過數據傳輸電台傳遞到機載飛行控制計算機4，機載飛行控制計算機4根據指令以及衛星定位系統和機載感測器組6的信息，將接收到的指令轉化為對無人直升機1執行機構的執行指令，來控制無人直升機1的飛行。在飛行過程中，無人直升機1的飛行參數和機載設備參數通過機載飛行控制無線傳輸電台7發回地面控制車3，並在後台控制軟體的界面上顯示。

無人直升機檢測平台工作原理構架如圖6所示，後台控制軟體通過地面檢測數據傳輸電台，向機載檢測用計算機傳送巡檢任務，機載檢測用計算機將檢測任務解算成執行指令，通知執行控制器調整雲台的各軸角度，使得雲台上的檢測設備能夠檢測到需要檢測的設備。同時，機載檢測用計算機通過USB接口向可見光相機發出獲取視頻的指令，通過RS232接口向紅外熱像儀和紫外檢測儀發出檢測指令。三個檢測設備將視頻圖像傳遞給視頻伺服器，通過視頻伺服器，將視頻壓縮編碼，然後通過機載圖像傳輸電台傳回地面控制車，經過地面控制車解壓縮解碼，顯示在後台控制軟體的界面上。根據檢測需要，機載檢測控制計算機可通過USB連線埠或其他通訊連線埠向可見光相機下達拍攝高清靜態圖片的指令，當可見光相機確認獲取高清圖像時，機載檢測控制計算機從衛星定位系統獲取當時經緯度坐標，通過USB連線埠將圖片傳輸給機載檢測控制計算機，機載檢測控制計算機將圖片、獲取圖片的時間、陀螺增穩雲台俯仰和水平角度以及經緯度坐標保存到存儲單元，作為數據備份。同樣，機載檢測控制計算機可通過RS232連線埠或其他通訊連線埠向紅外熱像儀和紫外成像儀下達獲取帶熱圖數據的圖像和紫外圖像，並與經緯度坐標、雲台俯仰和水平角度和拍攝時間一起存儲於存儲單元，作為數據備份。同時這些檢測到的圖像數據通過圖像傳輸電台被下傳到地面站，地面站的工作人員通過下傳下來的圖像數據判斷是否有存在故障和缺陷。

榮譽表彰

2014年11月6日，《巡檢架空線路線和桿塔用無人直升機系統及其方法》獲得第十六屆中國專利優秀獎。