高海拔地區(qū)無人機巡檢系統(tǒng)技術(shù)條件研究

涂蘇格，陳 潔，余藝娟，陳 晨

（國網(wǎng)湖北送變電工程有限公司，湖北 武漢430077）

0 引言

對于旋翼類飛行器而言，在螺旋槳轉(zhuǎn)速不變的情況下，空氣密度越小，飛行器獲得的升力越小。隨海拔高度上升，空氣密度逐步降低，在海平面時空氣密度為1 kg/m3，上升到海拔5 000 m 后氣溫會降至-20°C，空氣密度僅為海平面空氣密度的一半，約為0.58 kg/m3。通過計算可知，無人機即使保持同樣動力輸出，所得到的升力也僅為海平面升力的60%左右［1-3］。當(dāng)飛行器飛到海拔5 km 的高度，那么它必須多消耗40%的功率，才能保持與低海拔地區(qū)相同的推力，因此，在低海拔地區(qū)可以正常飛行的飛行器，可能會在高原地區(qū)無法起飛，或者發(fā)生墜機事故［4-6］。

鋰聚合物電池因其具有能量高、小型化、輕量化等特點，在無人機尤其是旋翼無人機上具有高度的應(yīng)用，其中，溫度是影響鋰電池性能的主要參數(shù)，在電池的所有檢測項目中，都要求注明溫度，原因就是溫度對電池性能影響比較大，包括電池的內(nèi)阻、充放電性能、安全性、壽命等［7-9］。

1 電池放電能力

當(dāng)電池暴露在低于15°C的環(huán)境下時，電池的化學(xué)物質(zhì)活性顯著降低，其內(nèi)阻增大，導(dǎo)致放電時電壓降加大［10-12］。自重較大的飛行器，本身就需要更大的電流來維持動力，在高原地區(qū)，由于空氣稀薄，氣壓低，飛行器需要更高的電機轉(zhuǎn)速來維持動力，電池輸出電流會進一步加大，當(dāng)電壓大幅下降（單電芯低于3 V）時，存在以下兩點風(fēng)險［13-15］：

1）電池放電能力下降，不能滿足無人機大電流放電的需要。

2）飛機續(xù)航時間明顯縮短，對飛行時間估計不足，容易導(dǎo)致墜機事故。

圖1為不同溫度條件下，鋰電池放電曲線示意圖，可以看出，當(dāng)溫度降到-20°C時，電池只能放出其標(biāo)稱容量約一半的電量。

圖1 不同溫度下鋰電池放電示意圖Fig.1 Schematic diagram of lithium battery discharge at different temperatures

2 無人機結(jié)構(gòu)優(yōu)化

無人機在滿足使用要求的前提下，尺寸緊湊且重心位置合理，則機動性與抗風(fēng)能力越好，在相同配置下，能達到更為理想的續(xù)航時間與操控性能［16-18］。無人機緊湊化設(shè)計主要體現(xiàn)在：

1）合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計

機體設(shè)計：旋翼和機體半徑關(guān)系如圖2 和式（1）所示。

圖2 多旋翼機體半徑與最大旋翼半徑示意圖Fig.2 Schematic diagram of multi-rotor body radius and maximum rotor radius

實驗表明，當(dāng)槳與槳之間距離從一個槳半徑到0.1個槳葉半徑變化時，氣流對飛行器整體性能影響較小，因此，為了使飛行器結(jié)構(gòu)緊湊，可使rmax=1.05rp～1.2rp在合理的重心位置。

當(dāng)陣風(fēng)吹來，因為螺旋槳柔性誘導(dǎo)的來流會產(chǎn)生阻力［19-21］。如果多旋翼重心在下，那么阻力形成的力矩，會促使多旋翼俯仰角朝發(fā)散的方向發(fā)展，直至翻轉(zhuǎn)。若多旋翼重心在上，那么阻力形成的力矩，會促使多旋翼俯仰超0°方向發(fā)展。因此，當(dāng)多旋翼受到外界風(fēng)干擾時，重心在槳盤平面的上方可以抑制擾動［22-24］。如圖3所示。

圖3 風(fēng)干擾情形多旋翼無人機示意圖Fig.3 Schematic diagram of multi-rotor UAV under wind interference

2）動力配置

多旋翼無人機的螺旋槳分為兩種類型，平原螺旋槳與高原螺旋槳，高原螺旋槳直徑較大、螺距較大，螺旋槳尺寸越大，電機帶動螺旋槳需要的扭力也越大。在高原地區(qū)，為了彌補因空氣密度下降帶來的升力損失可采用如下兩種方案［25-27］：1）增大電機扭力，換用尺寸更大的螺旋槳；2）增加螺距，提高螺旋槳升力系數(shù)。

3 測距技術(shù)優(yōu)化

獲取目標(biāo)相對無人機的三維信息，操控手準確判斷目標(biāo)，提高巡檢安全性和準確性，難點在于獲取目標(biāo)的深度信息［28-30］。在此，通過不同輸電鐵塔的標(biāo)準規(guī)格與無人機傳回視頻圖像的影像長度關(guān)系，確定相機偽相距，由偽相距與實務(wù)的比例關(guān)系，即可得到任意時刻的深度信息。同理，根據(jù)相關(guān)比例關(guān)系可獲取其余2個方向的距離信息，綜合即可得到目標(biāo)的三維信息。深度信息測試原理如圖4所示：

圖4 深度信息獲取原理圖Fig.4 Principle diagram of depth information acquisition

基于計算機視覺的三維目標(biāo)跟蹤，目的在于確定目標(biāo)相對于無人機的三維位置，幫助操控手準確判斷目標(biāo)，提高巡檢安全性和準確性。此研究點的關(guān)鍵在于獲取絕緣子等目標(biāo)在圖像中的深度信息。為此，本文提出一種偽相距概念?；趥蜗窬嗟臏y距方法，具體步驟分為兩塊：偽像距測定過程以及測距過程，主要針對相機視頻無線傳輸后，根據(jù)接收顯示器影像尺寸，來計算相機鏡頭與目標(biāo)物之間距離的過程。其原理是根據(jù)相機成像原理，假設(shè)存在一個類似相機像距的常量m（本文定義該假設(shè)常量為偽像距），偽像距m 一定與無線傳輸后的接收顯示器上影像大小S、目標(biāo)尺寸L以及物距d存在對應(yīng)關(guān)系，得到偽像距的計算公式為：

那么在偽像距已知的情況下，根據(jù)上式可以得到相機鏡頭與目標(biāo)物之間的距離d，則基于偽像距的測距計算公式為

圖5 基于視覺的深度信息原理圖Fig.5 Schematic diagram of depth information based on vision

步驟1：偽像距測定

1）調(diào)整相機焦距f，并固定相機焦距不變。

2）確定目標(biāo)尺寸S。

3）確定物距d。

4）測量視頻無線傳輸接收顯示器上目標(biāo)影像尺寸L（此步驟可以采用實際的長度工具進行物理測量，也可以通過圖像識別的方法，計算圖像中目標(biāo)物影像的像素尺寸）。

5）根據(jù)公式

計算偽像距m。

6）重復(fù)步驟二至步驟五多次，求偽像距的加權(quán)平均值m。

步驟2：深度信息獲取

1）在測得偽像距m的前提下，相機焦距為偽像距測定過程中的焦距，并保持固定不變，且使用與偽像距測定過程中相同的相機視頻無線接收顯示器。2）確定固定的目標(biāo)物尺寸S。

3）在相機鏡頭不斷改變與目標(biāo)物之間的距離時，對相機視頻無線接收顯示器上的影像尺寸L進行測量（此步驟可以采用實際的長度工具進行物理測量，也可以通過圖像識別的方法計算圖像中目標(biāo)物影像的像素尺寸）。

4）根據(jù)基于偽像距的測距計算公式（4），可以得到相機鏡頭與目標(biāo)物之間的實際距離。

步驟3：其余二維平面信息獲取

獲取深度信息后，其余二維信息可根據(jù)目標(biāo)在成像中的位置距離，采用與深度信息獲取相同的原理計算。

4 無人機規(guī)格要求

1）傳統(tǒng)巡線無人機操縱要求

傳統(tǒng)巡線無人機是通過飛行手與云臺手的相互配合，對桿塔的巡視點進行巡視。對于操縱手和云臺手的操縱能力要求非常之高，需要操縱員長期的飛行配合和經(jīng)驗積累。

2）巡線無人機平臺局限

傳統(tǒng)巡線無人機由于巡線要求拍攝樣片的質(zhì)量高，所以不得不采用傳統(tǒng)的相機進行采樣。傳統(tǒng)相機由于體積、重量大，小型的無人機無法承載，所以通常巡線無人機的軸距都很大，導(dǎo)致耗電量的增加，可能在巡視一些較為復(fù)雜的桿塔時，一塊電池還不夠，這使得在一些地理條件復(fù)雜的山區(qū)，給巡線工作帶來很大的影響。

3）高海拔地區(qū)地理環(huán)境局限

在高海拔地區(qū)，由于地理環(huán)境惡例，或海拔高度高、或路況復(fù)雜。這種惡劣的環(huán)境使得無人機機型不能有太大的規(guī)格。

基于上述問題，針對高海拔地區(qū)的無人機電力巡檢工作，這些無人機應(yīng)采用小型化、模塊化設(shè)計，以便于攜帶。具體規(guī)格要求如下：

1）小型化設(shè)計。多旋翼規(guī)格應(yīng)采用小型化設(shè)計，考慮到軸距增加會帶來槳葉增大。建議采用軸距為1 m以下的無人機。

2）模塊化設(shè)計。無人機應(yīng)采用模塊化設(shè)計，以方便攜帶，如：機臂、螺旋槳、云臺、電池可拆卸。

3）集成化飛機上的一些電路，避免一些線路暴露在外，減少飛機自身電路磁場的干擾。

5 無人機飛行性能技術(shù)條件

5.1 高海拔地區(qū)電力巡檢無人機導(dǎo)航精度要求

多旋翼無人機電力巡檢目的是為了拍攝輸電線路及鐵塔照片，包括絕緣子、銷釘、導(dǎo)線、通道等上百個對象。要求照片能夠拍攝鐵塔及周圍環(huán)境的所有信息。同時，對于銷釘級別的缺陷，要求無人機拍攝圖像分辨率極高。為此，在電力巡檢過程中，要求無人機做如下動作：

1）距離鐵塔較近飛行；

2）為了拍攝鐵塔兩側(cè)照片，要求無人機跨線飛行；

3）需要在鐵塔單側(cè)不同高度拍攝多組照片，對高度定位要求較高。

圖6 無人機同塔雙回現(xiàn)場作業(yè)流程圖Fig.6 Field operation flow chart of UAV double-return on the same tower

基于上述特點，要求無人機在導(dǎo)航精度方面具備如下要求和技術(shù)條件：

1）對于手動操控巡檢無人機

手動操控模式下，外控手需操控?zé)o人機飛至目標(biāo)區(qū)域懸停，要求無人機穩(wěn)定懸停后，再開展無人機拍照動作。若高度出現(xiàn)偏差，可通過人工操控達到目標(biāo)區(qū)域。因此，具體懸停精度一般為：垂直方向±0.5 m，水平方向±1.5 m。

2）對于自動巡線無人機

自動巡檢無人機要求無人機按照提前設(shè)定好的飛行航線飛行。比如，要求無人機飛行50 m 的高度，則要求無人機自動飛行至50 m 高度。因此，此種模式下，飛行要求無人機導(dǎo)航定位精度相對非常高，尤其是高度方向上的導(dǎo)航精度。若高度方向上，導(dǎo)航定位精度達不到要求，則不能自動完成理想的拍攝任務(wù)。這種飛行模式下，無人機導(dǎo)航定位精度的要求為水平和垂直方向的導(dǎo)航定位精度均達到cm級別。因此，這種模式下的導(dǎo)航系統(tǒng)通常采用差分定位方式。

5.2 高海拔地區(qū)無人機抗風(fēng)能力與海拔、電池要求

從地理角度看，我國幅員遼闊，輸電線路分布廣泛。其海拔高度分布最高可高達4～5 km。同時，高海拔地區(qū)常年多風(fēng)、低溫環(huán)境也嚴重考驗無人機性能，包括電池活性、無人機氣動性能等。這些區(qū)域?qū)o人機的主要影響包括：

1）高空空氣稀薄，一方面會讓螺旋槳的效率下降；另一方面也會讓動力系統(tǒng)的效率下降。

2）高海拔地區(qū)低溫環(huán)境嚴重影響電池活性，鋰電池對0°C～40°C 這個區(qū)間的溫度并不敏感，然而一旦溫度超過這個區(qū)間，壽命和容量就會打折扣。

3）高海拔地區(qū)常年多風(fēng)，影響無人機飛行穩(wěn)定性。

6 結(jié)語

在高海拔地區(qū)巡檢的無人機應(yīng)滿足如下要求：

1）飛行的海拔高度。根據(jù)輸電線路分布情況，要求無人機可飛行最大海拔高度達到5 000 m 為宜。當(dāng)然，針對不同地區(qū)巡檢工作，無人機配置需求也不同，可還針對不同區(qū)域選擇不同定位無人機。

2）抗風(fēng)性要求。結(jié)合高海拔地區(qū)輸電線路所處環(huán)境分布情況。要求無人機抗風(fēng)性能越高越好。當(dāng)前國內(nèi)外無人機實際飛行性能，要求無人機抗風(fēng)性能達到6級以上。

3）電池性能要求。針對高海拔地區(qū)電力巡檢，要求無人機電池選用能量密度高、活性強的電池，或采用燃料電池等新型電池作為動力來源。同時，對低溫環(huán)境下，電池應(yīng)注意采取保暖措施。