无人机电力巡线系统方案保利.doc

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1、无人机输电巡线系统实施方案保利国防中心二零一一年十一月1、概述随着输电高压等级的不断提高，输电线路的巡线作业对维护区域油网的安全、稳定、高效运行越来越重要，也是油网运行的当务之急。输电线路跨区域分布，点多面广，所处地形复杂，自然环境恶劣，输电线路设备长期暴露在野外，受到持续的机械张力、雷击闪络、材料老化、覆冰以及人为因素的影响而产生倒塔、断股、磨损、腐蚀、舞动等现象，这些情况必须及时得到修复或更换。绝缘子还存在被雷击损伤、树木生长引起高压放油以及绝缘劣化而导致输电线路事故，杆塔存在被偷盗等意外事件，必须及时处理。传统的人工巡线方法不仅工作量大而且条件艰苦，特别是对山区和跨越大江大河的输电线路的

2、巡查，以及在冰灾、水灾、地震、滑坡、夜晚期间巡线检查，所花时间长、人力成本高、困难大，某些线路区域和某些巡检项目人工巡查方法目前还难以完成。无人机（unmanned aerial vehicle,UAV）是一种先进的无人驾驶自行飞行器。无人机输电巡线系统是一个复杂的集航空、输电、电力、气象、遥测遥感、通信、地理信息（GIS）、图像识别、信息处理的一体系统，涉及飞行控制技术、机体稳定控制技术、数据链通讯技术、现代导航技术、机载遥测遥感技术、快速对焦摄像技术以及故障诊断等多个高尖技术领域。现代无人机具备高空、远距离、快速、自行作业的能力，可以穿越高山、河流对输电线路进行快速巡线，对架空线的铁塔、支

3、架、导线、绝缘子、防震锤、耐张线夹、悬垂线夹等进行全光谱的快速摄像和故障监测。基于无人机输电巡线采集数据的专业分析，为油网管理和维护提供数据支持。无人机作业可以大大提高输电维护和检修的速度和效率，使许多工作能在完全带油的环境下迅速完成。无人机作业还能使作业范围迅速扩大，而且不为污泥和雪地所困扰。因此，无人机巡线方式无疑是一种安全、快速、高效、前途广阔的巡线方式。在国外，机载遥感仪器巡线的试验研究工作最早的开始约在70年代初期，在不断改进后，每个被检出的故障耗资逐年递减，到1987年时耗资已为初始的一半还略低。对接头检出结果分为四种情况，有微温、温、热和异常热，报告维修工程师，根据天气、负荷来确

4、定检修的先后顺序。我国的一些输电系统，也都进行了红外航测线路的试验研究，探索出不少经验，已取得一定成果。根据国情而进行的地面检测研究，也正在有效地推进中。无人机巡线工作是一种大量野外作业过程。用无人机进行低空巡线，是一种高效的巡线过程。它不仅能把部分野外的巡线作业转移到室内来做，还能把肉眼所难以发现的、处于萌芽状态的隐患（如：温度升高，轻微放油等）通过红外、紫外成像显现出来。为了提高低空巡线作业效率，整个作业过程可分为二步进行： 长距离线路普查 短距离线路详查前者主要是利用红外、紫外和可见光遥感设备检查线路有否异常点，后者则利用飞行器在异常点上空多个角度的倾斜摄影，以便管理部门做出决策。2、无

5、人机巡线系统无人机输电巡线系统主要由五部分组成： 低空、低速、长航行距离、长航行时间的先进无人机平台系统 包含红外、可见光至紫外的全谱段的实时遥感系统 微型气象数据采集平台 陀螺稳定平台 信息处理系统2.1无人机平台该方案的无人机平台包括1架KYD-70型长航时无人机、2架KYD-65型多用途无人机。其中无人机的组成如图1所示：主要包括无人机机体、机载导航飞控系统、机载油源、机载通讯设备等。图2 KYD-70型无人机实拍图图3 KYD-65型无人机实拍图2.1.1无人机技术参数：无人机主要技术参数（按需方要求，可调整）KYD-65KYD-70起飞重量：55Kg280Kg最大飞行速度：230km

6、/h220km/h巡航速度：160km200km/h140km180km/h飞行高度：100-5000m100-6600m航行距离：200km200km航行时间：3h10h翼展：3.15m7.8m机长：2.4m5.3m控制半径：150m150m任务载荷能力：15kg70kg2.1.2无人机巡线的主要性能（1）飞行控制距离由于高压输电线路长度一般在100KM，距离公路30KM内，因此要求飞行控制距离在100KM以上。KYD-65与KYD-70型无人机的航行范围均在200KM，而测控范围在高度大于2km，无地物遮挡的情况下，可以达到180km以上。在控制距离范围内，地面控制系统可以通过数据链对无人

7、进行遥控，传递监测数据、气象数据和视频。（2）起飞条件当起降的风速在每秒10米以下，风向夹角小于30，环境温度在40+ 50范围内均能起飞。KYD-65型无人机采用弹射方式起飞，伞降回收。KYD-70型无人机采用滑跑方式，可全自主起飞和降落，要求有401200米的跑道。（3）飞行高度飞行高度高于导线100M，KYD-65型升限为5000M海高，KYD-70型升限为6600M海高。（4）飞行导航无人机根据输电线路的地理信息（GIS），具备GPS自主线路导航控制功能，使一条线路的巡线作业小于4个小时。（5）机体稳定飞行控制无人机飞行稳定， 采用自稳定能力的摄像云台，可以选择安装CCD彩色摄像机、红

8、外热像仪、紫外成像仪等摄像设备，具备摄像设备的自动控制摄像功能，便于拍摄地面线路杆塔的高分辨率航空图像。（6）自动驾驶系统飞机以程控方式飞行为主；地面站并能够实时接收无人机飞行信息，发出飞控指令，能对无人机实施安全可靠的实时操作控制。（6）线路杆塔自动跟踪识别及快速对焦成像技术采用线路杆塔自动跟踪识别技术和快速对焦拍摄技术，可生成高清晰的地面杆塔、线路、绝缘子、金具、树林等可见、红外图像。2.2全谱段的实时遥测遥感系统2.2.1可见光成像设备可见光摄像机工作在白天，在搜索状态下，可见光摄像机工作在短焦距状态，此时，可见光摄像机具有大的观测视场，低的空间分辨率，实现对大型目标和场景的监控，一旦发

9、现状况，需要详细分析可疑目标时，对光学系统进行变焦，缩小观测视场，放大可疑目标，对目标的细节进行进一步分析。其主要性能指标如下所示：1. 有效像素：1628(H)1236(V)2. 帧率：30fps；3. 视场：小视场：0.80.6； 大视场：2.862.15；4. 靶面尺寸：7.16mm5.44mm5. 像素尺寸：4.404.406. 接口：Camera Link 规格(PlCL) 2.2.2红外热成像仪红外巡检的方法和步骤：测定全部输电线路的温度显示，判断有无异常过热，如有异常过热区域，要进行温度测定，实施其他判断方法，对异常作最终确认肯定，对异常部位进行分解检测。其性能参数如下表1所示：

10、图像性能传感器类型 320240像素，非制冷焦平面阵列，微热量型波长范围7.5-13m视场角(FOV） 小视场 21.5 大视场 86接口特性油源12V DC功耗3W视频输出PAL复合视频信号环境参数操作温度-32到+55存储温度-50到+65湿度0%-95%封装IP66（包含镜头密封组件）抗沙/尘Mil-Std-810E 抗冲击Mil-Std-810E抗震动Mil-Std-810E物理特性重量（kg）0.3kg（不含镜头），0.5kg（含50mm镜头）尺寸（mm）1166262（不含镜头），1666262（含50mm镜头）表1 红外热成像仪性能参数2.2.3高分辨率航空数码相机 高分辨率航空

11、数码相机是获得高清晰输电网线影像的主要遥感设备，按不同的需求，可以获得彩色/全色、立体（三维）/二维的地面影像。数码航空相机的主要性能规格如下表2所示：序 号名 称性能指标与参数单 位1光学参数 a. 焦距f50mmb. 相对孔径f/4.5c. 视场角 FOV76( )d.最大畸变15m2光谱段范围0.485- 1.10m3CCD器件象元数7216*54124CCD器件象元大小6.8*6.8m5感光面积49*36.8mm6积分时间最大30秒 最小由快门速度决定mS7信噪比 SNR50dB8彩色采样深度16BIT8最大采样速率24MHz/ channel9读出时间约1.8秒10调制传递函数MTF

12、(在55LP/mm空间频率处)光学系统:0.58相机系统:0.311地面幅宽（见表3）m12地面象元分辨率 L（见表3）m13地面（摄影）分辨率（见表3）m14摄影间隔（见表4）秒15无故障时间 2年表2 航空数码相机性能参数摄影高度（m）比例尺地面幅宽(mm)地面象元分辨率(m)地面（摄影）分辨率(m)*5001/10000490*3680.0680.1510001/20000980*7360.1360.25表3 航空数码测量相机摄影的地面效果*：中对比K=2时摄影高度（m）飞行速度（km/h）像移速度（mm/s）摄影间隔(s)*5001203.3312.162506.945.8460016

13、.662.43100027.781.46*130036.111.12*10001201.6724.322503.4711.686008.334.86100013.892.92130018.062.24表4 航空数码测量相机摄影的像移与摄影间隔*：摄影间隔指在重迭率为10%时；*：摄影间隔小于1.8秒时，不能连续摄影。2.2.4紫外成像仪器在高压油网放油时，根据油场强度的不同，会产生油晕、闪络或油弧。在放油过程中，空气中的油子不断获得和释放能量，而当油子释放能量（即放油），便会放出紫外线。紫外成像技术就是利用这个原理，接收设备放油时产生的紫外讯号，经处理后与可见光影像重叠，显示在仪器的屏幕上，达

14、到确定油晕的位置和强度的目的，从而为进一步评估油网的运行情况提供更可靠的依据。 在日光下，远距离检测油晕及油气放油现象，为尽早发现、监控运行油网的潜在故障提供了一种有效的检测手段，得到世界各国的广泛应用。紫外成像仪性能特点 可以在白天、日光下(包括在强烈的阳光下)操作 含油池的重量亦只有 2.3 公斤，携带极为方便 手持式外型设计，单手可完成操作 具有两种操作模式，集成模式可更准确的找出放油位置 油晕光子活动的数量显示 手动或全自动紫外图像及可见光图像聚焦功能 紫外图像及可见光图像同步变焦功能 PC卡储存图像，备有视频输出接口 报警功能 语音功能 透过PC卡作软件升级 新增感光度特强的可见光传

15、感器，在光线不好的环境下也能如常进行检测 可透过专用远程控制器作间接远程操控 GPS全球定位系统坐标显示 性能参数表视场角：8水平; 6垂直 功耗：17Watt：7.2V，2.5A 可见光感光度：3 Lux； 可选 0.7 Lux油池：7.2V，30Wh可充油式锂油油池变焦：光学20；数字12 一般工作时间：90分钟 (0.7Lux 的感光器：光学18；数字12)外接油源：9-16V，17VA视频输出格式：NTSC / PAL 油源转接器：110-240VAC，50-60Hz /12VDC 3A聚焦范围：2米到无穷远重量: 成像仪：2.3 Kg，含油池数据储存：Compact Flash卡 尺

16、寸: 长度 302mm;高度 165mm;宽度125mm;图像格式：jpg操作温度范围：-15 C to 50 C声音格式：wav 储存温度范围：-25 C to 60 C容量：512幅图片（每16MB容量）湿度：90%，非凝结式数据下载：读卡器或USB 封装：IP55 影像储存：RCA及S-Video作视频输出报警：透过声音输出，LED及辅助输出口声音：备有耳机输出，麦克风输入 750kv线路导线放油 变油站内导线放油变油站内悬置瓷瓶伞群放油35KV复合开关套管根部放油从200米远的距离观察750KV高压输电线上的油晕放油情况绝缘棒放油220kv支柱绝缘子底部放油220kv支柱绝缘子上部法兰

17、处放油2.3 陀螺稳定吊仓该平台采用的光电吊仓，其实拍图如下图4所示：图4 吊舱实拍图其主要技术指标如下： 1、回转精度 0.05 ；2、 稳定性能：50 rad；3、重量：20Kg；4、尺寸：300500mm；5、转动角度：n360；6、最大转动速度：60/sec；7、 最大转动加速度： 60/sec2；8、工作温度：-15 +55 ；9、湿度：0 95%；10、功率：60W11、输入油压：18 36V DC 12、方位精度： 0.1mrad；13、俯仰精度： 0.1mrad。其可实现的功能如下:1. 通过稳瞄转塔实现惯性稳定，保持无人机在机动飞行、机体振动和其它干扰情况下稳定巡查、跟踪等功

18、能；2. 光电吊舱光机系统为方位、俯仰两轴结构，红外热像仪和可见光相机采用模块化，针对不同应用时，可自由更换；3. 光电吊舱机载操控系统接收计算机发出的操作指令后，可以执行包括手动搜索、自动跟踪，红外热像仪与可见光CCD摄像机的操作控制指令，伺服系统的关停，以及无线传输等在内的控制指令；4. 伺服控制系统接收地面站无线传输的开机命令后，自动完成系统的加油、自检和开机（或关机），根据控制命令实时地对目标进行手动搜索和自动跟踪，把目标图像信息实时地传送给地面站监视器；5. 具有运行安全保障系统和报警装置，包括断油位置锁定和故障诊断； 2.4微型气象站采集输电线路走廊内的主要气象数据。2.5信息处理

19、系统信息处理系统主要由飞行控制系统、任务生成系统、信息传输系统、数据采集系统、数据分析系统以及数据库等组成。2.5.1飞行控制系统通过数传油台、海事卫星等对无人机实现必要的遥控。2.5.2任务生成系统根据输电线路的位置坐标和地理信息系统(GIS)软件生成数字航图，结合具体的巡线任务要求生成任务目标。2.5.3信息传输系统信息传输系统负责无人机和地面控制中心的控制指令、数据以及图像信息的传送。2.5.4数据采集系统 采集输电线路走廊的气象数据、输电线路的可见光图像、红外图像、紫外图像、数码照片以及数据的方位坐标。2.5.5数据分析系统在初步检测阶段，对每个故障分析单元的单幅图像进行分析处理，寻找

20、疑似故障点，并计算该点(区域)的故障特征值，然后拼接当前故障分析单元的可见光和红外、紫外全景图，并利用拼接过程中各疑似故障点的SIFT特征描述符去除重复的疑似故障点。在故障判决阶段，对初步检测到的疑似故障点，根据故障判决数据库中相应故障类型各个级别的阈值进行判决。若该类型故障有历史数据判决规则，则根据历史数据判决规则。对于重大缺陷及以上级别的故障，进行人工辅助判决，以保证判决的准确性。最后将判决得到的故障点信息存储在故障信息数据库。在各故障分析单元的可见光全景图上标示出杆塔信息(编号、GPS信息等)、故障点信息(故障类型、故障级别等)，与故障信息一起存为单个单元的检测报告。检测报告由故障信息数

21、据和故障单元全景图组成。在各单元的疑似故障点判决完成后，综合各单元的检测报告生成报表。2.5.6数据库图像采集记录：包括巡检任务日期、红外图像 可见光图像、检测报告 全景图像、杆塔等。线路故障信息数据库：用于记录故障历史信息，用户管理数据库提供软件的使用权限控制。信息管理：该模块的功能分为3 个部分：（1）故障信息查询功能。使用原始信息的组织结构(如检测时间、线路号、杆塔号)及故障类型(如线缆间距故障、绝缘子故障)作为关键字，对故障信息进行查询。（2）预设数据库修改功能。在线路结构发生变化时(如增加线路)更新线路信息数据库，或根据线路实际情况修改判决标准数据库。（3）用户权限管理功能。提供信息

22、访问的权限控制。低空巡检系统信息处理软件能实现了对采集图像的高效分析处理，能够生成可视化检测报告和对线路故障信息进行查询、修改，为巡检系统产生的大量数据提供了可行的自动化处理方案。3技术方案3.1 任务载荷安装光电巡查吊舱安装于无人机机舱外部。机上设备包括：光电巡查吊舱、GPS接收机及天线、机载视频记录器、视频发射机及天线、油视巡查数控接收机及天线、机载油源等。地面设备包括：视频接收机及天线、油视巡查数控发射机及天线、巡查控制台、视频处理分析计算机等。图5 巡线系统视频监测组成及交联关系3.2 输电供应KYD-65型无人机自身配有油池组。可根据要求，为机载设备供油。KYD-70型无人机加载发油

23、机，并配备了备用油池组。3.3 动力部分KYD-65型无人机采用德国3W150双缸对置活塞发动机，返厂维修时间间隔为300小时。KYD-70型无人机配备进口两冲程活塞四缸发动机，返厂维修时间间隔为200小时。3.4 起飞降落方式KYD-65型无人机采用弹射方式起飞，伞降回收。KYD-70型无人机采用滑跑方式，可全自主起飞和降落，要求有401200米的跑道。3.5 地面控制站3.5.1 指挥中心指挥中心用于对机载设备和地面设备的工作状态、测控信息和信息数据进行管理和监控。无论KYD-65或是KYD-70型无人机，其地面控制站是一体的。如图6所示：图6 地面设备系统图3.5.1.1 配套设备配套设

24、备主要包括检测设备和经纬仪等，完成系统地面站定位及检验。通过数传链路实现对无人机飞行控制，通过遥测线路接收来自空中无人机任务系统下传的信息。将以上信息进行处理、储存、分发给指挥所。3.5.1.2 系统对外接口外部接口包括系统与其他系统的关系，地面设备接口通过专用接口接入地域网和综合数字业务网，和指挥系统互通互联。3.5.1.3 结构组成和布局机柜设备为4个标准19英寸机柜，从左到右顺序排列，依次为飞行控制柜II、飞行控制柜I、跟踪控制柜及任务导航柜。3.5.2 机动测控站主要包括指控车、GPS地面站子系统、数传系统、地面遥测接收站、数据处理及航迹显示计算机等。其车内布局如图8所示：图7 机动测

25、控车内实拍图u 主要技术指标如下： 处理空中目标数 30个 作用距离 100km（全向）/200km（径向） 数据更新率 15Hz 连续工作时间10h 工作环境温度-30+70 工作油压 AC 220V10% MTBF 300 h MTTF 0.5 h3.5.3 单收设备单收设备为便携式接收设备，包括简易数传接收设备、简易遥测信息接收设备、数据实时显示处理设备、便携式油源等。 图8 单收设备3.5.4 检测维修车检测维修车包括车体、一级检测设备、二级监测设备、气源装置和有关保障系统、设备和工具等组成。图9 检测维修车实拍图3.5.3.1 一级测试设备安装在机柜内，具有-40+60的扩展温度范围

26、，配置如下： 模拟量信号采集卡：32路12位模拟量输入，采样速率100K/S； 开关量输入输出卡：144路开关量，输入/输出软件可选； 现场总线控制卡：8路串行通信口，通信速率、接口类型可选； C3I数据通信接口卡：具有能与C3I系统进行数据通信的接口。3.5.3.2 二级监测设备包括仿测仪、飞控计算机检测设备等，具有0+60的工作温度范围，配置如下： 模拟量输出卡：12路12位模拟量输出，输出量范围软件可选； 开关量输入输出卡：144路开关量，输入/输出软件可选； 串行通信卡：8路串行通信口，通信速率、接口类型可选。3.5.3.3 气源装置在-30C到+50C的野外无油源、无水源的地区能够正

27、常工作，并能输出洁净压缩空气3.5.3.4 配有雅马哈EF6600E汽油发油机一台，提供220V、5KW的交流油源。3.5.5 飞机运输车运输车的主要功能是用来运输无人机，也可兼作无人机回收车，在无人机执行任务后从降落地点装运无人机。图9 运输车3.6 技术接口3.6.1 机械接口载荷安装方式，安装结构件及模拟件由负责加工安装。具体联系18911556678咨询3.6.2 油气接口改造后的无人机为自身和侦测设备提供输电供应，无人机的飞参数据通过高速数传信道，向地面数据处理提供实时数据。 空中部分控制指令数据传输设备工作频率为230MHZ，发射功率2w。 地面部分无人机地面站可通过网口与指控中心

28、相连，10/100M自适应，提供飞航信息等。指控中心为无人机测控站提供1路语音信号。3.6.3 信息交换内容及格式 GPS引导信息：无人机地面站可通过局域网向指控中心和二级指控站实时传输，传输协议采用UDP/IP，数据格式见附表2、表3。巡查控制台控制指令包括： 油视巡查摄像头俯仰、方位搜索 视场变换（连续变焦） 锁定跟踪 解除跟踪视频处理分析系统输出信息：视频画面叠加载机高度、速度、经度、纬度、时间等信息。3.7 安全措施飞机可以做到发动机故障、空地通信指令中断等特殊情况下的自动返航，自动开伞降落。3.8 系统维护与人员培训3.8.1 发动机常规维护时间：每个起落至少进行一次维护3.8.2发

29、动机翻修时间：300工作小时3.8.3发动机免费维修：免费提供2次翻修3.8.4机体维修：提供技术支持和材料支持3.8.5人员培训：可以提供4人次技术培训及相关资料，培训后达到独立工作能力。具体联系18911556678咨询。4任务分工4.1 本项目由航空科技股份有限公司统一计划实施管理。并负责完成：4.1.1 无人机系统通油检查、信息接口、机械接口检测、任务系统功能测试，携带任务设备的飞行等。4.1.2 提供无人巡查系统使用及维护大纲，并组织系统设备调试和系统试运行。4.1.3 提供无人机操作人员培训，并负责首次任务执行。4.2 需求方负责产品接收准则的确认，包括： 采购产品验证单上填写的检

30、验要求； 各分系统（部件）验收规范； 产品验收技术条件。5产品报价本系统配套设备及材料清单报价单如后附表1。6生产周期自合同签订日期起，生产4个月，试运行1个月，第6个月交付，主要包括:1. 飞机生产制造2. 弹射架制造3. 任务载荷加工制造；4. 机动地面站制造；5. 指挥中心建立、前哨单收站建立；6. 系统试运行及系统调试；7. 订单交付。 其中：第1至第5项需4个月；第5个月进行系统试运行与系统调试；第6个月订单交付验收。7. 保密 本技术协议未经航空科技股份有限公司书面许可，不得向第三方泄露。表5 预算报价单单位：万元序号设备名称数量单价总价备 注1KYD-65型无人机2架70140含

31、机载飞控、测控等设备2KYD-70型无人机1架230230含机载飞控、测控等设备3运输车（含改装）1辆30304检测车（含设备）2辆50100KYD-65/KYD-70各一套5弹射架1套100100KYD-65型配备6指挥中心（仅含设备，不含土建和内饰）1 套120120含地面数据接收终端，50英寸大屏幕显示器2个，1个任务显示器，1个飞行姿态显示器7测控单收站6座10601个/100公里半径内8机动测控车（含设备）3辆601801辆/200公里半径内9RC发射机3套0.61.810发动机启动器2套0.5111光电巡查吊舱（不含光电传感器）2套60240KYD-65型使用12光电巡查吊舱（不含光电传感器）1套150150KYD-70型使用13红外热像仪3套309014可见光CCD摄像机3套2060合计： 1,502.80万元表6 备品备件报价表单位：万元序号设备名称数量单价备 注1KYD-65型机翼2对5备用2KYD-70型机翼1对15备用3KYD-65型发动机1台3备用4KYD-70型发动机1台21备用5KYD-65型螺旋桨10副0.09备用6KYD-70型螺旋桨3副0.25备用7油滤10只0备用