论文架空输电线路中无人机平台的差异化分析，本文是输电线路有关专升本论文范文与差异化和差异化分析和架空输电线路有关毕业论文格式范文.
刘伟东１ 源１ 杨鹤猛２ 武 艺１ 杨丰恺１ 孔令宇１ 陈利明２
（１国网通用航空有限公司 北京 １０２２０９ ２天津航天中为数据系统科技有限公司 天津 ３００３０１）
摘 要：分析了不同无人机平台的特点,根据平台差异化比较,提出了不同无人机系统应用配置集.针对架空输电线路巡检业务需求,对不同无人机平台进行总体情况分析,多维度的比较了无人机平台的特点及优势,根据平台飞行特点,提出每种无人机平台执行架空输电线路巡检的最佳应用配置集,配置集涵盖了无人机平台、任务载荷和测控通信设备的搭配建议,实现不同巡检业务下的系统最佳配置.
关键词：无人机平台差异化；应用配置集；测控通信设备；地面站
中图分类号：TM755
文献标识码：Ａ
ｄｏｉ：１０．３９６９/ｊ．ｉｓｓｎ．１６６５－２２７２．２０１7．02．００8
０ 引言
我国是电力应用大国,主要发电地域与主要用电地区的差异化,造就了我国架空输电线路有长途输送电能的需求.架空输电线路设备大多暴露在野外环境运行,需长期进行巡检维护.目前采用飞行器巡检方式已逐步的取代常规人工巡检,其非接触式、快速高效、多角度全方位的巡检手段,搭配各类可见光和红外影像设备,能够全面了解输电线路的运行情况.根据采用飞行器平台的不同又可以分为有人直升机巡检和无人机巡检,有人直升机由于其高昂的成本、极高的操作难度、较高的人身安全风险使得有人直升机的发展受到一约.
但是随着科技水平的进步及国家在无人机应用方面呈现出的利好政策,电力行业已经开始兴起无人机进行电力巡线,近几年来已经呈现出快速发展的势头.无人机系统进行输电线路巡检工作时,把多种载荷如可见光载荷、红外载荷固定在无人机云台或吊舱内,即可进行全线拍摄或悬停空中对重点部位、已发现的缺陷进行拍照取样,通过放大影像分析缺陷成因和制定检修方案.当前市场上可选用的民用无人机产品较多,如何选择最有效的无人机巡检系统提高巡检效率,已成为研究热点,国内主要电力公司已开展相关研究,并进行了飞行验证.
按无人机起飞方式,可将无人机划分为无人直升机、固定翼无人机和多旋翼无人机.本文系统的分析了不同无人机平台的飞行特点,提出了系统应用配置集,实现巡检业务与系统配置的系统解决方案.
１ 多旋翼无人机平台分析
多旋翼无人机空机重量范围可从数千克到数十千克,属于小型和中型无人机范畴.多旋翼无人机可根据旋翼个数进行区分,如四旋翼无人机、六旋翼无人机、八旋翼无人机等,其中以四旋翼无人机和六旋翼无人机为主.
１．１ 环境适应性
多旋翼无人机起降方式为垂直起降,起飞和降落占地面积小,起降场地面积至少为２ｍ×２ｍ,可以在平原、高原、丘陵、山地地区进行起降及作业.对环境限制小,适应能力强.
多旋翼无人机可以在空中悬停,巡航速度大约在５～３０ｋｍ／ｈ,作业半径最大约为５ｋｍ,最大飞行高度可达３ ０００ｍ,抗风能力最高可达６级,在小雨（雪）环境下可短时飞行,工作温度范围约为－１０℃～５５℃.多旋翼无人机一般是电池供电,由于转换效率低,电池质量较重,导致其续航能力短,一般约为４０ｍｉｎ.
１．２ 载荷能力分析
多旋翼无人机载荷能力约为３ｋｇ左右,可携带可见光相机／摄像机、红外热像仪等轻小型任务载荷.
１．３ 巡检对象
多旋翼无人机适合杆塔和线路局部巡检,在电力巡检上主要应用在日常巡检上的精细化巡检,故障巡检中的线路区段和部位进行精细检查、查找故障点或缺陷的作业.
多旋翼无人机系统巡检可采用可见光相机、可见光摄像机和红外热像仪对输电线路本体、附属设施、通道及电力保护区等三大部分进行巡检.
１．４ 工作优势
展开撤收时间短.多旋翼无人机进行电力巡检时,作业前准备时间约为５ｍｉｎ,撤收时间约为５ｍｉｎ.
配备人员少.多旋翼无人机单个机组进行电力作业时候,每个机组只需配备一名飞控手和一名地面人员,在复杂地形条件下可适当增加一名地勤人员.
１．５ 后期维护
在操作控制方面,多旋翼无人机操控简单,可以一键起飞.在可靠性方面,机械结构简单,没有活动部件,可靠性较高.在勤务性方面,因其结构简单,若电机、电子调速器、电池、桨和机架损坏,很容易替换,勤务性较高.
多旋翼无人机产品较多,产品对比分析见表１.
２ 固定翼无人机平台分析
固定翼无人机按空机重量可分为小型固定翼、中型固定翼和大型固定翼,按动力来源可分为电动固定翼和油动固定翼.
２．１ 环境适应性
固定翼无人机起飞方式多样,具体包括滑跑起飞、手抛起飞、橡皮筋弹射起飞、火箭弹射起飞、车载起飞和垂直起飞固定翼.其中较常用的起飞方式为滑跑起飞、橡皮筋弹射起飞和手抛起飞.固定翼无人机降落方式多样,具体包括滑跑降落、撞网降落、伞降、机腹擦地和垂直降落.固定翼无人机根据其空机大小及起降方式的限制,其起降场地差别较大,所合适的地形亦受到较大影响.在相对平坦的平原、高原和丘陵地区满足固定翼无人机的起降要求,在走势相对陡的地段及高山地区适合进行固定翼无人机的弹射起飞及伞降.
固定翼无人机可抗风能力普遍为５～６级；能在小雨（雪）环境条件下短暂飞行；工作温度范围约为－１０℃～５５℃.固定翼无人机巡航速度较快,不可悬停,部分机型可适应高海拔飞行.
２．２ 载荷能力分析
固定翼无人机载荷能力跨度较大,大型固定翼无人机最大载荷能力达３０ｋｇ以上.巡航时间根据载荷大小及任务工作环境不同而略有改变,一般最大续航时间在６ｈ以内,极少部分大型固定翼无人机巡航能力可达１０ｈ以上.
２．３ 巡检对象
固定翼无人机对线路本体和走廊保护区进行全光谱的快速拍摄监测,在电力巡检上主要应用在日常巡检上的快速巡检、灾情查勘如当发生地震、泥石流、山火、严重覆冰等自然灾害后,搜集输变电设施受损及环境变化情况的作业.
２．４ 工作优势
理想情况下,小型固定翼无人机巡检里程约１００ｋｍ／机组／天；中型固定翼无人机巡检里程约为３００ｋｍ／机组／天；大型固定翼无人机巡检约里程约为６００ｋｍ／机组／天；固定翼无人机进行电网巡检效率较高.
２．５ 后期维护
在操作控制方面,固定翼无人机操控比多旋翼复杂,但比无人直升机简单.在可靠性方面,有活动的机械连接部件,飞行过程中会产生磨损,导致可靠性下降.在勤务性方面,固定翼无人机零件比较多,安装也需要技巧,相对比较麻烦.
３ 无人直升机平台分析
无人直升机空机重量大多大于７ｋｇ,按空机重量可分为中型无人直升机和大型无人直升机.参考文献指出无人直升机虽然没有固定翼无人机那么快的巡航速度,但飞行稳定和具有悬停的能力.
３．１ 环境适应性
无人直升机起飞方式为垂直起飞,降落方式为垂直降落,起飞和降落占地面积小,起降场地应为坚实的平整地域,周边地形较为空旷无遮挡,中型无人直升机起降面积约为为５ｍ×５ｍ,大型无人直升机起降面积约为为１５ｍ×１５ｍ,可在平原、高原、丘陵、山地进行起降及作业.
无人直升机可以在空中悬停,巡航时巡航速度大约在３０～１００ｋｍ／ｈ,作业半径最大约为１００ｋｍ.部分无人直升机可适应高海拔飞行.
无人直升机可抗风能力最高可达６级；能在小雨（雪）环境条件下短暂飞行；工作温度范围约为－１０℃～５５℃.
３．２ 载荷能力分析
中型无人直升机最大载荷能力一般大于５ｋｇ,续航时间１ｈ以上；大型无人直升机载重大于１０ｋｇ,部分高达５０ｋｇ,续航时间２．５ｈ以上.
展开撤收时间短.一般中型无人直升机展开时间为３０ｍｉｎ,撤收时间为１５ｍｉｎ；大型无人直升机展开时间为６０ｍｉｎ,撤收时间为３０ｍｉｎ.
３．３ 巡检对象
无人直升机巡检系统可采用光电吊舱（也可单独搭载可见光相机、可见光摄像机、红外热像仪）对输电线路本体、附属设施、通道及电力保护区等进行巡检作业.
３．４ 工作优势
作业效率高,理想情况下,无人直升机巡检里程约数百km／架次.
３．５ 后期维护
在操作控制方面,无人直升机操控最复杂.在可靠性方面,无人直升机有活动的机械连接部件,飞行过程中会产生磨损,导致可靠性下降.在勤务性方面,无人直升机零件比很多,安装技巧性强,且比较耗时.
４ 无人机差异化比较分析
多旋翼无人机空机重量较小,以小型多旋翼和中型多旋翼无人机为主.固定翼无人机空机重量范围比较大,其重量可从几kg到数百kg,故固定翼无人机涉及小型、中型和大型三种型号的无人机.无人直升机空机重量范围较广,其重量范围虽范围可从几kg到数百kg,以中型无人直升机和大型无人直升机为主.
从起降场地要求和运输维护来看,多旋翼无人机因体积小,便于携带,可垂直起降对起降场地的要求低.固定翼无人机起降落方式多样,对起降环境要求较高.无人直升机结合了多旋翼无人机和固定翼无人机的有点,但是结构复杂,运维条件要求较高.
从抗风能力和高海拔适应性来看,多旋翼无人机抗风能力相对较差,无人直升机和固定翼无人机抗风能力较强,部分机型可适应高海拔飞行.
多旋翼无人机载荷能力较低,大多携带轻小型任务载荷.固定翼无人机和无人直升机载荷能力相对较强,根据作业任务类型可灵活搭配任务载荷.
多旋翼无人机多用于线路本体及部分基础设施巡检；固定翼无人机多用于通道及电力保护区（外部环境）巡检；无人直升机多用于线路本体、附属设施和通道及电力保护区（外部环境）巡检.
多旋翼无人机便携性极高,在展开撤收方面时间最短,配备的人员数量最少；虽然单架次次巡检杆塔基数少,但是每天可进行多架次多机组的同时作业.固定翼巡航速度快,单架次巡线距离远,巡检效率高.无人直升机具备长距离飞行和悬停的特点,可进行精细化巡检.
５ 无人机系统应用配置集
无人机电力巡检系统主要包括：无人机平台、任务载荷、测控通信设备和地面站（见表2）.
按照无人机飞行方式,又可划分为：多旋翼无人机、固定翼无人机和无人直升机.按无人机空机重量将其划分为小型、中型和大型无人机.根据以上两个无人机平台分类,无人机平台可综合分类成以下９种.
目前可搭载于无人机电力巡检系统的任务载荷主要有：可见光载荷、红外载荷、光电吊舱、紫外成像仪、ＬｉＤＡＲ和多谱段载荷.
无线通讯系统包含数据传输系统和图像传输系统,无人机电力巡检系统测控通信设备指在无人机平台与地面之间进行通信的设备,其包括电台（数传和图传）、数据链、３Ｇ／４Ｇ通信、卫星通信.电台通信设备重量比较小,通信距离短；数据链通信设备属于集成设备,重量较重,通信距离长；３Ｇ／４Ｇ通信设备重量较轻,通信距离受现有基站的影响；卫星通信设备重量比较重,受环境影响小,但是时延严重.
地面站包括移动地面站和固定地面站.移动地面站包括两类：车载地面站和便携式地面站.便携式地面站应用较为灵活,机动性较好,适用于小型或中型无人机；车载地面站测控距离远,工作时间长,可同时进行数据处理和分析,适用于中型或大型无人机；固定地面站适用于远距离、超视距测控通信,其适用于大型无人机.
６ 结论
本文对输电线路巡检无人机应用配置进行了详细分析研究.针对不同的巡检场景及巡检对象,应采用合适的无人机平台以适应环境、巡检方式、巡检周期、作业主体和数据处理方式,达到优化的作业效率.
参考文献
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３ 周志文,周昌昌,路明悦．浅析固定翼无人机在输电线路巡视中应用［Ｊ］． 中国电业（技术版）,２０１２（１１）
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５ 厉秉强,王骞,王滨海,等．利用无人直升机巡检输电线路［Ｊ］.山东电力技术,２０１０（１）
（责任编辑 高 平）
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参考文献：
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