专利名称：巡检架空线路线和杆塔用无人直升机系统及其方法
技术领域：
本发明涉及一种电力线路检测的技术，特别涉及巡检架空线路线和杆塔用无人直升机系 统及其方法。
技术背景近年来，我国国民经济的持续快速发展对我国电力工业提出了越来越高的要求。我国目 前己形成华北、东北、华东、华中、西北和南方电网共6个跨省区电网，截至2008年110千 伏以上输电线路己达到近51.4万公里。500千伏线路已成为各大电力系统的骨架和跨省、跨 地区的联络线，电网发展滞后的矛盾基本得到缓解。由于我国国土辽阔，地形复杂，平原少、 丘陵及山区较多，气象条件复杂，瓷绝缘子质量不够稳定等，因此为了安全和可靠地供电， 巡线维护自动化和现代化己日益显示出其迫切性。电力架空线路是电力输送的主要命脉，架空线路和杆塔的正常运行对于电力输送起着关 键性的作用，所以架空线路和杆塔的巡检工作是电力输送网络日常检査和维护的重要组成部 分。电力线巡检的大致内容包括线路是否出现破损、断股或存在异物；绝缘子伞群是否破 损或龟裂，绝缘子紧固件有无松脱或异常，绝缘子有无闪落痕迹；架空线路上的接续管、耐 张管、跳线线夹、导地线线夹、金具、防振锤、绝缘子等有无发热现象；线路走廊内的树木 生长、地理环境、交叉跨越等有无影响架空线路安全；杆塔上金具是否异常、松脱或脱落等。我国目前采用的巡线方式包括人工巡线和有人直升机巡线。人工巡线主要是人工巡线员 徒步沿着线路巡检。巡检方式主要是通过望远镜查看线路和杆塔。由于我国电路总长度大且 覆盖面积广，这种巡线方式存在的弊端是人员投入数量大、工作量大，但是巡线的效率很低， 成本很高。另外，很多输电线路分布在山区、湖泊以及无人区，造成人工巡线难度大、危险 性高。欧美各国在上世纪50年代开始研究并使用直升机完成巡线、带电作业和线路施工。上世纪80年代开始，我国也开始研宄利用直升机巡线的技术袁亦超、邓春和赵鹏在《华北电力技术》2002年第10巻上发表的《应用直升飞机巡线输电线路》，邱国新在《广东电力》2005 年第3巻上发表的《在直升机上应用红外热像技术巡视检测高压输电线路设备的回顾》，王平 和李刚等在《四川电力技术》2001年第1巻上发表的《输电线路应用直升飞机巡线维护试验 研究》，沈光陛和赵新波在《电力建设》2008年第10巻上发表的《直升机电力巡线技术》都 描述了采用有人直升机巡线的技术和方法。但是，利用有人驾驶的直升机进行巡线存在着一 些问题如直升机及其维护费用昂贵、安全问题突出等。特别是其安全问题，这是一个涉及 人身及设备(包括飞机和电网)安全的严重问题由于受CCD等检测仪器技术要求的限制，飞行速度不能太快、高度不能太高，所以飞机飞行稍有差错，就可能造成机毁人亡的后果， 并且也很有可能给电力网络带来灾难性的后果。近年来国内外不断出现的巡线直升机坠机事 故。2008年初，我国的一架巡线直升机在湖南郴州失事，造成人员受伤。发明内容本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种巡检架空线路线和杆塔用无人直升机系 统及其方法，本发明采用无人直升机并携带检测设备、控制设备和通讯设备，沿着架空线路 走廊巡检架空线路和杆塔，该方法可以应对复杂多变的地理地形地貌，完成对架空线路和杆 塔的设备缺陷检测。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案-一种巡检架空线路线和杆塔用无人直升机系统，它包括无人直升机、遥控器以及地面控 制车，所述无人直升机上设有飞行控制系统和巡检检测系统，所述两系统均与地面控制车无 线通讯，地面控制车对无人直升机进行远程控制并对巡检检测结果进行分析处理。所述飞行控制系统包括安装在无人直升机上的机载飞行控制计算机，机载飞行控制计算 机与安装在无人直升机上的卫星定位装置和机载传感器组连接，机载飞行控制计算机通过机 载飞行控制无线传输电台与地面控制车无线通讯。所述巡检检测系统包括安装在无人直升机上的机载检测用计算机，它与机载检测设备连 接，机载检测设备通过视频服务器与机载图像传输电台连接，机载图像传输电台与地面控制车无线通讯；机载检测用计算机还通过机载检测数据传输电台与地面控制车无线通讯；机载 检测用计算机与存储设备、陀螺增稳云台以及卫星定位装置连接。所述机载检测设备包括安装在无人直升机两侧的机体左侧摄像头和机体右侧摄像头，以 及安装在无人直升机正面的机体前摄像头、可见光数码相机、紫外成像仪和红外热像仪。所述地面控制车设有计算机控制系统，计算机控制系统通过地面飞行控制数据传输电台 与机载飞行控制无线传输电台通讯，用于向机载设备发送指令和接受无人直升机实时状态数 据，远程控制无人直升机；计算机控制系统还通过地面检测图像传输电台与机载图像传输电 台通讯，通过地面检测数据传输电台与机载检测数据传输电台通讯，接受回传图像信号并控 制检测设备动作；计算机控制系统显示无人直升机的状态显示，电子地图显示，飞行和检测 任务的编辑，下达指令，分析检测到的数据，显示机载检测设备拍摄到的图像和视频。一种巡检架空线路线和杆塔用无人直升机系统的巡检方法，它的步骤为1) 无人直升机搭载检测设备，由起降点起飞，在架空线路侧上方，水平距离为20-25米， 垂直距离为3-5米，沿着架空线路以每小时15-20公里的速度飞行；2) 飞行状态稳定后，调整云台的角度，使得可见光高清相机、红外热像仪和紫外检测仪能检测到架空线路；3) 用可见光数码相机检测线路是否出现断股、线路物理缺陷或是否挂有异物；用红外热 像仪检测导线上是否有过热的地方；紫外检测仪检测电晕和闪落情况；并将检测到图像送回 地面控制车；4) 当无人直升机靠近杆塔时，无人直升机悬停，调整云台角度并对杆塔由上至下的检测， 检测内容包括塔身金具是否出现异常、脱落或缺损；在检测过程中，实时的图像通过无线通 讯系统，发送至地面控制车，并在地面控制车的计算机控制系统中显示，计算机控制系统根 据实时的图像数据来判断设备是否出现异常。本发明的有益效果是-1. 无人直升机空中作业，不受地形地貌等因素的影响，只要天气条件允许，可轻易到达 线路所在地的上空，可有效降低地面巡检人员的劳动强度，以及降低巡线人员在险恶地形条 件下作业时的危险性。2. 无人直升机可在架空线路上方悬停，位置一般高于架空线路，可以更清楚的拍摄架空 线路设备图片，可有效扫除地面工作人员观测盲区，使得单次巡检的效率更高，从而巡检周 期更短，巡检频率更加频繁，更加有力得保障电力输电线路的安全运行。3.无人直升机相对于有人直升机而言，机动性更好，操控性能更优，更关键是可完全消 除机载人员在电力线上方空中作业这样的危险性，有效保障人员安全。而无人机后勤保障要 求更低，相对于载人直升机巡线成本则大大降低。4.无人直升机搭载的图像采集设备包括了可见光图像采集设备、红外热像仪、紫外成 像仪等，这使得线路巡检内容更加丰富。
图l为无人直升机结构示意图；图2为图1的左视图；图3为遥控器结构示意图；图4为地面控制车；图5为无人直升机飞行控制系统结构框图； 图6为无人直升机检测系统结构框图。 其中，l.无人直升机，2.遥控器，3.地面控制车，4.机载飞行控制计算机，5.卫星定位装置，6.机载传感器组，7.机载飞行控制无线传输电台，8.机载检测用计算机，9.视频服务器，10.机载图像传输电台，11.机载检测数据传输电台，12.存储设备，13.陀螺增稳云台，14.机体左侧摄像头，15.机体右侧摄像头，16.机体前摄像头，17。可见光数码相机，18. 紫外成像仪，19.红外热像仪，20.计算机控制系统，21.地面飞行控制数据传输电台，22. 机载检测设备，23.地面检测图像传输电台，24.地面检测数据传输电台。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。图l、图2、图3和图4中，本发明包括无人直升机l、遥控器2以及地面控制车3，无 人直升机1上设有飞行控制系统和巡检检测系统，所述两系统均与地面控制车3无线通讯， 地面控制车3对无人直升机1进行远程控制并对巡检检测结果进行分析处理，遥控器2用于 在特殊情况下的手动控制，如出现危险状况或需要紧急人工控制时切换手动控制。无人直升 机l是飞行的主要平台，用于搭载任务设备。地面控制车3是地面控制设备平台，用于装载 地面控制计算机、显示设备、天线等地面设备。飞行控制系统包括安装在无人直升机1上的机载飞行控制计算机3，机载飞行控制计算 机3根据飞行任务和无人直升机飞行参数(速度、高度、姿态、位置等)解算控制指令，并 通过通讯端口向无人直升机1上的执行模块下达控制执行指令；机载飞行控制计算机3与安 装在无人直升机1上的卫星定位装置5和机载传感器组6连接，机载传感器组6包括三轴加 速度计、三轴陀螺仪、电子罗盘和高度计，用于采集无人直升机飞行参数，包括飞行速度、 高度、方向、姿态等；采集无人直升机的当前地理坐标信息、飞行姿态参数、飞行速度和高 度；机载飞行控制计算机4通过机载飞行控制无线传输电台7与地面控制车3无线通讯，用 于上传飞行控制指令和下传无人直升机的飞行状态参数。机载飞行控制无线传输电台7负责 接受由地面站上传飞行任务和控制指令。巡检检测系统包括安装在无人直升机1上的机载检测用计算机8，用于控制记载检测设 备，获取检测图像数据，并存储检测图像数据和飞行参数；它与机载检测设备22连接，用于 控制机载检测设备22并从机载检测设备22中获取检测到的图像；机载检测设备22是无人直 升机所搭载的用于检测设备缺陷的设备总称，包括可见光数码相机17、紫外成像仪18和红 外热像仪19，它们通过视频服务器9与机载图像传输电台10连接，视频服务器9用于将模 拟视频信号转化并压縮成为数字视频信号，以便于传输和处理，机载图像传输电台10用于下 传检测到的图像数据；机载图像传输电台10与地面控制车3无线通讯，将检测到的图像数据 传输到地面控制车3;机载检测用计算机8还通过机载检测数据传输电台11与地面控制车3无线通讯，机载检测数据传输电台ll用于上传检测指令和下传检测系统状态参数；机载检测用计算机8与存储设备12、陀螺增稳云台13以及卫星定位装置5连接，以保证存储的检测 图像有拍摄时的经纬度坐标信息和陀螺增稳云台13状态信息。卫星定位装置5(卫足定位包括GPS、伽利略或北斗)是由飞行控制系统和巡检检测系统共用的，用于获取无人直升机l的 实时经讳信息和海拔高度信息。存储设备12用于储存检测到的图像数据和飞行参数数据，作 为备份数据。陀螺增稳云台13是光学检测设备(可见光数码相机17、紫外成像仪18和红外 热像仪19)的搭载平台，根据飞行姿态参数和云台当前的俯仰和水平角度，利用DSP解算反 馈补偿角度，以消除无人直升机机体震动与飞行姿态晃动对检测设备造成的影响。机载检测设备包括安装在无人直升机1两侧的机体左侧摄像头14 (用于监视飞机左侧的 环境状况)和机体右侧摄像头15 (用于监视飞机右侧的环境状况)，以及安装在无人直升机1 正面的机体前摄像头16 (用于监视飞机前方的环境状况)、可见光数码相机17 (用于检测输 电线路和杆塔的可见物理缺陷)、紫外成像仪18 (用于检测输电线路和杆塔的放电和闪落缺 陷)和红外热像仪19;机体左侧摄像头14、机体右恻摄像头15、机体前摄像头16主要用于 对无人直升机周围环境的监视；可见光数码相机17、紫外成像仪18和红外热像仪19 (用于 检测输电线路和杆塔的热缺陷)用于检测电力设备；陀螺增稳云台13与机载传感器组6连接， 获取飞机飞行姿态数据，并通过陀螺增稳云台13的DSP模块计算补偿参数，以此增加陀螺增 稳云台13的稳定性。地面控制车3设有计算机控制系统20，计算机控制系统20是地面控制中心，计算机控 制系统20通过地面飞行控制数据传输电台21与机载飞行控制无线传输电台7通讯，地面飞 行控制数据传输电台21负责发射由地面站上传飞行任务和控制指令，用于向机载设备发送指 令和接受无人直升机1实时状态数据，远程控制无人直升机1;计算机控制系统20通过地面 检测图像传输电台23与机载图像传输电台10通讯，地面检测图像传输电台23用于接受检测 到的图像数据；计算机控制系统20通过地面检测数据传输电台24与机载检测数据传输电台 li通讯，接受回传图像信号并控制检测设备动作，地面检测数据传输电台24用于发射上传 检测指令；计算机控制系统20显示无人直升机1的状态显示，电子地图显示，飞行和检测任 务的编辑，下达指令，分析检测到的数据，显示机载检测设备拍摄到的图像和视频。巡检架空线路线和杆塔用无人直升机的巡检方法为1) 无人直升机搭载检测设备，由起降点起飞，在架空线路侧上方，水平距离为20-25米， 垂直距离为3-5米，沿着架空线路以每小时15-20公里的速度飞行；2) 飞行状态稳定后，调整云台的角度，使得可见光高清相机、红外热像仪和紫外检测仪 能检测到架空线路；3) 用可见光数码相机检测线路是否出现断股、线路物理缺陷或是否挂有异物；用红外热 像仪检测导线上是否有过热的地方；紫外检测仪检测电晕和闪落情况；并将检测到图像送回 地面控制车；4)当无人直升机靠近杆塔时，无人直升机悬停，调整云台角度并对杆塔由上至下的检测， 检测内容包括塔身金具是否出现异常、脱落或缺损；在检测过程中，实时的图像通过无线通 讯系统，发送至地面控制车，并在地面控制车的计算机控制系统中显示，地面站工作人员根 据实时的图像数据来判断设备是否出现异常。本发明的工作原理无人直升机1飞行平台工作原理构架如图5所示，工作人员在后台控制软件中制定飞行 任务，后台控制软件将飞行任务转化为指令，通过数据传输电台传递到机载飞行控制计算机 4，机载飞行控制计算机4根据指令以及卫星定位系统和机载传感器组6的信息，将接收到的 指令转化为对无人直升机1执行机构的执行指令，来控制无人直升机1的飞行。在飞行过程 中，无人直升机1的飞行参数和机载设备参数通过机载飞行控制无线传输电台7发回地面控 制车3,并在后台控制软件的界面上显示。无人直升机检测平台工作原理构架如图6所示，后台控制软件通过地面检测数据传输电 台，向机载检测用计算机传送巡检任务，机载检测用计算机将检测任务解算成执行指令，通 知执行控制器调整云台的各轴角度，使得云台上的检测设备能够检测到需要检测的设备。同 时，机载检测用计算机通过USB接口向可见光相机发出获取视频的指令，通过RS232接口向 红外热像仪和紫外检测仪发出检测指令。三个检测设备将视频图像传递给视频服务器，通过 视频服务器，将视频压缩编码，然后通过机载图像传输电台传回地面控制车，经过地面控制 车解压缩解码，显示在后台控制软件的界面上。根据检测需要，机载检测控制计算机可通过 USB端口或其他通讯端口向可见光相机下达拍摄高清静态图片的指令，当可见光相机确认获 取高清图像时，机载检测控制计算机从卫星定位系统获取当时经讳度坐标，通过USB端口将 图片传输给机载检测控制计算机，机载检测控制计算机将图片、获取图片的时间、陀螺增稳 云台俯仰和水平角度以及经纬度坐标保存到存储单元，作为数据备份。同样，机载检测控制 计算机可通过RS232端口或其他通讯端口向红外热像仪和紫外成像仪下达获取带热图数据的 图像和紫外图像，并与经纬度坐标、云台俯仰和水平角度和拍摄时间一起存储于存储单元， 作为数据备份。同时这些检测到的图像数据通过图像传输电台被下传到地面站，地面站的工 作人员通过下传下来的图像数据判断是否有存在故障和缺陷。
权利要求
1.一种巡检架空线路线和杆塔用无人直升机系统，它包括无人直升机、遥控器以及地面控制车，其特征是，所述无人直升机上设有飞行控制系统和巡检检测系统，所述两系统均与地面控制车无线通讯，地面控制车对无人直升机进行远程控制并对巡检检测结果进行分析处理。
2. 如权利要求1所述的巡检架空线路线和杆塔用无人直升机系统，其特征是，所述飞行 控制系统包括安装在无人直升机上的机载飞行控制计算机，机载飞行控制计算机与安装在无 人直升机上的卫星定位装置和机载传感器组连接，机载飞行控制计算机通过机载飞行控制无 线传输电台与地面控制车无线通讯。
3. 如权利要求1所述的巡检架空线路线和杆塔用无人直升机系统，其特征是，所述巡检 检测系统包括安装在无人直升机上的机载检测用计算机，它与机载检测设备连接，机载检测设备通过视频服务器与机载图像传输电台连接，机载图像传输电台与地面控制车无线通讯； 机载检测用计算机还通过机载检测数据传输电台与地面控制车无线通讯；机载检测用计算机 与存储设备、陀螺增稳云台以及卫星定位装置连接。
4. 如权利要求3所述的巡检架空线路线和杆塔用无人直升机系统，其特征是，所述机载 检测设备包括安装在无人直升机两侧的机体左侧摄像头和机体右侧摄像头，以及安装在无人 直升机正面的机体前摄像头、可见光数码相机、紫外成像仪和红外热像仪。
5. 如权利要求1所述的巡检架空线路线和杆塔用无人直升机系统，其特征是，所述地面控制车设有计算机控制系统，计算机控制系统通过地面飞行控制数据传输电台与机载飞行控 制无线传输电台通讯，用于向机载设备发送指令和接受无人直升机实时状态数据，远程控制无人直升机；计算机控制系统还通过地面检测图像传输电台与机载图像传输电台通讯，通过 地面检测数据传输电台与机载检测数据传输电台通讯，接受回传图像信号并控制检测设备动 作；计算机控制系统显示无人直升机的状态显示，电子地图显示，飞行和捡测任务的编辑， 下达指令，分析检测到的数据，显示机载检测设备拍摄到的图像和视频。
6.—种权利要求1所述的巡检架空线路线和杆塔用无人直升机系统的巡检方法，其特征 是，它的步骤为1) 无人直升机搭载检测设备，由起降点起飞，在架空线路侧上方，水平距离为20-25米， 垂直距离为3-5米，沿着架空线路以每小时15-20公里的速度飞行；2) 飞行状态稳定后，调整云台的角度，使得可见光高清相机、红外热像仪和紫外检测仪 能检测到架空线路；3) 用可见光数码相机检测线路是否出现断股、线路物理缺陷或是否挂有异物；用红外热像仪检测导线上是否有过热的地方；紫外检测仪检测电晕和闪落情况；并将检测到图像送回 地面控制车；4)当无人直升机靠近杆塔时，无人直升机悬停，调整云台角度并对杆塔由上至下的检测， 检测内容包括塔身金具是否出现异常、脱落或缺损；在检测过程中，实时的图像通过无线通 讯系统，发送至地面控制车，并在地面控制车的计算机控制系统中显示，计算机控制系统根 据实时的图像数据来判断设备是否出现异常。
全文摘要
本发明公开了一种巡检架空线路线和杆塔用无人直升机系统及其方法。它采用无人直升机并携带检测设备、控制设备和通讯设备，沿着架空线路走廊巡检架空线路和杆塔，该方法可以应对复杂多变的地理地形地貌，完成对架空线路和杆塔的设备缺陷检测。其结构为它包括无人直升机、遥控器以及地面控制车，所述无人直升机上设有飞行控制系统和巡检检测系统，所述两系统均与地面控制车无线通讯，地面控制车对无人直升机进行远程控制并对巡检检测结果进行分析处理。
文档编号H02G1/02GK101604830SQ20091001704
公开日2009年12月16日 申请日期2009年7月14日 优先权日2009年7月14日
发明者厉秉强, 勇 孙, 王滨海, 磊 韩 申请人:山东电力研究院