夜视无人机研发及巡检勘灾应用
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【摘 要】随着社会的飞速发展，我国的现代化科学技术的发展也有了很大的改进。为了保障电网的全时段安全稳定可持续发展，电网巡维的时效性是重中之重。无人机自推广以来，都是在白天进行，市面上销售的成品无人机普遍搭载传感器是广角可见光相机，在夜间巡视受环境光线低的影响，无法得到清晰的成像效果。这样一来，在夜间时段，无人机不仅无法对输电线路进行有效的巡视，而且随时可能会对无人机飞行造成毁灭性的损坏，无论对电网还是设备都存在较高的安全风险。根据夜间应急作业的实际需求，通过分析无人机在夜间应急巡检作业中的不足，着重解决夜间光线不足带来的限制，通过技术手段和能力解决了工作中的实际问题，提高夜间应急巡检的效率，如山、台风以及故障特巡，实现无人机夜间巡视作业。
【关键词】夜视无人机；研发；巡检勘灾应用
本文主要针对夜视无人机进行研究与分析，指出当前夜视无人机研发的背景和目的，并且分析夜视无人机巡检勘灾的关键技术，并最终以实证为例分析夜视无人机的研发设计，并分析其巡检勘灾的具体应用。
1夜视无人机巡检勘灾关键技术
1.1飞行姿态控制技术
夜视无人机在进行巡检勘灾的过程中，会受到风雨等天气的影响，同时在电网当中的应用也往往离输电线路较近。针对这些情况要实现夜视无人机的巡检勘灾功能，就必须要对夜视无人机的姿态进行控制。在当前夜视无人机的开发中引入PID控制器来控制夜视无人机的偏行状况。经过实验以及实际应用，这个控制器的应用就能够很好实现夜视无人机飞行姿态的控制。
1.2多传感器高精度时间同步
夜视无人机通过引入大量的传感器实现其巡检勘灾功能，而保证其功能的实现就必须要将这些传感器获得的数据进行串联。实现这一功能的关键是建立统一时间坐标来实现传感器时间的高精度同步。在夜视无人机中还配备了GPS接收机，通过其输出定位数据和1PPS脉冲，为保证高精度时间同步可以设计授时型GPS以及时间同步控制器，通过这种方法与措施能够将夜视无人机中的传感器数据进行关联同步。将POS、CCD相机以及传感器数据的时间进行同步，最终统一到GPS当中，和GPS的时间同步，将多个部分的数据源时间进行统一。
1.3线路缺陷、隐患探测技术
1.3.1视觉探测
对于夜视无人机而言也必须具有普通無人机的探测功能，因此必须要引入视觉探测技术，在夜视无人机中搭载高清摄像设备，来进行拍摄、录制巡检线路的详细情况，并且能够将采集到的信息传递回到基站当中，并进行存储。地面数据处理中心的工作人员能够对收集到的信息进行处理和分析，确定故障所在，并分析故障成因。视觉探测技术主要应用于输电线路当中的显性故障探测，故障识别的精度和成像技术密切相关。
1.3.2红外和紫外探测技术
红外热成像仪以及紫外探测技术是也是无人机中的探测的关键部分。夜视无人机在电网中应用功能的时候，红外热成像仪能够采集线路表面温度信息并形成红外光谱图像，将图像传回数据中心，在数据中心当中能够通过红外光谱图来辨别电路设备，并且进一步分析判断故障所在。再当前研究当中，还应该尤其注意复杂背景下的红外图像处理技术，来提高巡检勘灾精度。通过紫外成像仪能够接收电力相关设备的放电情况，并形成紫外光讯号，将采集到的信息成图，进行显示，表征电晕的位置和强度，以此推测放电现象和线路故障所在。
1.3.3激光雷达探测技术
激光良好的单色性以及良好的相干性和方向性使其具有重要的应用，能够应用于距离、长度以及角度的测定，目前激光已经应用于激光测距方面。在夜视无人机的巡检勘灾中引入激光雷达技术，能够获得大量的高精度激光点运输局，然后结合成像技术，能够形成高精度的三维模型，并结合测距技术了解故障、线路和建筑物之间的距离，进行快速定位和分析判断险情。
1.4无线通讯技术
夜视无人机要想实现其功能还必须要保证其无线通信技术，通过该技术能够对夜视无人机进行控制，无线通讯技术中的遥测技术还能够对夜视无人机的运行情况进行实时监测，跟踪定位主要是实现对夜视无人机所处位置的监控，同时还能够通过该技术来实现和夜视无人机之间的信息传递。在当前夜视无人机的无线通讯中主要由完善的三部分构成，包括地面站模块、中继模块以及机载模块，这三个模块之间相互配合最终实现通信和各项功能。
1.5地面数据处理技术
地面数据处理技术是夜视无人机实现其巡检勘灾功能的关键。地面数据处理中心采用摄影测量、遥感的数据处理方法和技术流程，自主研发激光、相机、红外成像仪、紫外成像仪、POS系统等多种传感器获取的影像、点云、视频、坐标、姿态数据处理系统，实现多种数据的高精度几何处理。在此基础上，针对电力线、电塔、走廊地物等及其附属物的特点，开发无人机多传感器电力线路安全巡检智能专家系统，通过专家系统、人工智能、模式识别及多种可视化技术，实现输电线路和通道安全隐患和异常的判识、确认，快速定位输电线事故点，实现线路安全状况的及时诊断和故障排查。
2夜视无人机设计及其巡检勘灾应用实证
2.1硬件集成
2.1.1抗风防水无人机飞行平台选型
本设计选择的飞行平台，具备防水、防尘能力，图像传输距离高达7km，扩展负载能力强、改装空间大，机臂可折叠、脚架可伸缩，方便携带运输，适合场外恶劣环境下使用，特别是台风过后的中小雨、夜间、山区复杂环境。
2.1.2“高亮度LED探照灯”+“夜光夜视变焦相机”负载集成
探照灯选用功耗低、聚光性能好、探测距离高达60-100米的LED灯，相机部分是搭载具备10倍光学变焦星光级夜视摄像头，可在完全无光照的环境下，摄制清晰视频和可见光照片，并实时传回地面。
21.3“红外热成像相机”负载集成 飞行器搭载分辨率为640*512的红外相机，实现地面隐藏火点快速侦查。
2.2软件集成
2.2.1飛行控制软件研发
项目基于飞行器SDK，开发出自动飞行控制软件，实现正摄影像飞行、带状飞行，360全景飞行，使得勘灾作业更高效，应用于山火自动飞行。
2.2.2着火点坐标结算软件应用
普通红外相机，拍照后虽然能发现火点，但无法和坐标信息关联，本设计，通过二次开发，将照片位置和高精度GPS信息进行集成，正摄影像拼图后，精确计算出火点坐标，用于侦察明火，指导灭火作业，发现隐藏火点，灭火防患于未然。
2.3夜视无人机在巡检勘灾中的应用效果分析
2.3.1直接效果
漆黑夜间巡查15米远距离，看清螺丝防松销钉.
2.3.2经济效益
在珠海台风“天鸽”，使用夜视无人机，对220kV国珠甲乙线#60-#64进行夜间巡查，及时掌握现场情况，将送电时间提前了1.5小时。该夜视无人机，在广东电网2017年年底至2018年清明节期间，共飞机54个架次，发现隐藏火电123处，及时核定缺陷23处，为广东电网安全运行提供了做出了重要贡献，节约了大量的停电成本及人工夜间巡视成本。
结语
（1）首次实现无人机夜间精确巡视，可查看销钉级缺陷；（2）首次实现线路山火点坐标精确计算，可精确定位隐藏火点位置。具备多项先进指标：集成高清图传、10倍变焦夜视、一体化集成控制、红外、可折叠、防尘防雨等功能，市面上暂无同类产品，总体处于国际先进水平。
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（作者单位：国网长治供电公司）
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