输电线路无人直升机巡线系统研究及应用可行性实施报告.docx
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输电线路无人直升机巡线系统研究及应用可行性实施报告
一、目的和意义
1.描述与项目研究容紧密相关的电力公司实际生产力水平和今后的发展方向；
超高压输变电局目前所辖输电线路总长为1000多公里（泉敦一线、二线）。
线路架设区域为戈壁，高山，风沙区等。
地理环境比较恶劣。
而目前我局所管辖的输电线路的巡视，利用传统的巡视方法不能满足现阶段的巡线要求。
因此，需要寻找一种新型的快速高效的巡线方式，来对目前的巡线效果进行改善，逐步提高。
利用无人直升机来进行输电线路的巡视，不仅效率高，效果好，而且保证了巡线人员的人身安全，同时可以提高我省电力巡线作业的自动化程度，具有重要的积极的意义。
2.阐述项目成果对该现状和技术发展的作用；
输电线路无人直升机采用了分布式的控制理论构造系统，以无人机自动驾驶技术为平台，采用了分布式控制技术、导航及定位技术、线路探测技术和高压电磁兼容技术、飞行稳定技术等高科技技术，真正地实现了输电线路的高效率自动巡检。
无人巡检直升机以自主或人工干预遥控的方式，通过预制定的飞行航线，在卫星定位系统的定位和引导下对高压输电线路进行巡视。
通过此项技术的应用，使得无人机系统能够高效地巡视恶劣的地理环境（如高山、河流、峡谷等）中的钢塔，保障输电线路的安全运行，同时降低了作业工人的人身安全。
同时，无人机技术在高压输电线路上的巡视应用，不仅填补了我国现阶段利用无人飞行器在电力方面的应用空白，而且也提高了我国输电线路巡检的自动化水平，具有极大的经济及社会意义。
3.分析成果应用和推广的途径；
输电线路无人直升机巡检系统能够应用于高压各个等级的输电线路，随着线路的巡检需求的不断提高，需要不断地对无人直升机的作业任务规划、任务设备进行不断地调整。
通过集成技术的完善，使之能够应用于输电线路上的电力设备，线路走廊的巡检，以及事故应急发现等各种情况，极大的保障了输电线路的安全运行，降低了巡检成本。
因为无人直升机巡线能够应用于超高压及特高压输电线路。
因此，在超高压线路上的成功应用成果，能够直接转化为110KV线路的巡检方式；同时，对于施工方面的工程，无人机可以进行空中架线（通讯线缆）；对于恶劣气候环境中的事故现场，无人机系统能第一时间前往，拍回第一手资料，为事故分析，事故处理起到了积极的作用。
线路巡检空中架线
4.分析成果推广后的直接和间接效益。
推广后，不仅能够极大的提高巡检效率，极大降低人工巡检的劳动强度，同时，无人直升机的灵活机动的特点，使得巡线人员能够完全按照巡线任务的要求进行详细的线路查看，不仅保障了人员的人身安全，节约了大量的人财物等直接经济成本。
同时，故障点的及时发现能够使得管理人员及时处理，保障线路的正常运行，不因线路故障停电而造成的重大经济损失，同时，安全供电保障，也为企业生产，人民生活带来了极大的经济效益，具有极大的经济效益与重大的社会效益。
二、国外研究水平综述
1.项目研究容发展历史的简要回顾；
纵观无人机的发展历史，无人机最早应用于军事任务：
一次和二次世界大战期间，“别动队”无人机，成了主要的侦察的主要任务。
越南战争期间，美国无人机在战场上进行电子窃听、电台干扰、抛撒金属箔条及为有人飞机开辟通道。
在1982年的贝卡谷地之战，1991年爆发的海湾战争，1995年波黑战争，1999年“科索沃战争”，无人机都在战争中起着至关重要的先锋作用。
随着科技的进步以及应用需求的提高，无人机尤其是无人直升机逐步的被应用于各个民用领域，包括了：
地址勘探、地形扫描、影视制作、广告航拍、安全巡逻、消防监测、通信中继、科研试验、物探测量、人工降雨、管线监测、缉私监控等应用，极大的提高了无人机的应用价值。
2.国外研究水平的现状和发展趋势；
国际上，无人直升机主要分为两大类：
一类为军事作战服务；另一类民用应用服务。
目前，在民用方面，特别是在电力方面的应用，上个世纪五、六十年代，由于国情不同，国外的空中领域具有对民用开放的区域，因此，欧、美、澳等许多发达国家，都自行购置了高性能的，高配备的载人直升机。
在良好的天气情况下，对输电线路进行巡检，并将这项工作作为一项非常规工作来开展。
使用至今，这项工作取得了良好的巡检效果。
而利用无人直升机来进行输电线路的巡视检查，国外电力研究部门正在加紧研究试验阶段。
我国在上个世纪80年代，开始进行了载人直升机的巡检工作，但是由于巡检费用高、灵活机动性差，巡检飞行安全系数低等诸多原因，与电力应用的灵活机动，快速应变等要求不相适应，因此，此项工作一直没有得到很好的开展。
备注：
国情要求，凡是载人飞行机械每次飞行，必须提前到省级军区办理相关手续。
待批准后，方能执行飞行任务。
3.介绍国外研究或者公司对本项目的研究情况；
美国加利福尼亚州PaloAlto电力研究院于2001年研制出了一种空中巡检系统（AirborneInspectionSystem），该系统可在输电线上高速飞行，拍摄并记录输电线及相关设施（绝缘子、金具、杆塔等）的状况，利用GPS定位系统标识出杆塔、建筑物等目标体的坐标。
与其他的直升机巡检相比较，该系统的优点是提高了可靠性，缩短了巡线的时间；同时，该系统设备造价极高，超出人工巡检成本的10倍以上。
英国WalesBangor大学正在研制一种半自主无人飞行器Sprite，Sprite配备了两组相对反向旋转的动叶片以消除力矩影响，实现平稳飞行。
该飞行器具有质量轻、抗气流扰动能力强等优点，安装了CCD摄像机，可用于输电线及相关设施的检测。
但是，目前该飞行器尚处于试验研制阶段。
4.介绍国其他研究单位对本项目的研究情况。
目前，我国利用无人直升机进行线路巡查，尚处于一个研究试验阶段。
然而，由于我国无人飞行器的技术研究起步晚，技术底子薄以及低空尚未开放等原因，无人直升机在国的应用还主要是：
影视制作、广告航拍、安全巡逻、消防监测、通信中继、科研试验、物探测量、人工降雨、管线监测、缉私监控等等方面……应用在电力方面的线路巡检处于一个几乎空白的处境。
因此，对于无人直升机巡检在高压输电线路上的应用的研究，势必会推动无人机技术的不断发展，提高巡线的自动化水平，降低人工劳动强度，提高输电线路巡检效率，降低巡线成本，将为电力部门带来巨大的经济效益与社会效应。
三、项目的理论和实践依据
1.项目研究容的原理简述；
无人直升机巡检系统的研究：
是通过对定位，通讯，系统集成，飞行规程，以及输电线路的安全规约的充分了解；以GPS定位技术，微波传输技术，系统集成技术，飞行控制技术，信号采集技术，材料科学技术等一系列技术为依托；将一系列高新技术整合到无人驾驶系统平台，研制出一种轻型，便捷，高效的无人巡检直升机，来代替许多高危的输电线路巡检工作。
并可在许多恶劣的地理环境下进行巡检，为应对突发的事件，采取有效的措施，保障输电线路的安全运行，起到了良好的作用。
2.项目研究容的理论或者实践依据；
无人直升机巡检系统经调试完成自检后，通过微控制器进行辅助起飞，待飞行稳定后，切换至自动飞行状态（可自动飞行或者手动飞行），同时地面监控计算机可以实时监测无人直升机的飞行状态，监控巡查设备以及剩余油量，并能通过地面移动便携中心向无人直升机发送的控制命令，使之完成相应的动作。
无人直升机可沿着既定路线路巡检，又可悬停在某处对线路进行细致观察。
无人直升机系统与地面监控计算机（地面便携中心）之间通过无线数传电台交互数据，完成控制命令的上传和无人直升机状态信息的下传。
地面监控计算机可显示并保存采集的图像。
控制命令主要包括：
无人直升机的前进、后退、悬停，飞行速度控制，云台摄像机的控制，镜头变倍变焦调整，视频数据存储，飞行状态数据监测等等。
无人直升机作业示意图
3.项目研究的关键。
1）伺服机、舵机技术
2）导航仪技术
3）自动驾驶技术
4）数传遥测技术
5）数据记录和视频技术
6）控制、校准、增稳技术
7）电磁兼容、抗电磁干扰技术
8）地面站软件控制技术
四、项目研究容和实施方案
1.项目研究容的详细说明。
无人直升机巡线系统的研究，以实现无人直升机携带高清摄像机，完善的巡线任务规划，进行输电线路的自动巡航为目标，通过无线通讯传输方式将采集的巡视情况及时发送回地面站，供管理人员进行分析，决策；安全、高效地完成（特别在地理环境恶劣的输电线路）巡检任务。
1）无人直升机功能的设计，确定无人直升机的工作设备等容。
研究容：
根据目前巡线情况，确定所需要的功能设备。
2）无人直升机机械本体的改进，使之成为具有安装数据采集，存储及无线传输等功能模块，能够进行空中巡视的监控载体。
研究容：
对机载的功能设备进行评估，确定相应合适的机型进行结构改进。
进而对无人直升机机械支架结构进行设计调整，根据功能设备的安装位置设计出一套最合理的安装方案。
3）无人直升机自动巡航系统设计，起降方案的程序设计，使得无人直升机具有自巡航功能。
研究容：
无人机自动驾驶系统的设计及安装，完善无人直升机手动操作及自动操作的切换功能，使之具备自主飞行，做好自动巡航基础功能。
4）无人直升机功能设备集成。
使得无人直升机满足输电线路的巡线要求。
研究容：
对无人直升机的数据采集、数据存储、飞行控制系统、图传系统，数据系统、云台系统、油量监测系统等等一系列功能模块进行集成，使之具备相互独立工作的能力。
5）无人直升机电气功能设计。
研究容：
对无人直升机所搭载的功能设备及任务设备进行电气设计改进，对相应设备控制等进行修改，使所有的设备成为一套功能独立、却共同作用的飞行操控系统。
6）无人直升机飞行规程的制定。
研究容：
结合电力相关规程，根据无人直升机的作业情况，来进行无人直升机的飞行规程以及操作手册的编写，以此作为无人直升机工作开展巡线工作的指导手册。
7）巡飞任务设计。
研究容：
确定线路情况，分析巡线任务，根据实际情况对无人直升机的巡飞任务进行制定，保障巡线工作。
2.项目研究容的技术路线及方法。
1）无人直升机功能设计
通过分析目前巡线方式的不足，结合巡线的实际情况，提出利用无人直升机巡线的要求，并提出巡线的任务设备需求，制定出一套可行的设备功能方案，并以此为目标进行无人直升机巡线系统的研发。
目前，无人直升机搭载了的摄像机，主要应用于影视航拍、地质监测等方面，因此，对此功能进行升级，提高摄像机的清晰度及设备的抗干扰能力，就能够对输电线路的走廊，钢塔及其塔上电力设备进行巡视，并将拍摄的资料及时传送回地面监控站。
同时，需要根据实际的需求，为扩展其他设备进行必要的设备接口的设计打好技术基础。
2）无人直升机的本体机械改进
无人直升机的本体的机械结构具有可调整性，根据功能设计所提出的要求，在不影响无人直升机基本飞行功能的前提下，经过专门培训的专业工程师可以对无人直升机的机械结构进行调整，以满足设备安装的要求。
加能电力科技具有专业的无人机机械结构调整工程师，具备专业的无人机结构调整技能，具有为其他应用单位的无人飞行器结构调整132次的实际操作经验，且无人飞行器飞行情况稳定良好。
3）自动巡航功能的设计
自动巡航系统是进行无人直升机进行巡视的关键核心系统。
线路的巡视需要利用高精度定位导航系统来进行定位，目前，国自动巡航系统只具备简单的直线定点飞行功能，且飞行航点的数量为50个，无法完全满足输电线路巡检的高精度、长距离的任务要求。
采用美国军工转民用的自巡航系统，并根据国的实际的需求进行二次开发，不仅使精度达到了±1米的要求，精度远远超过了国自巡航系统的精度（±5米），而且飞行航点达到了100个。
从这两方面来保障了无人直升机在输电线路上的巡线应用。
4）无人直升机功能设备的集成
无人巡线直升机携带了高清摄像机、无线图传数传通讯设备、自动驾驶系统、云台系统等一系列设备，因此需要将这些独立工作的系统集成为一个完整的飞行控制系统，以满足巡线的需求。
设备的集成需要考虑到以下几方面的问题：
（1）：
无人直升机自身的配重问题
需要使得无人直升机的重量平衡，否则会出现机头重而导致飞行稳定性能下降等问题。
（2）：
机载设备的电气连接问题
机载设备的安装位置必须要考虑设备相互之间的连接，具有耦合功能的设备需要安装在相近的位置，同时要考虑连接电缆的走向及固定问题，以免在飞行的过程中松落而导致飞行隐患。
（3）：
无人直升机的检修问题
设备集成的最佳效果是以不需要拆卸任务设备，就能够对无人直升机进行机械结构方面的检修。
（4）：
机载设备的检修问题
机载设备集成的最佳效果，是以能够不拆卸或简便拆卸安装为标准。
5）无人直升机功能设备的电气设计
无人直升机的电气设计，以功能模块化设计为原则，按照工作流程的方式进行连接。
例如：
将具有相关功能的图传、数传模块进行电气连接，将云台系统与摄像系统进行电气连接，将自动巡航系统与GPS定位系统电气进行连接等，最终将所有的连接按照工作流程依次相连，形成一套完整的电气连接系统。
电气设计同时要考虑到设备检修问题，要以接线简单分明，方便检修测试为接线原则。
6）无人直升机电力巡线飞行工作规程制定
无人直升机巡线应用，属于一个新兴的应用领域，并且涉及到飞行安全规程以及电力安全、操作规程。
目前，尚无统一的相关标准来规定此类飞行任务的操作流程及规。
因此，制定出无人机工作飞行规程，以保障此类工作的安全有效开展，具有实际的指导意义。
根据无人直升机的工作任务，结合电力相关的安全规定，能够切实有效的制定出此类示规程。
7）巡飞任务设计
巡飞任务的设计就是为了保障无人直升机高效的完成巡线任务。
巡飞任务的设计包含以下2方面容：
（1）：
飞行航迹规划：
对实际应用现场的杆塔的GPS采集、线路地形方面情况的采集调研，为制定飞行航线提供最详实的基础数据。
（2）：
飞行任务规划：
对重点巡视的对象进行飞行任务规划，例如：
进行悬停拍摄，盘旋观察等，可以对每个航点进行任务设计，保证了任务完成的质量。
3.要描述具体的理论研究步骤，现场试验的地点和试验计划。
需要试验手段的项目。
1）对实际的应用现场的杆塔GPS采集、线路地形方面情况的采集调研，进行设备应用的需求分析。
2）进行功能设备的总体需求设计，包括任务设备的集成方案设计
3）高压环境下的抗干扰和电磁兼容技术检测
4）分布式控制技术以及远距离无线通讯技术监测
5）各项功能模块的集成，地面控制站的调整
6）电力无人直升机电力巡检飞行规程的编写
7）无人直升机巡检系统的整体装配、调试、测试、试运行
4.理论研究和试验容与项目总目标的因果关系；
高压输电线路以无人驾驶直升机技术为平台，结合了分布式控制技术、导航及定位技术、线路探测技术和高压电磁兼容技术等高科技技术，实现了无人直升机的自动巡检。
无人巡检直升机能够以自动或遥控的方式，通过预制定的飞行航线（可以自定义飞行航线），在卫星定位系统的定位和引导下对高压输电线路进行巡视。
因此保障了无人直升机作业的自动巡航功能。
利用携带的传感仪器使用视觉检测等技术对杆塔、导线及绝缘子、线路金具、线路通道等实施检测，并将拍摄和检测的数据实时传输回来或储存在硬盘里。
从而代替人工对输电线路特别是地理环境恶劣及重要线路进行巡检，及时发现杆塔、通道走廊以及运行设备的故障隐患、设备缺陷等异常现象，完成了输电线路的巡查功能。
因此，通过以上技术的实现，保证了输电线路的无人直升机巡检，不仅减轻工作人员的劳动强度，而且大大提高巡检的安全保证和自动化水平，达到减负增效的目的。
5.写明理论和试验研究的工作量；
1）巡检线路的制定：
3-4个月
2）电磁兼容测试：
15天
3）抗电磁干扰试验：
15天
4）设备集成测试：
15天
5）通讯传输测试：
15天
6）设备装配测试：
1个月
7）设备整体测试：
1个月
6.需要多家单位共同承担的项目，需要写明各家的分工、职责和提供的成果，如何组织和协调；合作方式、知识产权和成果分享的围；
超高压输变电公司：
设备的需求分析，现场试验的安排协调，设备功能的改进分析，设备研究总结交流。
加能电力科技：
运行现场的数据采集，设备的总体设计，设备的功能设计，功能设备的集成，设备试验测试，设备的改进，设备研究总结交流。
合作方式为：
联合开发
知识产权和成果：
由联合开发的双发共同取得。
成果分享围：
由双发共同取得的专利等而产生的经济利益由双发协商分享。
7.需要与国外合作，要写明与外方的合作方式、知识产权和成果分享的围；
需要与美国加能工业集团进行方案设计、芯片引进、设备集成方面的合作。
由国外提供的技术部分的成果分享由加能电力科技与我方进行协商。
8.注明本项目研究需要购买仪器、设备的型号、产地、性能及需要购买的原因；
1）工控机──瑞士Digital-Logical公司生产的PC/104总线标准CPU模块MSM586SV
2）电隔离数字输入/输出模块──美国DiamondSystem公司生产的PC/104总线标准数字I/O模块IR104
3）串口通讯卡──美国DiamondSystem公司生产的PC/104总线标准串口通讯卡E㎜-8AT
4）数据采集控制卡──美国DELTATAU公司生产的标准数据采集控制卡PMAC2A-PC104
5）A/D转换器──美国DiamondSystem公司生产的PC/104总线标准A/D转换卡D㎜16AT
6）传感器──无人直升机的传感器采用霍尔效应的磁电式传感器CS3040，光纤传感器等外部传感器、以及零位传感器和限位传感器等控制传感器。
7）微控制器──日本FUTEBA,对无人机进行起飞辅助。
8）汽油发动机—美国TSM-FORDISD3（FORUF），动力提供
9）自动驾驶系统—美国CNTPDA-II,无人直升机的自动巡检支持模块。
10）无线数据通信系统采用美国MicrowaveDataSystem公司生产的无线高速SCADA数传电台
9.外委的工作容和工作量；
1）杆塔坐标采集：
30天
2）设备动力测试：
30天
3）测试试验：
30天
10.根据项目情况提出适合的应用实施方案。
输电线路无人机巡检系统具体实施方案：
方案一：
配置无人直升机系统
方案二：
租赁无人直升机系统
方案效果
1．为电力巡线开辟一种新的巡检平台，提高输电线路的巡线自动化水平；
2.采用了自动驾驶技术、远程控制技术、远程通讯技术，对无人巡检直升机的飞行姿态，飞行参数等进行监控，保证实时了解无人直升机运行状态，通过飞行控制系统控制无人巡检直升机按照预先设定的航线自动巡航。
3.无人直升机搭载的摄像机或照相机等设备将输电线路情况传输至地面站，保障地面站人员及时发现线路故障。
4.能够用来代替许多高危的输电线路巡检工作，并可在许多恶劣的地理环境下进行巡检，为应对突发的事件，采取有效的措施，保障输电线路的安全运行，起到了良好的作用。
方案优势
1.能够自主地协调工作安排，具有完全的自主权；
2.巡检成本低，只需要低维护成本；
3.可充当固定资产
1.无需专业人员参与，只需配合作业即可；
2.不需要进行设备的维护
3.节约人员
方案不足
1.需要1-2专门人员进行日常维护
2.需要对操作人员进行专业培训。
1.自主性不强，无法处理突发事件
2.巡检成本较高，长期费用高。
（按巡检公里数计算收取费用）
方案费用
购置方案与租赁方案相当（详见“九、项目经费预算”）
五、预期目标和成果形式
1.阐明项目研究预期达到的目标；
一、直接带来巡线管理成本的降低，提高经济效益。
以输电线路1000公里巡检任务而言，输电线路架设地理位置比较恶劣，巡线比较困难，若按照3人一组，每天人工巡视6公里（折算2公里/人*日），人工每月一次巡视1000公里线路需要500人*日。
按照每天每人费用300元计算，一年人工巡视费用为180万（500*12*300=180万元）。
采用无人直升机巡线系统近进行输电线路的巡视，4人一组操作该设备，平均每天巡视60公里（按照无人机的平均巡检速度30公里/小时；每天巡检2小时计算，折算15公里/人*日），因此巡视万1000公里线路需要66.7人*日，按照每天每人费用300元计算，一年的人工费用为（66.7*12*300=24.012万元）。
无人直升机的使用寿命为5年，按照5年的使用期，无人直升机的设备折旧费为33万/年（总研发费用为165万元）。
无人直升机每年巡线费用约为57万元（24.012+33=57.012万元）。
因此，利用无人直升机与人工巡线相比较，每年可节省费用约108万元。
设备的成本回收周期为：
1.53年，使用寿命周期5年，能够节约成本540万元。
二、全面提高巡检工作的自动化水平，有效提高巡线工作效率、质量和安全性。
我国已有超高压线路约23万公里，随着经济发展还在进一步加长，保障电网输电安全可靠运行至关重要。
超高压输电线路巡检目前主要采用人工巡检作业方式，劳动强度大。
随着工业发展，电网容量的增大和额定电压等级提高，对输电安全性、可靠性提出了更高的要求。
因此做好输电线路的巡检工作意义重大。
无人直升机沿着输电线路上方直线飞行，从高空俯视角度进行全程记录，巡检结果详尽（包括导地线、绝缘子、压接管、金具附件、铁塔、线路走廊等）。
并能悬停仔细观测问题所在，巡检效率高。
而人工巡视采用简单的目测或用望远镜检查，准确度低；或在停电检修时人工走线检查，次数少；人工巡视有时还受到高山深谷的影响，需要变换地点进行观测，可能就存在没有发现的问题。
目前，国相当多电力企业都存在对超高压输电线路无人直升机机巡检系统的需求。
而迄今为止，我国的超高压输电线路无人巡检直升机的应用研究还处在研制阶段，尚无成熟的产品应用于输电线路巡检作业。
输电线路无人直升机巡线的应用，不仅提高了线路巡检的精度，提高了巡检的效率。
也标志着我国电力行业的科技应用达到了国际先进水平，体现了巨大的社会效益与效应。
三、提升线路运检应急反应能力，达到减负增效的目的，为电力系统快速、准确获取输变线路第一手信息，实现高效、科学决策，保证输电线路安全运行提供了最新的技术解决方案，同时也是电力应急联动系统的重要组成部分。
省电网河东地区的覆冰情况比较严重，覆冰时节，人工检查工作特别危险，因此，利用无人直升机进行特殊巡视，能够第一时间掌握灾害发生的危害情况，为抢修工作提供科学直观的指导依据。
2.明确叙述提高研究成果的形式，主要技术经济指标；要求成果提供的形式能够被其他研究人员掌握，使成果的使用权具有可转移性。
研究成果为：
无人直升机巡检系统1套
地面控制站系统1套
地面通讯装置1套
操作说明书1份
无人直升机电力巡线飞行工作规程1份
以上所提供的成果均由专业飞行队人员进行专业培训。
备注：
《无人直升机电力飞行工作规程》的知识产权由超高压局与加能电力科技共同获得。
2.1主要技术经济指标参数
1）无人直升机机体参数
Ø机体参数：
主旋翼长2146mm
尾旋翼长403mm
机体总长1778mm
机体全宽508mm
机体全高711mm
重量大约16kg（全负载加燃油起飞重量约32kg）
Ø航行时间：
1.5-2小时
Ø最大燃料容量:
10L
Ø最大有效载荷：
15kg
Ø飞行速度：
0-60km/h（可悬停）
Ø飞行高度：
0-4000m
Ø任务设备：
高清摄像机：
1080线
Ø使用燃料：
汽油+润滑油混合
Ø紧急状况：
可设置失控保护保持飞机原地不动（如信号干扰）
Ø飞行稳定仪：
能够协助飞行人员增加飞机稳定性和安全性，在出现紧急状况时，飞行人员只要控
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