傅力帥 吳一飛 張毅磊 牛純春 潘楨

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司紹興供電公司 浙江省紹興市 312000）

1 引言

電力系統(tǒng)是國(guó)民生產(chǎn)、生活中的重要一環(huán)，是經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，我國(guó)的輸電線路分布也越來(lái)越廣。但輸電線路所在區(qū)域通常地形復(fù)雜，通常為較偏遠(yuǎn)的山區(qū)、林地，跨越湖泊、河流，遠(yuǎn)離主要交通干道，且長(zhǎng)期暴露在自然環(huán)境中，再加上人為損傷等因素，會(huì)引起斷股、斷線或磨損等故障，影響電網(wǎng)運(yùn)行的安全性，甚至造成無(wú)法想象的經(jīng)濟(jì)損失[1-5]。

傳統(tǒng)的人工電力巡檢方式難以克服復(fù)雜地理環(huán)境帶來(lái)的重重困難，如巡檢人員的技能需求嚴(yán)苛、人身安全無(wú)法得到保障，人力物力成本也十分高昂等，因此輸電線路巡檢的自動(dòng)化和智能化成為了該領(lǐng)域重要的發(fā)展方向[6-7]。

無(wú)人機(jī)憑借其重量輕、體積小、成本低、靈活性高和支持自動(dòng)飛行等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電力線路網(wǎng)絡(luò)高效、全方位的檢查。目前巡線任務(wù)中使用的無(wú)人機(jī)按機(jī)翼類型可分為三大類：固定翼無(wú)人機(jī)、多旋翼無(wú)人機(jī)和無(wú)人直升機(jī)[8]。同時(shí)，在巡線任務(wù)中，無(wú)人機(jī)經(jīng)常搭載各種機(jī)載設(shè)備來(lái)配合使用，如雙光熱成像相機(jī)、輕型光學(xué)相機(jī)和激光掃描儀等高精度、輕量化的遙感設(shè)備。利用無(wú)人機(jī)完成電力巡檢任務(wù)可以克服惡劣的自然環(huán)境，保障巡檢工作人員的安全，有效地提高巡檢效率和精度，降低巡檢成本[9-11]。

無(wú)線通信技術(shù)是無(wú)人機(jī)電力巡檢系統(tǒng)中的重要技術(shù)之一，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)和地面工作站之間的信息、數(shù)據(jù)交互。萬(wàn)琪等人對(duì)電力巡檢無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈的通信技術(shù)進(jìn)行升級(jí)，設(shè)計(jì)了一套數(shù)據(jù)鏈路覆蓋增強(qiáng)技術(shù)方案[12]。魏傳虎等人提出了一種安全性非對(duì)稱信息一體化傳輸技術(shù)，來(lái)解決無(wú)人機(jī)同時(shí)傳輸不同類型信息且其性能指標(biāo)迥異的問(wèn)題[13]。韋崇嶺設(shè)計(jì)了兩套無(wú)人機(jī)數(shù)字視頻傳輸系統(tǒng)，分別用單線程方式和多線程及DSP 壓縮視頻流方式實(shí)現(xiàn)[14]。吳維農(nóng)等人采用寬窄波束搭配的覆蓋技術(shù)方法，顯著提高了無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)的設(shè)備能力[15]。

本文提出了一種應(yīng)用于無(wú)人機(jī)電力巡檢中的通信方法，并將相應(yīng)傳輸設(shè)備應(yīng)用到了相應(yīng)無(wú)人機(jī)電力巡檢系統(tǒng)之中。本方法結(jié)合4G 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行高帶寬傳輸，利用雙向通信鏈路完成無(wú)人機(jī)與地面服務(wù)器之間的雙向通信與數(shù)據(jù)交換，可同時(shí)支持4 路運(yùn)營(yíng)商無(wú)線上網(wǎng)卡在線傳輸數(shù)據(jù)，最高支持108060i 全高清視頻流暢、穩(wěn)定的傳輸，確保故障檢測(cè)的實(shí)時(shí)性。

2 無(wú)人機(jī)電力巡檢中的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 無(wú)人機(jī)飛行控制技術(shù)

無(wú)人機(jī)電力巡線任務(wù)中，飛行控制技術(shù)主要包含自動(dòng)尋線、實(shí)時(shí)避障和位姿控制等，是巡檢系統(tǒng)中最重要的一環(huán)。區(qū)別于飛手手動(dòng)控制無(wú)人機(jī)進(jìn)行尋線，自動(dòng)尋線無(wú)人機(jī)可以根據(jù)預(yù)先導(dǎo)入的線路、桿塔和地理環(huán)境等數(shù)據(jù)，自主完成尋線任務(wù)，減少了對(duì)經(jīng)驗(yàn)豐富的飛手的需求，削減了人力成本。而實(shí)時(shí)避障則允許無(wú)人機(jī)在執(zhí)行巡線任務(wù)時(shí)，利用紅外系統(tǒng)、聲吶系統(tǒng)等結(jié)合計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)對(duì)非預(yù)期內(nèi)的障礙物進(jìn)行躲避，減少無(wú)人機(jī)的損耗，保證尋線任務(wù)的順利執(zhí)行。

無(wú)人機(jī)體積小、質(zhì)量輕，遭遇惡劣的自然災(zāi)害時(shí)，可能會(huì)在一定程度上失去平衡，并偏離航線，位姿控制模塊會(huì)通過(guò)重力感應(yīng)器、角度感應(yīng)器等判斷無(wú)人機(jī)當(dāng)前位姿，并結(jié)合航線數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整，幫助無(wú)人機(jī)恢復(fù)平衡狀態(tài)，并回到既定航線之中。同時(shí)，精準(zhǔn)的位姿控制還能幫助無(wú)人機(jī)更好地拍攝不同角度的線路、桿塔圖像，提升后期的故障檢測(cè)效率和準(zhǔn)確度。

2.2 無(wú)線通信技術(shù)

為了實(shí)時(shí)獲取無(wú)人機(jī)狀態(tài)、向無(wú)人機(jī)發(fā)送控制信號(hào)并獲得回傳圖像和視頻，地面工作人員和巡檢無(wú)人機(jī)需要進(jìn)行實(shí)時(shí)雙向通信。由于輸電線路所處環(huán)境復(fù)雜，自然條件惡劣，無(wú)線通信系統(tǒng)需要具備較高的帶寬和穩(wěn)定性，以及較強(qiáng)的抗干擾能力，來(lái)確保地面工作站與無(wú)人機(jī)之間的通信質(zhì)量。本文的研究重點(diǎn)就是圍繞無(wú)人機(jī)和地面服務(wù)器之間的高性能通信展開(kāi)。

2.3 故障檢測(cè)技術(shù)

在進(jìn)行故障檢測(cè)前，還需要對(duì)接收到的圖像和視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，否則會(huì)大大影響故障檢測(cè)的精度。巡檢任務(wù)中，所拍攝圖像質(zhì)量的好壞，除了受拍攝設(shè)備本身性能的影響，還會(huì)因?yàn)闊o(wú)人機(jī)機(jī)身或搭載設(shè)備的抖動(dòng)、偏移導(dǎo)致圖像變得模糊，因?yàn)閺?fù)雜、多變的背景導(dǎo)致拍攝部位和背景難以區(qū)分等。合適的圖像去模糊技術(shù)、圖像分割技術(shù)以及紅外溫度校準(zhǔn)技術(shù)能減小系統(tǒng)對(duì)于圖像識(shí)別的難度，更加準(zhǔn)確地進(jìn)行缺陷和故障的判斷。

通過(guò)分析經(jīng)過(guò)預(yù)處理的紅外圖像，可以判斷線夾、絕緣子和線路是否存在異常發(fā)熱和高溫，通過(guò)分析經(jīng)過(guò)預(yù)處理的可見(jiàn)光圖像，可以判斷是否有線路破損、桿塔異物和導(dǎo)線斷股等缺陷存在，從而發(fā)現(xiàn)輸電線路中的故障并進(jìn)行報(bào)警，提醒地面工作人員盡快進(jìn)行排查和檢修，減少可能存在的安全隱患和經(jīng)濟(jì)損失。

3 無(wú)人機(jī)電力巡檢中的通信方法

3.1 通信方法設(shè)計(jì)

無(wú)人機(jī)與地面服務(wù)器之間主要發(fā)送的數(shù)據(jù)有以下幾種：無(wú)人機(jī)發(fā)送給地面的狀態(tài)信息、所采集的圖像和視頻，地面發(fā)送給無(wú)人機(jī)的控制信號(hào)等等。這里主要針對(duì)回傳圖像和視頻進(jìn)行設(shè)計(jì)。

視頻傳輸過(guò)程中，利用雙光熱成像相機(jī)錄制視頻，再利用HDMI 接口將視頻流傳回到傳輸設(shè)備，經(jīng)過(guò)基于FPGA 的串并行轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)，編碼后利用AT91SAM9G45 芯片將視頻流數(shù)據(jù)回傳到服務(wù)器。

其中，AT91SAM9G45 芯片主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1）狀態(tài)控制：管理系統(tǒng)所用狀態(tài)機(jī)，進(jìn)行相應(yīng)的狀態(tài)控制，在不同狀態(tài)執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，并對(duì)不同的觸發(fā)條件作出反應(yīng)，進(jìn)行狀態(tài)的轉(zhuǎn)換；

圖1：大疆經(jīng)緯系列M210RTK 無(wú)人機(jī)

圖2：大疆經(jīng)緯系列M210RTK 無(wú)人機(jī)遙控器

圖3：數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備傳輸模塊及供電模塊

圖4：直播參數(shù)設(shè)置界面

（2）TCP 協(xié)議實(shí)現(xiàn)：實(shí)現(xiàn)傳輸過(guò)程中所用到的特有TCP 協(xié)議，主要作為發(fā)送端，向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)包；

（3）帶寬優(yōu)化：確保網(wǎng)卡帶寬與需發(fā)送的視頻數(shù)據(jù)包相匹配，先利用RTT 來(lái)估計(jì)傳輸所用TCP 協(xié)議的總帶寬，并通過(guò)MO3 儲(chǔ)存在寄存器中，若預(yù)估總帶寬小于網(wǎng)卡總帶寬，則降低網(wǎng)卡總帶寬來(lái)適應(yīng)傳輸，若預(yù)估總帶寬大于網(wǎng)卡總帶寬，則降低相應(yīng)的傳輸速率來(lái)適應(yīng)網(wǎng)卡總帶寬，理論上，4G 網(wǎng)絡(luò)的上行帶寬為50Mbps，下行帶寬為100Mbps，4 路網(wǎng)卡的總上行帶寬為200Mbps，總下行帶寬為400Mbps，足夠滿足108060i 全高清視頻傳輸?shù)膸捫枨螅?/p>

（4）心跳包：實(shí)現(xiàn)進(jìn)程保活，記錄統(tǒng)計(jì)信息，狀態(tài)信息等；

（5）重傳：實(shí)現(xiàn)傳輸中TCP 協(xié)議的超時(shí)重傳功能，當(dāng)ACK超時(shí)時(shí)，確認(rèn)數(shù)據(jù)包丟失，并進(jìn)行重傳，當(dāng)一個(gè)進(jìn)程發(fā)送數(shù)據(jù)包失敗達(dá)到5 次或鏈路失效時(shí)，該進(jìn)程會(huì)失敗退出，并設(shè)置相應(yīng)的fail_block，讓另外的線程來(lái)嘗試發(fā)送；

（6）網(wǎng)卡管理：為了實(shí)現(xiàn)4 路網(wǎng)卡并行數(shù)據(jù)發(fā)送，建立一個(gè)socket 集合來(lái)管理4 路網(wǎng)卡，并利用epoll 來(lái)管理I/O 復(fù)用，控制各網(wǎng)卡進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送；

（7）數(shù)據(jù)處理、發(fā)送：對(duì)于所接收到的視頻數(shù)據(jù)，管理這些視頻數(shù)據(jù)包，并進(jìn)行相應(yīng)的處理和發(fā)送；

（8）設(shè)置信號(hào)等等。

在服務(wù)器端，也有相應(yīng)的程序進(jìn)行控制，主要功能如下：

（1）狀態(tài)控制：跟客戶端狀態(tài)控制相似，服務(wù)器端相應(yīng)程序管理系統(tǒng)所用狀態(tài)機(jī)，進(jìn)行相應(yīng)的狀態(tài)控制，在不同狀態(tài)執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，并對(duì)不同的觸發(fā)條件作出反應(yīng)，進(jìn)行狀態(tài)的轉(zhuǎn)換；

（2）TCP 協(xié)議實(shí)現(xiàn)：實(shí)現(xiàn)傳輸過(guò)程中所用到的特有TCP 協(xié)議，主要作為接收端，接收來(lái)自傳輸設(shè)備的數(shù)據(jù)包；

（3）數(shù)據(jù)接收、處理：接收從傳輸設(shè)備回傳的視頻數(shù)據(jù)包，管理這些視頻數(shù)據(jù)包，并進(jìn)行相應(yīng)的處理；

（4）視頻直播與轉(zhuǎn)發(fā)：當(dāng)需要進(jìn)行直播時(shí)，將相應(yīng)視頻數(shù)據(jù)流傳送到相應(yīng)的直播地址，利用直播端播放程序進(jìn)行解碼、直播，當(dāng)需要進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，將相應(yīng)視頻流數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)服務(wù)器等等。

圖像傳輸過(guò)程與視頻傳輸類似，利用雙光熱成像相拍攝圖像，再利用USB 接口將所拍攝圖像從Pad 傳回到傳輸設(shè)備，編碼后利用AT91SAM9G45 芯片將圖像數(shù)據(jù)回傳到服務(wù)器。

3.2 硬件平臺(tái)搭建

無(wú)人機(jī)采用大疆公司經(jīng)緯系列行業(yè)M210 RTK 四旋翼無(wú)人機(jī)，如圖1和圖2所示，最多支持3 路設(shè)備掛載，可掛載可見(jiàn)/紅外一體相機(jī)或分別掛載高清相機(jī)和紅外測(cè)試相機(jī)。

測(cè)溫相機(jī)掛載設(shè)備采用FLIR 公司雙光熱成像相機(jī)，帶有1200萬(wàn)像素鏡頭，支持4K 高清可見(jiàn)光JPEG 照片，TIFF、R-JPEG 格式圖像，MOV、MP4 格式視頻。

數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備為Altera 公司可編程邏輯器件搭載Fujitsu 公司編碼芯片實(shí)現(xiàn)的無(wú)線傳輸設(shè)備，分為傳輸模塊和供電模塊兩部分，如圖3所示，支持SDI、HDMI 輸入口、U 盤接口、micro USB 接口和USB 網(wǎng)卡插口等等，可同時(shí)支持4 路運(yùn)營(yíng)商無(wú)線上網(wǎng)卡在線傳輸數(shù)據(jù)。

3.3 實(shí)際設(shè)備使用

數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備實(shí)時(shí)將無(wú)人機(jī)所拍攝到的圖像和視頻回傳到服務(wù)器上，最多支持4 張4G 數(shù)據(jù)網(wǎng)卡同時(shí)工作，保證足夠的網(wǎng)絡(luò)帶寬來(lái)進(jìn)行傳輸。同時(shí)，也支持固網(wǎng)和4G 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的混合傳輸，在支持固網(wǎng)的條件下提供更高的傳輸品質(zhì)和穩(wěn)定性。

傳輸圖像時(shí)，利用USB 接口將PAD 與傳輸設(shè)備連接，圖像將通過(guò)USB 接口傳到傳輸設(shè)備，再傳回服務(wù)器。

傳輸視頻時(shí)，利用HDMI 接口將遙控器與傳輸設(shè)備連接，視頻將通過(guò)HDMI 接口傳到傳輸設(shè)備，再傳回服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)直播和錄播功能。此外，視頻傳輸模塊利用高性能硬件編碼壓縮，視頻傳輸?shù)那逦戎С謽?biāo)清-全高清（576i-108060i），在高帶寬的支持下能保證較好的直播質(zhì)量和穩(wěn)定性，圖4為直播參數(shù)設(shè)置界面。

4 結(jié)語(yǔ)

文中提出了一種無(wú)人機(jī)與地面工作站之間的雙向通信方法，利用最多4 路運(yùn)營(yíng)商無(wú)線網(wǎng)卡實(shí)現(xiàn)高帶寬高穩(wěn)定性傳輸，最多可以支持108060i 全高清視頻的流暢傳輸及直播，并設(shè)計(jì)、搭建了相應(yīng)的硬件平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)該方案。在無(wú)人機(jī)電力巡檢系統(tǒng)中，該通信方法和設(shè)備保障了巡線無(wú)人機(jī)與地面工作站之間高速、穩(wěn)定的信息和數(shù)據(jù)傳輸，有效提升了巡檢的效率和質(zhì)量。