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无人机巡检如何克服极端环境

一直以来,受限于飞手的操作技能以及无人机安全稳定飞行的刚性要求,高寒高海拔地区的无人机电力巡检很难展开。

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编者按:一直以来,受限于飞手的操作技能以及无人机安全稳定飞行的刚性要求,高寒高海拔地区的无人机电力巡检很难展开。但通过电网人的不断探索,越来越多的无人机翱翔在藏区电网的山岭上空,为巡检抢修保驾护航。

中国国网四川送变电公司运维的藏区电网线路总长超过6500千米,覆盖26万平方公里国土,跨越甘孜、阿坝、凉山少数民族自治州,保障和改善了藏、羌、彝、苗等各族群众的生产生活,是区域经济社会的生命线。

然而藏区电网横亘高山峡谷,输电线路塔位最高海拔超过5000米,沿线自然环境极为恶劣,传统人工巡检异常艰辛,工作质量和效率不高,还面临一定的人身安全威胁。如何在高原山区进行高效安全的巡检作业,是一个棘手的问题。

面对高原山区巡检工作的极限挑战,四川送变电公司自2015年起,逐步引入大疆无人机,积累了丰富的飞行经验,提出了行之有效的对策。

无人机巡检如何克服极端环境

挑战一:极寒环境

四川高原山区年冰雪期长达4~6个月,户外环境温度极低,在低温环境下,锂聚合物电池内阻增大、容量减小,从而导致电池续航时间减少。

解决这个问题有两种方法:一是使用可自加热的动力电池,如大疆经纬M200 V2系列、“悟”Inspire 2等无人机,安装电池并开启电源后,当温度低于15℃时会自动加热电池,并将温度保持在15~20℃之间,以发挥电池的最佳性能。二是飞手从驻地前往待巡线路途中,将动力电池置于车载空调出风口,持续吹出的热风可将电池预先热透。在冰雪天气,经过车载空调预热的电池,温度还来不及降下来,飞手就可完成这一架次的巡检作业。

实践表明,在极寒环境下飞行,利用车载空调预热电池效果更佳,既不会耗费自身电量影响无人机的续航时间,也无需在起飞前等待电池的自加热过程。

挑战二:大落差航线

在大渡河、雅砻江、金沙江流域沿岸,输电线路沿悬崖绝壁蜿蜒而上,车辆能到达的地方(起降点)与塔位间的高度差往往超过1000米,部分塔位甚至超过2000米。

如此巨大的航线落差,对飞行操作和电池使用效率提出了高要求。多旋翼电力巡检无人机的最大上升速度一般为4~5米/秒,油门满舵持续爬升耗时3~8分钟,对电机的动力和可靠性要求很高,返航也需要在尽可能短的时间内着陆。

一般可採用斜向俯冲或螺旋下降的方式返航,这样既能快速降低飞行高度,也可使无人机的姿态更平稳。然而江河两岸狭窄,当没有足够的空间做俯冲或螺旋动作时,就需要无人机以竖直降落的方式尽快着陆,但下降速度达到3米/秒后将极大地考验无人机的自稳能力,以最小油门持续降高,应密切关注无人机的姿态,当无人机有失稳迹象应立即加大油门,使其姿态恢復稳定后再继续小油门下降。

对于大落差航线的巡检作业,应选择动力性能好、姿态更稳定、续航较长、支持500米限高解禁的无人机,如大疆“御”Mavic 2、精灵Phantom 4 Pro。

无人机巡检如何克服极端环境

挑战三:复杂的风环境

高原山区风环境复杂,峡谷地带气流紊乱,常常出现超过5级的阵性风,并伴有风切变现象,对巡检作业安全造成了严重威胁,特别是快速降落中的无人机,遇到风切变时,机身容易出现剧烈颠簸,有失稳坠落的风险。

虽然无法干预风环境,但我们仍然可以採取有效措施保障飞行安全:放飞无人机前观测风速、风向,确认航线风环境满足飞行技术指标要求;掌握当地起风时间、风力等级、持续时间,尽量避开强风、乱流时段作业,高原山区通常在中午前风环境相对温和,因此宜在早晨、上午飞行作业;在飞行过程中,特别是快速降高阶段,作业人员应注意监视无人机姿态是否稳定,以便异常时及时採取措施,对于配备有FPV摄像头的无人机,通过FPV画面来监视无人机的姿态更直观。

挑战四:陡峭的山势

四川送变电公司运维的输电线路不少建在陡峭的山崖之上,山势高而险峻,巡检的难点在于,当无人机飞越桿塔顶部,在上山坡面降低高度巡检桿塔另一侧时,桿塔与山壁、树木间的净空距离极为有限,无人机面向桿塔拍照,在移位过程中稍有不慎就可能撞击后方、下方障碍物。

无人机飞越塔顶,在降高前可将无人机云台相机朝下90°,以评估上山坡侧地形地貌,调整飞机位置,在与桿塔保持安全距离的情况下,适当远离上山坡侧山壁、树木。此外,飞手宜轻柔打桿,防止动作过大无人机因惯性撞击后方贴近的障碍物。同时,在较低的高度拍摄时,宜多次将云台相机竖直朝下确认无人机与正下方地表、树木的距离是否安全。

巡检建在悬崖峭壁上的输电线路,宜选择具备后视和下视避障功能的无人机,如“御”Mavic 2和精灵Phantom 4 Pro,为飞行安全提供后备保护。

无人机巡检如何克服极端环境

挑战五:高海拔

四川高原山区的输电线路,塔位海拔多数超过3000米,高海拔稀薄的空气将导致升力明显减小,无人机维持飞行高度将消耗更多的电能,导致续航时间锐减。

为提供足够的升力,大疆“悟”Inspire 2专门适配了高原桨,以保证在5000米海拔高度稳定飞行。通过安装高原桨,“悟”Inspire 2就能在四川高原山区正常开展电力巡检作业。大疆精灵Phantom 4、“御”Mavic 2系列无人机配备通用桨,可在6000米海拔高度安全飞行,无需根据海拔高度更换桨叶,十分方便。

对于长续航需求,选择配备高容量TB55电池的大疆经纬M200 V2系列是不错的选择,实践表明,预留15~20%的着陆电量且仅安装禅思X5S或禅思Z30单云台负载,经纬M200 V2系列在高原山区电力巡检续航达22~27分钟,是大疆除客户定制机型外续航最长的一款无人机,能较好地适应高海拔苛刻的飞行环境。

无人机在高原山区电力巡检,应预先了解极端自然环境可能给飞行活动造成的困难,并充分熟悉解决问题的对策,保障巡检作业安全。

未来,电网人会在无人机高精度自主精细巡检的方向上继续探索,切实降低藏区电网巡检的难度和安全风险,不断提高线路巡检质量和效益。

本文作者:田力;国网四川送变电。

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