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無人機(jī)(UnmannedAerialVehicle，UAV)或稱無人飛機(jī)系統(tǒng)(UnmannedAir原craftSystem，UAS)，是利用無線電遙控設(shè)備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛機(jī)。無人機(jī)技術(shù)是范圍內(nèi)熱門的研究領(lǐng)域，近年來隨著復(fù)合材料、動(dòng)力系統(tǒng)、傳感器、尤其是飛行控制等技術(shù)的飛速發(fā)展，無人機(jī)性能不斷提高，無人機(jī)正逐步代替有人機(jī)開展部分空中偵查、監(jiān)控、通信、勘測等任務(wù)。
圖1 RQ-170野哨兵冶無人機(jī)
1.無人機(jī)分類及特點(diǎn)
1.1無人機(jī)分類
無人機(jī)按照飛行原理和結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類，可以大致分為固定翼無人機(jī)和旋翼無人機(jī)兩大類。固定翼無人機(jī)通過固定式的機(jī)翼產(chǎn)生升力，外形與傳統(tǒng)的固定翼載人飛機(jī)類似，如圖1所示。旋翼無人機(jī)通過旋轉(zhuǎn)的
槳葉提供升力，通過槳葉旋轉(zhuǎn)面的傾斜產(chǎn)生水平運(yùn)動(dòng)。這類無人機(jī)具有垂直起降能力，提高了起降場地的適應(yīng)性，如圖2，圖3，圖4所示。
圖2 AIRKEY無人直升機(jī)
圖3 大疆inspire-1
圖4 RQ-16涵道式無人機(jī)
1.2無人機(jī)特點(diǎn)對(duì)比
相比于旋翼無人機(jī)復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)，固定翼無人機(jī)的任務(wù)載荷更高，飛行時(shí)間更長。旋翼無人機(jī)由于可以懸停和低速飛行，因此近距離、低速運(yùn)動(dòng)或者長時(shí)間保持同一視角的觀測任務(wù)需要使用旋翼無人機(jī)完成。各類無人機(jī)的特點(diǎn)對(duì)比如表1。
2.多旋翼無人機(jī)
多旋翼無人機(jī)由于具備懸停和低速飛行能力，并且以其操控簡易，維修方便，經(jīng)濟(jì)性好的特點(diǎn)，本文主要以多旋翼無人機(jī)作為研究重點(diǎn)。
多旋翼無人機(jī)主要由動(dòng)力系統(tǒng)、主體結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)、輔助設(shè)備組成，具體如圖5所示。
圖5 多旋翼無人機(jī)的組成
在多旋翼無人機(jī)的研究方面，關(guān)鍵技術(shù)為：1、數(shù)學(xué)模型的建立;2、能源供給系統(tǒng);3、飛行控制算法;4、自主導(dǎo)航智能飛行。針對(duì)工業(yè)化應(yīng)用領(lǐng)域，多旋翼無人機(jī)應(yīng)該主要考慮的是：1、安全性;2、穩(wěn)定性;3、維護(hù)及擴(kuò)展性;4、工作效率;、負(fù)載。
表 各類無人機(jī)的特點(diǎn)
3.無人機(jī)風(fēng)電葉片巡檢
隨著無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展，無人機(jī)開始在國內(nèi)應(yīng)用到包括農(nóng)業(yè)、電力石油、檢災(zāi)、林業(yè)、氣象、國土資源、警用、海洋水利、測繪、城市規(guī)劃等多個(gè)行業(yè)，特別是農(nóng)林植保和電力巡線兩個(gè)領(lǐng)域，無人機(jī)應(yīng)用進(jìn)入了快速發(fā)展期。
2001年開始國網(wǎng)公司開始應(yīng)用直升機(jī)進(jìn)行電力巡線。2012年能源局頒布了《DLT288-2012架空輸電線路直升機(jī)巡視技術(shù)導(dǎo)則》。2013年3月，電網(wǎng)公司出臺(tái)《電網(wǎng)公司輸電線路直升機(jī)、無人機(jī)和人工協(xié)同巡檢模式試點(diǎn)工作方案》，明確要求在2015年建立直升機(jī)、無人機(jī)和人工巡檢相互協(xié)同的新型巡檢模式。2014年6月，電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)標(biāo)準(zhǔn)化中心對(duì)外發(fā)布名為《架空輸電線路無人機(jī)巡檢作業(yè)技術(shù)導(dǎo)則》的電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)草案，公開征求意見。
3.1葉片故障種類
風(fēng)力發(fā)電葉片一般安裝于偏遠(yuǎn)的地區(qū)，運(yùn)行環(huán)境惡劣，如較大的風(fēng)沙侵襲，-30益至50益的循環(huán)溫差，以及強(qiáng)紫外光的老化等，在運(yùn)行過程中
現(xiàn)場葉片的主要故障種類如下：雷擊損傷院雖然葉片有防雷系統(tǒng)，但根據(jù)國內(nèi)外統(tǒng)計(jì)每年遭遇雷擊的葉片有10%左右。雷擊將導(dǎo)致葉片損傷，嚴(yán)重時(shí)直接造成葉片的報(bào)廢，不可恢復(fù)。
葉片結(jié)冰院在南方濕度較大的地區(qū)，冬季容易結(jié)冰，比如云貴冬季的時(shí)候冰凍現(xiàn)象非常頻繁，冰凍之后整體機(jī)組載荷會(huì)急速上升。
前緣腐蝕院 前緣腐蝕一般發(fā)生在沿海的風(fēng)電機(jī)組。前緣腐蝕不僅使機(jī)組的效率急劇降低，同時(shí)會(huì)造成葉片的振動(dòng)和載荷增加。
整體結(jié)構(gòu)失效院整體結(jié)構(gòu)失效的表現(xiàn)形式為葉片折斷。原因大部分是由于葉片主梁的制造工藝缺陷造成，也有雷擊和設(shè)計(jì)原因造成的。
葉尖排水孔堵塞院葉片受污染后，葉尖排水孔會(huì)堵塞影響葉片排水，而且會(huì)造成葉片的噪音。
邊緣開裂
涂層脫落
螺栓斷裂掉落院葉根螺栓斷裂導(dǎo)致葉片掉落損毀。
3.2葉片故障巡檢方式
針對(duì)風(fēng)電機(jī)組葉片的故障形式，現(xiàn)在現(xiàn)場葉片故障巡檢方式主要為目測檢查，形式上主要分為高倍望遠(yuǎn)鏡檢查、高空繞行下降目測檢查(“蜘蛛人”)、葉片維修平臺(tái)檢查。
目測檢查是對(duì)葉片表面故障直接、有效的檢測方法。對(duì)于非表面故障，目測檢測并不能提供太多幫助。對(duì)于較小對(duì)表面損傷，用高倍望遠(yuǎn)鏡檢查不容易發(fā)現(xiàn)故障。蜘蛛人和葉片維修平臺(tái)檢查是比較徹底的表面檢查，缺點(diǎn)是檢測時(shí)間長、費(fèi)用高、效率低，不適合進(jìn)行日常巡檢。
應(yīng)用無人機(jī)對(duì)風(fēng)電機(jī)組葉片進(jìn)行檢測已經(jīng)在國外開展起來。德國的Inspec原Tools及Height等多家公司都開發(fā)了相應(yīng)的無人機(jī)檢測系統(tǒng)，都是基于現(xiàn)在流行的多旋翼飛行器所研發(fā)的無人機(jī)檢測平臺(tái)。
3.3無人機(jī)葉片巡檢特點(diǎn)
分布式巡檢。
風(fēng)力發(fā)電是一種分布式發(fā)電，機(jī)組在風(fēng)電場呈離散分布，無人機(jī)對(duì)風(fēng)電機(jī)組葉片監(jiān)測不需要連續(xù)進(jìn)行，所以對(duì)無人機(jī)的單次續(xù)航時(shí)間要求不高。
立體式觀測
對(duì)葉片的觀測涉及到迎風(fēng)面、背風(fēng)面、葉片前緣、葉片后緣，由于葉片薄厚不均，而且葉片表面為曲面，在觀測時(shí)需進(jìn)行立體式觀測，由此對(duì)無人機(jī)的操控有一定要求，觀測時(shí)間將增長。
注重成像清晰度
對(duì)葉片的觀測主要是對(duì)表面質(zhì)量進(jìn)行觀察分析，尤其是進(jìn)行砂眼排查和橫向裂紋觀察，對(duì)無人機(jī)的成像要求較高。無人機(jī)的成像主要由其云臺(tái)穩(wěn)定性、成像設(shè)的攝影攝像能力要求較高。如果要進(jìn)行高清晰度的觀測，對(duì)天氣的可見度要好，風(fēng)速越低越好。
3.4現(xiàn)場應(yīng)用
有鑒于風(fēng)電葉片檢測的特點(diǎn)，本文選擇了多旋翼無人機(jī)為試驗(yàn)對(duì)象。多旋翼無人機(jī)為垂直起落無人機(jī)，支持懸停，操作簡單，維護(hù)成本低，檢測費(fèi)用低。本文選擇了大疆筋斗云S1000系列和零度High原One系列進(jìn)行了現(xiàn)場巡檢測試。
3.4.1大疆筋斗云S1000筋斗云S1000是一款八旋翼無人機(jī)，大疆無人機(jī)中的專業(yè)級(jí)航拍飛行平臺(tái)，此次檢測搭配了佳能的5DIII相機(jī)。
本次測試時(shí)間為2015年4月1日，地點(diǎn)在山東濱海風(fēng)電場，檢測機(jī)型為聯(lián)合動(dòng)力UP1500機(jī)組，被檢測機(jī)組為二期33#機(jī)組，現(xiàn)場溫度6毅，風(fēng)速9~11m/s，能見度一般，檢測一支葉片平均時(shí)間為5min，起飛重量約9kg，飛行高高度125m，無人機(jī)的續(xù)航時(shí)間為15min。
圖6 大疆筋斗云S1000
試驗(yàn)表明，筋斗云S1000的穩(wěn)定好，在9m/s的大風(fēng)中影像的成像效果清晰，由于加載的是佳能5DIII，起飛重量較重，影響了續(xù)航時(shí)間。此次測試相機(jī)加載的是定焦距鏡頭無法進(jìn)行光學(xué)變焦，如采用長焦距變焦鏡頭會(huì)更有利于葉片的細(xì)節(jié)檢測。
3.4.2零度智控HighOne
HighOne是一款大型四旋翼無人機(jī)，在安全性方面，既有雙余度飛行控制系統(tǒng)，又有安全降落傘。此次測試中，搭載了松下的GH3相機(jī)和定焦鏡頭。
圖7 S1000實(shí)際觀察效果
圖8 零度智控HighOne
本次測試時(shí)間為2015年4月9日，地點(diǎn)在北京未來科技城，檢測機(jī)型為聯(lián)合動(dòng)力UP1500機(jī)組，現(xiàn)場溫度15毅，風(fēng)速3m/s，能見度良，檢測一支葉片平均時(shí)間為5min，起飛重量約6kg，飛行高高度125m，無人機(jī)的續(xù)航時(shí)間為20min。
圖9 HighOne實(shí)際觀察效果
試驗(yàn)表明，零度HighOne的穩(wěn)定好，影像的成像效果較為清晰，由于加載的是松下的GH3，相比佳能5D3成像質(zhì)量上稍有差距，機(jī)組的續(xù)航時(shí)間要優(yōu)于S1000。
通過試驗(yàn)證明了多旋翼無人機(jī)在風(fēng)電葉片故障巡檢中能夠完成目測檢查分析的任務(wù)，即便在風(fēng)速為10m/s無人機(jī)仍然保持了相當(dāng)?shù)姆€(wěn)定性。綜上所述，無人機(jī)應(yīng)用到風(fēng)電葉片巡檢中能夠彌補(bǔ)使用高倍望遠(yuǎn)鏡觀測所達(dá)不到的精細(xì)化程度，基本能夠達(dá)到蜘蛛人的效果。不過如果葉片表面污染嚴(yán)重或者灰塵堆積則會(huì)影響檢測結(jié)果。無人機(jī)應(yīng)用到葉片巡檢當(dāng)中能夠極大增加葉片目視檢測的效率，減小停機(jī)損失。
旋翼無人機(jī)由于具備懸停和低速飛行能力，適合進(jìn)行風(fēng)電機(jī)葉片巡檢。多旋翼無人機(jī)以其操控簡易，維修方便，經(jīng)濟(jì)性好，適合作為風(fēng)電葉片巡檢的主力工具。
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