李庭堅(jiān)，張建剛，張 釗

(1. 中國(guó)南方電網(wǎng)超高壓輸電公司，廣東 廣州 510000； 2. 北京北科天繪科技有限公司，北京 100000)

電力系統(tǒng)中，高壓電力線及電路設(shè)施的巡檢是一項(xiàng)重要而繁重的工作，利用直升機(jī)實(shí)施電力巡檢是合理選擇。但是，直升機(jī)電力巡檢的關(guān)鍵任務(wù)是：如何在復(fù)雜的自然背景條件下獲取電力線及輸電設(shè)施的完好信息或故障信息。通常，直升機(jī)電力巡檢一般采用搭載可見光相機(jī)、紅外相機(jī)等傳感器，沿電力線采集數(shù)據(jù)，再經(jīng)圖像處理技術(shù)，提取電力線等相關(guān)信息。然而，單景數(shù)字影像無(wú)法獲取電力線的空間位置及其關(guān)系，立體影像對(duì)電力線的飛行航線又有很高的要求，尤其在特征提取方面更加困難，難以獲取高精度的電力線空間信息[1-3]。

利用搭載激光雷達(dá)的直升機(jī)，開展高壓電力線的巡檢，可以提高巡檢作業(yè)效率，降低巡檢成本，且不會(huì)造成人員損傷，成為高壓電力線巡檢作業(yè)的迫切需求[4]。但是，目前的機(jī)載激光雷達(dá)主要用于地形測(cè)繪，通常體積大、笨重、昂貴，一般安裝于機(jī)體的內(nèi)部，用于電力線巡檢的性價(jià)比不高。國(guó)外也有將機(jī)載激光雷達(dá)設(shè)備安裝在直升機(jī)吊艙內(nèi)進(jìn)行電力線巡檢的，但是受機(jī)載激光雷達(dá)設(shè)備體積的限制，吊艙往往大而重，且價(jià)格昂貴。因此，應(yīng)該尋求小型化、性價(jià)比高的電力巡檢激光雷達(dá)系統(tǒng)[5]。

針對(duì)電力線巡檢的特殊需求，本文詳細(xì)介紹了一種適用于電力巡檢的國(guó)產(chǎn)輕小型激光雷達(dá)系統(tǒng)和吊艙(E+RA-0600)，除介紹用于電力巡檢的激光雷達(dá)系統(tǒng)的特點(diǎn)外，也對(duì)特定需求下的激光雷達(dá)系統(tǒng)部件組成、主要性能指標(biāo)作了適當(dāng)描述。

1 電力巡檢與激光雷達(dá)系統(tǒng)特點(diǎn)

電力線巡檢的目的是獲取電力線走廊的空間數(shù)據(jù)，通過(guò)分析和處理，提取包括電力線、電力塔架、掛接點(diǎn)、絕緣子、交跨線、電力走廊地形、植被和人工設(shè)施等的相關(guān)信息，并能精確描述電力線、電力塔架、絕緣間隔棒和掛點(diǎn)位置等三維細(xì)節(jié)，為電力線走廊的矢量化建模提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐[6-10]。

針對(duì)電力線巡檢數(shù)據(jù)獲取的基本需求，相應(yīng)激光雷達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有如下特點(diǎn)。

(1) 高精度測(cè)量。電力線巡檢作業(yè)需獲取電力線走廊的精確空間數(shù)據(jù)，以便提取電力設(shè)施和電力走廊植被等相關(guān)目標(biāo)的精確空間關(guān)系及空間位置，對(duì)激光雷達(dá)的測(cè)量精度要求很高。

(2) 大視場(chǎng)掃描。傳統(tǒng)的機(jī)載激光雷達(dá)一般采用下視掃描方法進(jìn)行，然而，對(duì)于電力信息采集，因電力塔架的遮擋，下視掃描往往無(wú)法有效獲取完整的電力設(shè)施信息。需要采用側(cè)視掃描方式才能獲得電力塔架等完整信息，但側(cè)視掃描要求激光雷達(dá)具有更大的掃描視場(chǎng)角度。

(3) 多傳感器集成。激光雷達(dá)系統(tǒng)正常作業(yè)時(shí)，需同步獲取設(shè)備的位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)。通常情況下，機(jī)載激光雷達(dá)設(shè)備在作業(yè)時(shí)集成，作業(yè)結(jié)束后復(fù)原。因此每次集成后均需進(jìn)行安置標(biāo)定飛行，顯然這類集成作業(yè)效率低，數(shù)據(jù)一致性也相對(duì)較差。長(zhǎng)期飛行作業(yè)的電力巡檢系統(tǒng)，應(yīng)該要求激光雷達(dá)、GPS和IMU，甚至可見光相機(jī)，在系統(tǒng)內(nèi)部集成，這樣不僅可有效提高電力巡檢作業(yè)效率，也可提高采集數(shù)據(jù)的一致性和整體性。當(dāng)然多系統(tǒng)集成時(shí)，必須兼顧其他電力巡檢智能傳感器的搭載，因此多傳感器的集成是電力巡檢系統(tǒng)的基本要求之一[11-12]。

(4) 輕小型設(shè)備。電力巡檢直升機(jī)吊艙通常懸掛于直升機(jī)的外側(cè)。為了便于吊艙的拆卸和安裝，輕便、小型、易拆卸成為機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)的特殊要求。

(5) 自巡航。創(chuàng)建了相對(duì)高度和DEM相結(jié)合的飛行軌跡實(shí)時(shí)控制模型和優(yōu)化算法，其航線自動(dòng)生成、在線動(dòng)態(tài)規(guī)劃、作業(yè)工況實(shí)時(shí)顯示等功能顯著縮短了航線規(guī)劃時(shí)間，提高了航線規(guī)劃的自動(dòng)化水平，解決了直升機(jī)壓線飛行的軌跡、姿態(tài)保持及航高相對(duì)固化難題，實(shí)現(xiàn)了飛行軌跡的實(shí)時(shí)自適應(yīng)控制，大大降低了飛行員的工作強(qiáng)度，提高了飛行作業(yè)的效率、質(zhì)量和安全性。

2 激光雷達(dá)集成系統(tǒng)及應(yīng)用若干注意事項(xiàng)

本文所采用的機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)為E+RA-0600輕小型專用電力巡線激光雷達(dá)系統(tǒng)，包括RA-0600激光掃描儀、尼康D810相機(jī)、GPS和IMU位姿測(cè)量系統(tǒng)、強(qiáng)固型小型電腦、系統(tǒng)控制及采集軟件、航空二次電源等。其中激光掃描儀、數(shù)字相機(jī)和位姿測(cè)量系統(tǒng)有機(jī)集成在一起，固定于直升機(jī)激光雷達(dá)吊艙內(nèi)部，如圖1所示。

2.1 集成傳感器設(shè)備

2.1.1 RA-0600激光掃描儀

RA-0600掃描儀采樣頻率600 KHz，最大測(cè)量距離600 m，采用大視場(chǎng)360°掃描，可以在不同高度側(cè)視掃描大帶寬的電力走廊激光數(shù)據(jù)。系統(tǒng)采用大光斑和多回波模式，可以獲取電力線及沿線植被、地形等相關(guān)數(shù)據(jù)，有效測(cè)量范圍內(nèi)的測(cè)量精度達(dá)到厘米級(jí)，滿足電力巡檢所需的高精度、高點(diǎn)頻和大視場(chǎng)掃描的巡檢作業(yè)需求。

圖1 E+RA-0600激光雷達(dá)吊艙

2.1.2 位姿測(cè)量系統(tǒng)

位姿測(cè)量系統(tǒng)(POS)由GPS接收機(jī)、慣性測(cè)量單元(IMU)及導(dǎo)航控制計(jì)算機(jī)(PCS)組成，用于獲取機(jī)載激光雷達(dá)掃描作業(yè)時(shí)的同步高精度位置姿態(tài)數(shù)據(jù)。慣性測(cè)量單元選用高精度MEMS IMU，并將慣性測(cè)量單元與激光掃描儀剛性固聯(lián)，形成一體的激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)。

2.1.3 數(shù)字相機(jī)

數(shù)字相機(jī)主要用于獲取電力設(shè)施及沿線地物地貌的可見光影像，為了使數(shù)字影像與激光點(diǎn)云精確配準(zhǔn)，數(shù)字影像與POS數(shù)據(jù)、激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)同步獲取。數(shù)字相機(jī)模塊包括高分辨率數(shù)字相機(jī)(含鏡頭)、相機(jī)控制單元和相機(jī)電源。依據(jù)需求可選裝不同型號(hào)的數(shù)字相機(jī)，本系統(tǒng)選擇尼康D810及配套鏡頭，像素分辨率為3700萬(wàn)像素。數(shù)字相機(jī)通過(guò)支架與激光掃描儀剛性固聯(lián)，從而形成了數(shù)字影像與激光點(diǎn)云固定的配準(zhǔn)關(guān)系。

2.2 系統(tǒng)主要性能指標(biāo)對(duì)比

目前，主要的機(jī)載激光雷達(dá)設(shè)備商有Leica、Optech、Riegl和北科天繪等。因直升機(jī)飛行平臺(tái)要求載荷輕小化，兩種代表性的直升機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)分別來(lái)自Riegl及北科天繪，設(shè)備性能指標(biāo)見表1。

由于機(jī)載激光雷達(dá)主要用于地形測(cè)繪，測(cè)距能力很強(qiáng)，受激光重頻和測(cè)距限制，遠(yuǎn)距離作業(yè)時(shí)激光點(diǎn)的間距較大，無(wú)法有效獲取電力線激光點(diǎn)云，且通常在作業(yè)時(shí)才與POS系統(tǒng)集成，因此飛行前的安置標(biāo)校是必不可少的步驟[13]。正常情況下，電力巡檢激光雷達(dá)系統(tǒng)與測(cè)繪型機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)有較大差別，通常用于測(cè)繪遙感的專用激光掃描系統(tǒng)，不適用于電力巡檢[14-15]。

表1 E+RA-0600與主要機(jī)載激光雷達(dá)性能指標(biāo)對(duì)比

2.3 激光雷達(dá)吊艙

E+RA-0600輕小型電力巡檢激光雷達(dá)系統(tǒng)吊艙包括吊艙殼體、RA-0600激光雷達(dá)集成系統(tǒng)和掛架結(jié)構(gòu)。掛架結(jié)構(gòu)是吊艙與飛行平臺(tái)的連接接口，掛架下部與吊艙通過(guò)法蘭連接，方便調(diào)整吊艙作業(yè)角度。

為了避免遮擋已有的光電載荷(安裝在飛行平臺(tái)的左后側(cè))，激光雷達(dá)吊艙作業(yè)時(shí)安裝在飛行平臺(tái)的右后側(cè)，吊艙的載荷采用水平布局，并且與機(jī)身成30°夾角安裝。如圖2所示。

圖2 激光雷達(dá)吊艙及安裝結(jié)構(gòu)

2.4 激光雷達(dá)系統(tǒng)使用注意事項(xiàng)

(1) 設(shè)置合理的采集參數(shù)。為保證采集到有效電力線點(diǎn)云數(shù)據(jù)，點(diǎn)云橫向點(diǎn)間隔要小于電力線的直徑，由于不同測(cè)量參數(shù)的點(diǎn)間隔不盡相同，因此設(shè)置合理的激光點(diǎn)頻、掃描轉(zhuǎn)速及測(cè)量距離參數(shù)，才能保證點(diǎn)云密度達(dá)到巡檢要求，進(jìn)而保證激光點(diǎn)可以落到電力線上。

(2) 工作溫度差保持。作業(yè)時(shí)應(yīng)避免溫度劇烈變化，防止形成結(jié)露而損傷設(shè)備。

(3) 光學(xué)鏡頭必須確保清潔。由于該激光掃描系統(tǒng)包含光學(xué)元件，因此掃描前需確保掃描鏡干凈無(wú)塵；操作過(guò)程中，還必須防止身體任何部位直接接觸光學(xué)元件，操作人員口部也應(yīng)遠(yuǎn)離光學(xué)元件，防止唾液對(duì)光學(xué)元件的污染。

(4) 注意防水侵。設(shè)備的工業(yè)產(chǎn)品防護(hù)等級(jí)為IP64，即該設(shè)備只能防止飛濺的水侵入，如果在作業(yè)過(guò)程中突然下雨，請(qǐng)及時(shí)將設(shè)備斷電并移至安全處。

3 激光雷達(dá)系統(tǒng)電力巡檢應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)集成標(biāo)定

E+RA-0600輕小型電力巡檢激光雷達(dá)系統(tǒng)的激光掃描儀、IMU和數(shù)字相機(jī)固聯(lián)，一般只需一次集成標(biāo)定，即可長(zhǎng)期執(zhí)行飛行作業(yè)。集成飛行標(biāo)定主要解決LiDAR到IMU的安置參數(shù)和相機(jī)到IMU的外方位安置參數(shù)。

系統(tǒng)的飛行集成標(biāo)定場(chǎng)規(guī)劃6條航線，標(biāo)定飛行的相對(duì)航高為100 m，根據(jù)設(shè)備最遠(yuǎn)測(cè)距推算掃描有效視場(chǎng)角為140°，因此設(shè)備帶寬為540 m。集成標(biāo)定時(shí)激光雷達(dá)參數(shù)見表2。

表2 集成標(biāo)定激光雷達(dá)參數(shù)

經(jīng)過(guò)集成標(biāo)定后的激光點(diǎn)云相對(duì)精度達(dá)到厘米級(jí)，相鄰航線激光點(diǎn)云拼接良好，數(shù)字影像與激光點(diǎn)云有效配準(zhǔn)。

3.2 電力巡檢應(yīng)用

E+RA-0600輕小型電力巡檢激光雷達(dá)吊艙(如圖3所示)集成了360°全景激光掃描儀，當(dāng)飛機(jī)飛行高度為150 m、飛行速度為80 km/h時(shí)，系統(tǒng)掃描可獲得多于40個(gè)點(diǎn)/m2的點(diǎn)密度，能夠清晰地描述電力線及塔架等特征，并能精確描述電力線、電力塔架、絕緣間隔棒和掛點(diǎn)位置等三維細(xì)節(jié)。

南方電網(wǎng)已成功開展了多架次的電力線巡檢飛行作業(yè)，有效獲取了多條電力線走廊的電力相關(guān)設(shè)施和地形信息(如圖4所示)，電力線、電力塔架和環(huán)境地理信息清晰可見。

經(jīng)集成標(biāo)定后的激光點(diǎn)云與同步獲取的數(shù)字影像融合，可以更真實(shí)地反映電力線走廊的植被、地形和地貌信息。

4 前景與展望

E+RA-0600輕小型電力巡檢激光雷達(dá)系統(tǒng)及吊艙是為電力巡檢專門設(shè)計(jì)和研制的，在電力巡檢方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。該吊艙經(jīng)過(guò)多次高壓電力巡檢線路的試驗(yàn)飛行作業(yè)，獲得了理想的電力線、電力設(shè)施及線路走廊的地理環(huán)境信息，可以滿足電力巡檢的需求。

圖3 激光雷達(dá)吊艙巡檢作業(yè)

圖4 激光雷達(dá)吊艙電力線路激光點(diǎn)云

E+RA-0600激光雷達(dá)吊艙在結(jié)構(gòu)、應(yīng)力、強(qiáng)度、飛行沖擊、電纜阻燃、電磁兼容性等方面均滿足AS350飛機(jī)外掛載荷作業(yè)的適航符合性要求，可以高精度恢復(fù)線路和走廊三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，自動(dòng)量測(cè)地物到電線的距離，實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)點(diǎn)預(yù)警，極大地提高了傳統(tǒng)的人工巡檢效率，降低了巡檢成本。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，在南方五省，80%以上的電力事故是植被過(guò)高引起的，在植被凈空風(fēng)險(xiǎn)沒(méi)有被及時(shí)解決的情況下，常造成電力線放電，每次都會(huì)造成數(shù)十萬(wàn)元的損失。采用專用的激光雷達(dá)吊艙，可以快速并準(zhǔn)確定位植被或建筑物超過(guò)凈空預(yù)警線的問(wèn)題，減少經(jīng)濟(jì)損失，既實(shí)用又經(jīng)濟(jì)。

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