曾雅君 姚文燦 王亮
摘要:我國輸電線路分布具有地形復(fù)雜、點(diǎn)多、面廣的特征,傳統(tǒng)的手持激光測(cè)距儀進(jìn)行樹障距離測(cè)量的方法已不能滿足當(dāng)前輸電線路巡檢的需求,為此介紹了一種基于激光雷達(dá)的輸電線路通道樹障檢測(cè)方法,可高效、準(zhǔn)確地檢測(cè)到輸電線路的樹障情況,值得大力推廣應(yīng)用。
關(guān)鍵詞:輸電線路;激光雷達(dá);樹障
0 引言
架空輸電線路由導(dǎo)線、避雷線、桿塔、相應(yīng)附件及附屬設(shè)施等組成。運(yùn)行中的輸電線路會(huì)因通道內(nèi)有植被、違章建筑等而威脅線路的安全運(yùn)行,尤其是在灌木生長茂盛的山林中,輸電線路存在的安全隱患更為突出。我國高壓架空輸電線路總長度超過了115萬km,其中跨越復(fù)雜植被的輸電線路長度達(dá)到了51.4萬km。據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計(jì),在輸電線路安全隱患成因中,樹障占比50%~60%,違章施工及建筑物占比10%~15%,鳥害占比10%~15%,山火占比6%~8%,漂浮物占比7%~10%。由此可見,樹障是造成輸電線路安全隱患的最主要原因。
傳統(tǒng)手持激光測(cè)距儀進(jìn)行樹障距離測(cè)量的方法,因?qū)Ь€細(xì)小難以瞄準(zhǔn)、樹冠遮擋無法獲取樹障最高點(diǎn)等,無法有效測(cè)量線樹距離,測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確。同時(shí),在很多地形復(fù)雜、樹木叢生的地方,測(cè)量人員難以到達(dá),影響線樹距離的測(cè)量準(zhǔn)確性,采用傳統(tǒng)的樹障距離測(cè)量方法效率極低。
隨著無人機(jī)在電網(wǎng)輸電線路巡檢領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用以及激光雷達(dá)技術(shù)的不斷發(fā)展,無人機(jī)搭載激光雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行樹障檢測(cè)成為輸電線路巡線的新手段。
1 基本原理
輸電線路巡視人員采用帶有RTK模塊的無人機(jī)搭載激光雷達(dá)對(duì)線樹進(jìn)行掃描,激光掃描測(cè)距雷達(dá)通過測(cè)量無人機(jī)與樹頂端的距離及角度、無人機(jī)與導(dǎo)線的距離及角度,利用三角函數(shù)關(guān)系計(jì)算線樹距離,并自動(dòng)將距離與不同等級(jí)電壓的安全距離標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較,在線樹距離小于安全距離的區(qū)域進(jìn)行樹障危險(xiǎn)預(yù)警。
1.1 ? ?激光雷達(dá)測(cè)距原理
脈沖方法激光測(cè)距是在激光雷達(dá)發(fā)射激光束后,一部分激光被反射回障礙物,并被激光雷達(dá)的接收器接收。同時(shí),雷達(dá)可以記錄激光發(fā)射到接收器接收之間的時(shí)間間隔,并可以根據(jù)光速計(jì)算要測(cè)量的距離。
由激光發(fā)射器發(fā)射出的激光脈沖入射到物體表面引起散射,其中一部分光波會(huì)經(jīng)過反射返回到激光雷達(dá)的接收器中,它將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)記錄下來,激光雷達(dá)組成如圖1所示。同時(shí),由所配備的計(jì)時(shí)器記錄同一個(gè)激光脈沖信號(hào)由發(fā)射到被接收的時(shí)間間隔。由于光速是已知的,傳播時(shí)間間隔即可被轉(zhuǎn)換為測(cè)量的距離。激光測(cè)距計(jì)算公式如下:
式中:r為激光發(fā)射器到反射點(diǎn)之間的幾何距離;c為光速;t為激光脈沖由發(fā)射到被接收的時(shí)間間隔。
1.2 ? ?三角函數(shù)計(jì)算線樹距離原理
無人機(jī)搭載激光雷達(dá)可以獲得高壓線與樹木的距離。抽象測(cè)距模型如圖2所示,將無人機(jī)、導(dǎo)線、樹頂?shù)奈恢每闯梢粋€(gè)三角形的3個(gè)頂點(diǎn),分別為A、B、C。通過激光測(cè)距原理可獲得無人機(jī)到導(dǎo)線、無人機(jī)到樹頂?shù)木嚯x分別為b、c,激光以0°~360°的角度不斷進(jìn)行掃描,可以得出AC與AB之間的夾角。根據(jù)三角函數(shù)公式a2=b2+c2-2bccos A,即可求出線樹距離a。
無人機(jī)搭載激光雷達(dá)靠近導(dǎo)線,360°旋轉(zhuǎn)激光測(cè)距掃描儀掃描豎直二維截面,實(shí)時(shí)測(cè)算該截面內(nèi)最小線樹距離。無人機(jī)沿導(dǎo)線飛行,測(cè)量多個(gè)連續(xù)二維截面的數(shù)據(jù),即可測(cè)得目標(biāo)區(qū)域線樹距離,并自動(dòng)計(jì)算最小線樹距離。將最小線樹距離與不同電壓等級(jí)的線樹距離標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比,當(dāng)檢測(cè)到的線樹距離小于標(biāo)準(zhǔn)距離,則判定為存在樹障隱患,如圖3所示。
2 實(shí)際應(yīng)用
無人機(jī)搭載激光測(cè)距雷達(dá),可實(shí)時(shí)掃描無人機(jī)到下導(dǎo)線的距離,實(shí)時(shí)計(jì)算并顯示樹障距離,并快速出具樹障隱患報(bào)告。樹障檢測(cè)具體實(shí)施步驟:起飛前檢查→設(shè)定參數(shù)→自動(dòng)巡航→自動(dòng)返航→現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生報(bào)告?;诩す饫走_(dá)的輸電線路通道樹障檢測(cè)方法實(shí)際運(yùn)用到某500 kV輸電線路的巡檢效果如圖4所示,報(bào)告如圖5所示。
3 結(jié)語
大部分輸電線路所處環(huán)境復(fù)雜,傳統(tǒng)的手持激光測(cè)距儀進(jìn)行樹障距離測(cè)量的方法已不能滿足需求,為此,本文介紹了一種基于激光雷達(dá)的輸電線路通道樹障檢測(cè)方法,將其運(yùn)用于某500 kV輸電線路巡檢中,結(jié)果表明該方法可高效、準(zhǔn)確地檢測(cè)到輸電線路的樹障情況,值得大力推廣應(yīng)用。
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收稿日期:2020-09-04
作者簡介:曾雅君(1987—),男,湖南婁底人,助理工程師,研究方向:無人機(jī)搭載激光雷達(dá)對(duì)輸電線路巡檢的數(shù)據(jù)處理。