李林青 李宏 高舉 牟誠(chéng)德 李泓廷

摘 要：根據(jù)現(xiàn)在社會(huì)的不斷發(fā)展，電網(wǎng)無(wú)人機(jī)巡檢的時(shí)代也在慢慢到來(lái)，新的工作方式也得到了更高得挑戰(zhàn)。為了能夠迅速地實(shí)現(xiàn)輸電線路自主無(wú)人機(jī)巡檢，減少手動(dòng)飛行的操控，本文分析了基于激光點(diǎn)云精確定位的輸電線路無(wú)人機(jī)自主巡檢的系統(tǒng)，通過(guò)精準(zhǔn)三維的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)航線的自主生成和自主的規(guī)劃，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)全程無(wú)人化巡檢作業(yè)飛行。

關(guān)鍵詞：激光點(diǎn)云;輸電線路巡檢;無(wú)人機(jī)巡檢;自主飛行

引言：

近幾年，云南的電網(wǎng)輸電線路規(guī)模也在快速地加強(qiáng)，這對(duì)輸電線路的巡檢效率與水平運(yùn)維都提出了很高的要求標(biāo)準(zhǔn)。尤其是隨著國(guó)內(nèi)通航領(lǐng)域政策在逐漸開放與自主無(wú)人機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，綜合地進(jìn)行分析了自主無(wú)人機(jī)在巡檢時(shí)，路徑的規(guī)劃優(yōu)化與線路的故障檢測(cè)，本文對(duì)于自主無(wú)人機(jī)的巡檢監(jiān)控、應(yīng)急的巡檢與可靠的運(yùn)輸，講述了運(yùn)輸保障的系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，并且還分析了自主無(wú)人機(jī)巡檢的應(yīng)用策略。

1.激光雷達(dá)的巡檢

激光雷達(dá)的工作原理就是應(yīng)用激光測(cè)距從而來(lái)獲取激光的發(fā)射器和地面點(diǎn)間的斜距，而且還需要按照同步搭載的CPS與慣性的測(cè)量單元來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的激光點(diǎn)云中的定向與定位，這樣就可以恢復(fù)激光點(diǎn)云三維的坐標(biāo)空間，還可以讓系統(tǒng)有穿透性、非接觸性、高密度、自主性及高精度等一些特點(diǎn)。如圖1 所示，在自主無(wú)人機(jī)的搭載激光雷達(dá)的系統(tǒng)是在輸電線路上空中一側(cè)的飛行，從而來(lái)得到電力線在走廊里面攝像的數(shù)據(jù)、紅、紫外線的數(shù)據(jù)、影像的數(shù)據(jù)和激光的數(shù)據(jù)等一些環(huán)境的變量參數(shù)，在經(jīng)過(guò)后期的結(jié)算處理分析，可以得到電力線走廊臺(tái)賬的數(shù)據(jù)，還包含著斷面圖、弧垂、跨度以及路刨面圖等這些個(gè)數(shù)據(jù)的特征。而且還需要對(duì)路線的走廊來(lái)進(jìn)行矢量化的管理分類，來(lái)建立出走廊線路的三維模型。若是要建立一個(gè)三維的航跡規(guī)劃，那么就需要基于航跡的激光點(diǎn)云的控制目標(biāo)及跟蹤的算法，還要確保自主無(wú)人機(jī)航跡的優(yōu)化性與目標(biāo)跟蹤的可靠性質(zhì)。

2.激光點(diǎn)云的智能數(shù)據(jù)的分析

2.1基本的激光點(diǎn)云的數(shù)據(jù)管理

目前，按照文中圖2 的激光點(diǎn)云雷達(dá)的數(shù)據(jù)展示。通過(guò)使用無(wú)人機(jī)搭載三維激光設(shè)備收集激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再進(jìn)行數(shù)據(jù)解算處理形成三維激光模型，結(jié)合實(shí)際物體進(jìn)行激光點(diǎn)云分類從而實(shí)現(xiàn)電力線路中的三維數(shù)字化，也會(huì)根據(jù)《DLT741-2019架空的輸電線路的運(yùn)行規(guī)程》來(lái)把線路簡(jiǎn)單地進(jìn)行個(gè)分類，如，導(dǎo)線、地線、桿線、通道、河流、樹木及鐵路等一些輸電線路。一般在通道之內(nèi)，經(jīng)常會(huì)見到的就是地物類型，能夠恢復(fù)電力線的沿線地表附著物與地表的形態(tài)，還可以滿足每一個(gè)電壓等級(jí)的輸電線路來(lái)進(jìn)行每一種不同地物的運(yùn)行安全的距離要求[1]。

圖3是為了測(cè)量出激光點(diǎn)云的空間?？梢允褂命c(diǎn)云測(cè)量工具或者專用軟件分析處理，進(jìn)行危險(xiǎn)點(diǎn)檢測(cè)，和通道的樹障等一些交叉的跨越物，從而得到缺陷隱患的自主分析及自動(dòng)地測(cè)量、自動(dòng)生成報(bào)告。

2.2逐漸降緯的簡(jiǎn)化方式的重構(gòu)電力線

現(xiàn)在的自主無(wú)人機(jī)在激光雷達(dá)下對(duì)輸電線路巡檢的過(guò)程中，它會(huì)受到地貌與地形等一些環(huán)境的因素影響，有的時(shí)候得到的輸電導(dǎo)線的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的密度很低，且激光點(diǎn)云的分布空間的間距也是比較大的，有時(shí)也會(huì)發(fā)生導(dǎo)線斷裂的狀況，這樣就要對(duì)導(dǎo)線進(jìn)入快速的修復(fù)，之后在進(jìn)行恢復(fù)本來(lái)就有的空間分布。通過(guò)系統(tǒng)采取一些簡(jiǎn)單的曲線空間的擬合辦法，運(yùn)用這種逐漸地降緯的方法來(lái)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)三維曲線空間的擬合。通過(guò)幾點(diǎn)內(nèi)容來(lái)分析。一是，面對(duì)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的影響計(jì)算的效率，需要把重復(fù)數(shù)據(jù)逐個(gè)過(guò)濾;二是，按照導(dǎo)線進(jìn)行水平面上的分布是呈直線的特點(diǎn)來(lái)擬合，這是需要二維平面直線的擬合，從而達(dá)到第一次的降緯;三是，依據(jù)導(dǎo)線在垂直的水平面上所呈現(xiàn)的是拋物線的特點(diǎn)分布，讓二維曲線進(jìn)行擬合，這樣就可以實(shí)現(xiàn)第二次的降緯了;四是，想要完整的三維空間擬合，就一定要的得到導(dǎo)線整體的三維空間的分布。在進(jìn)行第一次的降緯時(shí)，就是為了X-Y的平面直線相擬合，那么在進(jìn)行第二次的降緯時(shí)，則是為了可以讓X-Z的平面曲線相擬合，在這之后就可以完成三維空間的整體擬合了。在每次的計(jì)算當(dāng)中，維度在降低時(shí)它的計(jì)算效率也會(huì)得到很大的提高，從而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)線的隨時(shí)擬合，隨時(shí)恢復(fù)。

2.3導(dǎo)線、桿塔的自動(dòng)分類

在面對(duì)輸電線路的導(dǎo)線檔之間走廊上自身的復(fù)雜性質(zhì)，目前的辦法就是針對(duì)桿塔或者是導(dǎo)線其中的一種數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行分類，這樣就使得數(shù)據(jù)的分類工作變得非常得復(fù)雜繁瑣，但是通過(guò)系統(tǒng)的方式獲取基于導(dǎo)線與桿塔空間的拓?fù)潢P(guān)系，來(lái)進(jìn)行Houghton應(yīng)用的變換和Kmeans聚類的辦法，這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)桿塔與導(dǎo)線的快速分類。

2.4激光點(diǎn)云糾偏的坐標(biāo)方法

通常情況下三維激光雷達(dá)獲取的點(diǎn)云是相對(duì)坐標(biāo)的點(diǎn)云，若想要應(yīng)用到高精度自主巡檢中，則必須獲取三維激光點(diǎn)云的絕對(duì)坐標(biāo)，獲取絕對(duì)坐標(biāo)的方法有很多種，本文介紹其中兩種方法，一是通過(guò)使用某廠家的云跡服務(wù)，對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行實(shí)時(shí)糾偏，二是手動(dòng)進(jìn)行坐標(biāo)糾偏，即在掃描三維激光數(shù)據(jù)時(shí)，通過(guò)記錄架設(shè)基站的絕對(duì)坐標(biāo)位置來(lái)實(shí)現(xiàn)手動(dòng)糾偏功能，首先使用水準(zhǔn)基座進(jìn)行找平，將基站假設(shè)在水準(zhǔn)基座上獲取儀高，再使用高精度儀器獲取中點(diǎn)上的經(jīng)緯度坐標(biāo)，這樣即可獲得該基站的絕對(duì)坐標(biāo)值，記錄好絕對(duì)坐標(biāo)后，將其帶入某特定軟件中進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的糾偏。

3.激光點(diǎn)云的航線規(guī)劃與自主飛行

3.1航線的自主規(guī)劃

目前文中的圖4是高精度的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的航線規(guī)劃與預(yù)覽圖。它是依據(jù)高精度的激光點(diǎn)云桿塔模型的數(shù)據(jù)，進(jìn)行航跡規(guī)劃，對(duì)每一個(gè)需要拍照的點(diǎn)進(jìn)行確認(rèn)，通過(guò)每個(gè)拍照點(diǎn)進(jìn)行連接，從而獲取一條高精度航線，實(shí)現(xiàn)桿塔自身本體的精細(xì)化巡檢和自動(dòng)化拍照，它還有連續(xù)輸電線路多基桿塔的航線飛行設(shè)定，也可以隨時(shí)推出自動(dòng)巡檢航線，這是為了無(wú)人機(jī)的斷電續(xù)航提供了安全可靠的保障;在規(guī)劃好航線后，對(duì)需要拍照的點(diǎn)進(jìn)行危險(xiǎn)點(diǎn)分析，設(shè)定好安全距離，這樣就可以讓無(wú)人機(jī)避開桿塔，從而降低無(wú)人機(jī)故障的風(fēng)險(xiǎn)保證安全飛行[2]。

依據(jù)不同的地形及塔形來(lái)進(jìn)行參數(shù)的航線設(shè)置。以某公司無(wú)人機(jī)經(jīng)緯M210RTK的系列搭載出Z30的鏡頭為案例，進(jìn)行航線規(guī)劃過(guò)程中最初始化的參數(shù)設(shè)置，從而為得到相應(yīng)預(yù)覽圖，為工作人員提供參考。

3.2無(wú)人機(jī)自主飛行

通過(guò)將航線上傳至無(wú)人機(jī)非空系統(tǒng)中，使無(wú)人機(jī)按照已經(jīng)規(guī)劃規(guī)劃好的航線，來(lái)進(jìn)行任務(wù)飛行。無(wú)人機(jī)在全自主飛行當(dāng)中，會(huì)自動(dòng)根據(jù)航線進(jìn)行飛行，在出現(xiàn)緊急狀況之前，可以有一鍵返航的功能，或切換至手動(dòng)操作，這樣就可以保證無(wú)人機(jī)在全程無(wú)人化的時(shí)候，能夠順利地完成自主飛行巡檢的飛行作業(yè)[3]。無(wú)人機(jī)自主巡檢充分地展示了無(wú)人機(jī)在輸電線路精細(xì)化巡檢的全面覆蓋，在拍攝目標(biāo)要求的方面，就是“可見即可得”的成果，也為了今后的輸電線路的自主無(wú)人機(jī)的巡檢能夠提供出探索的新發(fā)展方向?；诩す恻c(diǎn)云高精確定位的輸電線路無(wú)人機(jī)自主巡檢的系統(tǒng)在未來(lái)的發(fā)展過(guò)程中，將有效提高作業(yè)人員的工作效率，降低作業(yè)人員對(duì)無(wú)人機(jī)使用的操作要求，保證作業(yè)人員及時(shí)獲取電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)信息，從而使電網(wǎng)的安全風(fēng)險(xiǎn)得到極大的降低。

結(jié)語(yǔ)：

總而言之，文中提出了基于激光點(diǎn)云準(zhǔn)確定位的無(wú)人機(jī)自主巡檢的系統(tǒng)分析方案，這種分析一般基于高精度的三維激光點(diǎn)云的數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行航線的自主生成與自主的規(guī)劃，這樣就可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)全自主作業(yè)飛行，在無(wú)人機(jī)進(jìn)行自主的巡檢飛行的時(shí)候，通過(guò)自動(dòng)壁障的功能及空間碰撞檢測(cè)，可以降低無(wú)人機(jī)自主巡檢時(shí)發(fā)生碰撞的概率，通過(guò)手動(dòng)切換無(wú)人機(jī)操作模式，使無(wú)人機(jī)斷電續(xù)航提供安全保障。

參考文獻(xiàn)

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