陳劍濤，段春瑞，李翔

（國網(wǎng)寧夏電力有限公司石嘴山供電公司，寧夏 石嘴山 753000）

0 引言

電網(wǎng)安全關(guān)系國家公共安全和國計民生，輸電線路遭受臺風、雷擊、樹障威脅、人為破壞及設(shè)備老化是影響電網(wǎng)安全的主要因素，因此，對輸電線路巡視檢查是保障輸電線路安全穩(wěn)定運行的重要手段[1]。目前，寧夏地區(qū)110 kV以上輸電線路超過15 000 km，每條輸電線路一般每月都需巡檢一次，而電網(wǎng)巡檢多采用人工巡視，并且由于輸電線路工作環(huán)境艱苦，人工巡檢效率低，成本高，同時，隨著電網(wǎng)建設(shè)快速推進，輸電線路的巡檢工作量與日俱增，巡視難度不斷加大，對輸電線路巡檢的時效性及精度要求不斷提升。近年來，無人機技術(shù)的迅速發(fā)展可以解決許多人工難以處理的問題，無人機技術(shù)在電網(wǎng)中的應(yīng)用前景非常廣闊[2]，因此，通過研究激光雷達自動避障技術(shù)、紅外成像及無人機自主巡檢等方面的技術(shù)，以提升對輸電線路的巡檢能力，并且及時發(fā)現(xiàn)輸電線路存在的隱患。

1 雷達避障技術(shù)

1.1 激光掃描測距雷達

無人機避障硬件設(shè)施采用360°激光掃描測距雷達，型號為iLiDAR-S30，基于DJI-PAYLOAD SDK開發(fā)的360°激光掃描測距雷達，打通大疆全線通訊鏈路，可直接掛載云臺。配合無人機智能操作系統(tǒng)可實現(xiàn)與環(huán)境的實時互動，幫助用戶完成復(fù)雜的線路巡視任務(wù)。其主要參數(shù)如表1所示，雷達如圖1所示。

表1 iLiDAR-S30激光掃描測距雷達參數(shù)

圖1 激光掃描測距雷達

1.2 基于RRT算法的避障方法

由于輸電線路通道環(huán)境復(fù)雜，通道內(nèi)建筑物、樹、竹、車輛機械等障礙物時有出現(xiàn)，因此，無人機自主巡檢必須根據(jù)環(huán)境約束條件，采用合適的障礙物躲避算法，從而調(diào)整無人機的飛行航線，避免與障礙物碰撞[3]。本文避障算法的基礎(chǔ)是快速擴展隨機樹，其核心思想是對于特定區(qū)域采用隨機尋點的方式進行采樣、數(shù)據(jù)處理及分析，根據(jù)目標要求判斷采用標準，并以同樣的方式在區(qū)域內(nèi)對其他物體采樣。假設(shè)無人機的飛行區(qū)域可用集合A表示，集合A1為空間內(nèi)的可飛行區(qū)域，集合A2為不可飛行的障礙物區(qū)域，則其集合關(guān)系可用式（1）表示。

因此根據(jù)式（1）的集合關(guān)系，可將雷達避障問題轉(zhuǎn)化成在有限空間內(nèi)以選定起點為出發(fā)點，終點為目的地，在能躲避障礙物的前提下，自動尋求起點和終點連線，算法如圖2所示,圖中空白區(qū)域為A1，灰色區(qū)域為A2。

圖2 算法

該算法是將空間集合問題轉(zhuǎn)化為空間路線問題的搜索算法，因此該算法共分為隨機樹生成和反向搜索兩個連續(xù)的階段。

隨機樹生成是以迭代次數(shù)為限制的前提下，采用不斷增量的方式構(gòu)建無人機飛行路徑信息。首先，在有限空間內(nèi)隨機生成符合算法條件的第一個目標點；然后，以目標點為中心隨機生成滿足約束條件的空間中的其他點，在增量約束條件下，算法會尋找與第一個目標點距離最為接近的點為新的目標點，并與第一個目標點連接，形成搜索樹的第一枝；第一枝搜索完成后，新的目標點會與下一個距離最為接近的點為新的目標點，兩者連接形成搜索樹的第二枝，以此類推形成搜索樹。若兩個節(jié)點之間存在障礙物，則兩個目標點不會連接，會形成斷點，所以在兩個節(jié)點間存在障礙物且無法規(guī)避的情況下，系統(tǒng)會自動舍棄該節(jié)點并重新生成新的節(jié)點[4]。利用Matlab對基本快速擴展隨機樹算法進行仿真，仿真地圖為500 m×500 m的二維空間，從二維空間的中心向空間四周進行擴散。采用快速擴展隨機樹算法在設(shè)定的空間分別迭代擴展10步、100步、500步的效果如圖3所示。

圖3 快速擴展隨機樹算法

快速擴展隨機樹算法在迭代過程中，在二維空間內(nèi)隨機均勻采樣，快速生成隨機樹，隨著迭代次數(shù)的增加，快速擴展隨機樹朝著二維空間的四個方向進行擴展，當?shù)螖?shù)達到一定的次數(shù)時，快速擴展隨機樹的節(jié)點會充滿整個二維空間。以上說明快速擴展隨機樹算法搜索路徑成功率較大和搜索的穩(wěn)定性較好，也體現(xiàn)了快速擴展隨機樹算法的概率完備性。

反向搜索是在隨機樹生成的基礎(chǔ)上以終點為目標，與搜索樹前端搜索算法相似，以搜索樹上距離目標點最近的點為目的地，形成起點和目的地間的有效路線[5]，此路線即為規(guī)劃可行的航線。

1.3 無人機路徑規(guī)劃

在三維環(huán)境中，對于某個點是否滿足要求判斷較為困難，無法在三維空間中對各個點進行逐個檢查，因此本文從概率論的角度出發(fā)，對于節(jié)點的概率是否達到數(shù)值c為判斷依據(jù)，設(shè)節(jié)點A在空間的坐標為（x1,y1,z1），節(jié)點的下一級節(jié)點B坐標為（x2,y2,z2），則采樣后點c（x,y,z）的坐標用式（2）表示。

根據(jù)上述計算方法和原則將空間環(huán)境下路線規(guī)劃分為以下八步：第一步，初始化任務(wù)參數(shù)；第二步，采用數(shù)據(jù)化的形式對三維空間進行模擬分析，生成三維空間中的障礙物模型，并且對空間的邊界進行定義；第三步，對飛行線路的起點和終點進行定義，確定飛行線路的長度和搜索樹的步長；第四步，判斷初始起點和終點的距離與步長關(guān)系，若距離小于步長進入第八步，否則進入下一步；第五步，對目標點編輯，用三維坐標的形式賦予其在空間中的路線屬性，在此基礎(chǔ)上確定終點的臨近節(jié)點；第六步，不斷生成隨機節(jié)點；第七步，判斷節(jié)點連接是否存在障礙物，若存在障礙物則舍棄該節(jié)點，不斷重復(fù)第六步和第七步操作；第八步，在眾多隨機樹中尋找符合要求的起點與終點搜索樹。

以上步驟如圖4所示，隨機生成下一節(jié)點p和節(jié)點h，因節(jié)點h存在障礙物，則舍棄節(jié)點h；節(jié)點p不存在障礙物，則與節(jié)點p連接。

圖4 三維空間路線規(guī)劃

對于上述步驟，關(guān)鍵點是確定碰撞點進行碰撞檢查。按照以上測距雷達搜索模型和算法對自主研發(fā)的雷達在無人機搭載條件下進行自主避障試驗分析，試驗用無人機是四旋翼的大疆經(jīng)緯M210，裝載的避障雷達是iLiDAR-S30。

本文開發(fā)的無人機搭載雷達技術(shù)能有效識別樹障等障礙物，可以測量出與潛在障礙物之間的距離，當無人機與障礙物的空間距離低于安全值時，無人機會繞開障礙物，始終保持合適的安全距離，從而實現(xiàn)避障功能。

2 紅外成像增強技術(shù)

無人機搭載的紅外設(shè)備可形成物體的紅外影像，利用導線的紅外影像判斷導線是否存在缺陷故障，它是利用物體發(fā)射的輻射信息，物體溫度不同，其輻射信息也不盡相同[6]，因此從其成像原理中可知紅外成像技術(shù)的噪聲較大。本文采用直方圖均衡化的方法調(diào)整圖像的灰度范圍和分布，圖像處理的原則是設(shè)置一個閾值T（臨界值），當某一灰度級像素頻率P大于T時取最大值T，否則取原有的頻率，其計算公式如式（3）所示。

經(jīng)過圖像處理后的輸電線路紅外圖像如圖5所示。

圖5 紅外圖像與灰度直方圖

根據(jù)公式（3）的圖像處理原則，處理圖像時必須設(shè)置合適的c值。若c值過大，處理后圖像與原圖像并無太大差別，達不到預(yù)期效果；若c值過小，圖像的有用信息過濾量會增加，圖像會出現(xiàn)失真現(xiàn)象。如圖5（b）、圖5（d）所示，通過相關(guān)數(shù)據(jù)對比可以發(fā)現(xiàn)，基于增強技術(shù)的應(yīng)用，能夠有效改善紅外圖像處理的實際效果，尤其是數(shù)據(jù)分析的精準度有了大幅提升，可為后續(xù)分析提供更為全面的參考；因此在利用無人機紅外技術(shù)進行自主巡檢時，必須結(jié)合數(shù)據(jù)分析的實際要求，以及根據(jù)軟件系統(tǒng)運行的要求，設(shè)置對應(yīng)的閾值，確保圖像處理效果能夠滿足分析應(yīng)用的要求，為提升分析質(zhì)量提供支撐。

3 巡檢控制系統(tǒng)

無人機對電力線路巡檢必須依靠一套完善的地面操控系統(tǒng)以實現(xiàn)對飛行狀態(tài)的控制和巡檢數(shù)據(jù)的提取分析。該控制系統(tǒng)是在Android操作系統(tǒng)上配套使用大疆SDK技術(shù)，采用多旋翼無人機自動駕駛智能控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)適用于輸電線路巡視的無人機移動端操作平臺，控制系統(tǒng)模塊如圖6所示。系統(tǒng)具有自主通道巡視、樹障巡視、正斜射影像、全景采集及紅外巡視等多種智能作業(yè)模式，可完成不同通道環(huán)境下長距離、超視距的無人機自動控制，滿足各種應(yīng)用場景的數(shù)據(jù)采集需求。

圖6 控制系統(tǒng)模塊

自主巡檢模塊根據(jù)地圖信息可建立電力鐵塔的坐標位置并導入系統(tǒng)中，系統(tǒng)會根據(jù)選定的巡檢信號塔位置信息按照本文的快速擴展隨機樹算法進行自主巡檢并生成巡檢日志。

再利用系統(tǒng)全景采集模塊對周圍環(huán)境數(shù)據(jù)進行采集，系統(tǒng)提供自動和手動兩種模式，最多支持一次添加三個點進行全景采集任務(wù)，全景采集模塊需操作者設(shè)置飛行高度，利用機載雷達和紅外設(shè)備對區(qū)域內(nèi)進行景象采集，生成采集文件。

4 實踐應(yīng)用

搭載自主避障功能無人機可在4 min內(nèi)自主完成一基桿塔的巡檢工作，操作員操作無人機巡檢能夠大幅縮減工作時間，比傳統(tǒng)人工巡檢線路提高數(shù)倍效率，減少了人工勞動強度。巡檢拍攝照片時，高清攝像頭可以自動調(diào)整焦距，自如放大桿塔金具細節(jié)，可以針對性診斷桿塔故障問題，并對拍攝質(zhì)量進行復(fù)核，如識別到曝光、虛焦及有畫質(zhì)問題的圖片，無人機將自動調(diào)整朝向及相機云臺角度，并再次拍攝，確保拍攝質(zhì)量。對于線路耐張引流線夾等易發(fā)熱部件，紅外攝像頭還可實時感知被檢測目標以及周圍環(huán)境，完成測溫工作。通過完善的避障方法，使無人機巡檢可自如應(yīng)對復(fù)雜的環(huán)境干擾，保持一定的安全距離，以此保障電力系統(tǒng)的運行安全性和可靠性。

2021年，已完成1 596 km架空輸電線路的無人機激光點云數(shù)據(jù)采集及航線規(guī)劃工作，實現(xiàn)對石嘴山地區(qū)輸電線路自主巡檢全覆蓋，已對147條輸電線路開展無人機紅外自主巡檢工作，拍攝了5 000余張紅外圖像，通過后臺缺陷識別系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)導線損傷11處、絕緣子M銷脫出的危急缺陷18處，桿塔螺絲松動缺陷百余處。無人機紅外巡檢技術(shù)為輸電線路運行檢修管理工作提供依據(jù)，提高輸電線路運行檢修管理工作質(zhì)量及供電服務(wù)質(zhì)量，通過及時處理發(fā)現(xiàn)的問題，有效保障輸電線路的安全可靠運行。

5 結(jié)論

以激光掃描測距雷達、無人機及紅外儀為硬件基礎(chǔ)，對適用于電力巡檢的無人機自主巡檢系統(tǒng)進行研究。系統(tǒng)采用反向搜索隨機算法利用iLiDAR-S30激光雷達實現(xiàn)檢測線路的自主避障，利用直方圖均衡化的方法將紅外設(shè)備采集的圖像進行灰度處理，能夠清晰地看到線路的缺陷故障，同時可以應(yīng)對不同的通道環(huán)境，完成自主紅外巡視工作。通過無人機搭載激光測距雷達和紅外設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)對輸電線路的自主巡檢，避免了人力巡檢效率低、安全性差和巡檢質(zhì)量差等方面的不足。