歐發(fā)斌，韋 濤，楊 欽，張國(guó)永，朱開放

（1.廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司，廣西南寧 530000；2.廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司崇左供電局，廣西崇左 532200）

為保證輸電線路的穩(wěn)定運(yùn)行，需要對(duì)工程質(zhì)量進(jìn)行有效的監(jiān)督和驗(yàn)收[1]。以往的輸電線路測(cè)量普遍采用人工測(cè)量方法，工作量大、檢測(cè)工序繁瑣，且耗時(shí)長(zhǎng)，經(jīng)濟(jì)成本較高，無(wú)法滿足當(dāng)今大規(guī)模智能化電網(wǎng)建設(shè)發(fā)展的需求[2]?；诖?，文獻(xiàn)[3]依據(jù)潮流計(jì)算原理測(cè)量輸電線路零序阻抗參數(shù)，對(duì)所有存在互感耦合的輸電線路進(jìn)行測(cè)量。然而，如果受到外界因素干擾，將會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。文獻(xiàn)[4]采用微分環(huán)非接觸式測(cè)量方法，通過(guò)傳感器的自積分能夠準(zhǔn)確反映被測(cè)電流波形，然而外界電流干擾會(huì)造成測(cè)量結(jié)果不精準(zhǔn)。

針對(duì)上述問題，提出了基于3D SLAM 算法的輸電線路激光雷達(dá)移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)對(duì)輸電線路的探測(cè)和定位，結(jié)合3D SLAM 算法獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并以此作為系統(tǒng)測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)。該系統(tǒng)可以自動(dòng)測(cè)量地面目標(biāo)至線路的距離，快速發(fā)現(xiàn)隱患，實(shí)現(xiàn)對(duì)線路的智能化管理。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于3D SLAM 算法的輸電線路激光雷達(dá)移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)示意圖

由圖1 可知，該系統(tǒng)采用便攜式結(jié)構(gòu)移動(dòng)小車測(cè)量故障點(diǎn)的方式，設(shè)置了中央處理裝置的采集模塊和存儲(chǔ)模塊，分別負(fù)責(zé)輸電線路數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)。數(shù)字化接收設(shè)備接收檢測(cè)結(jié)果，并結(jié)合全景相機(jī)，將接收到的輸電線路數(shù)據(jù)輸入三維激光雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，依次降低各設(shè)備的安裝位置，確保各設(shè)備之間的工作互不干擾[5-7]。

1.1 中央處理裝置

1.1.1 數(shù)據(jù)采集模塊

整個(gè)系統(tǒng)以AD7502 芯片為核心，以DSP 為輸電線路數(shù)據(jù)采集模塊[8-9]，該DSP 數(shù)據(jù)采集模塊可以將數(shù)據(jù)總線與地址總線并行，提高數(shù)據(jù)吞吐率，滿足實(shí)時(shí)性要求[10-11]。

1.1.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊會(huì)通過(guò)主機(jī)掃描檢測(cè)器采集數(shù)據(jù)，通過(guò)主機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)[12]。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊如圖2 所示。

[48] Sean P. Henseler, “Why We Need South China Sea Freedom of Navigation Patrols”, The Diplomat, October 6, 2015, https://thediplomat.com/2015/10/why-we-need-south-china-sea-freedom-of-navigation-patrols/.

圖2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

以統(tǒng)一的方式封裝存儲(chǔ)器資源，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)后可與主機(jī)相關(guān)聯(lián)，從而為虛擬機(jī)創(chuàng)建多個(gè)虛擬磁盤[13]。

1.2 測(cè)量裝置安裝

采集小車的安裝支架上設(shè)有固定裝置，包括上下平面結(jié)構(gòu)和設(shè)置在上下平面結(jié)構(gòu)之間的斜面結(jié)構(gòu)[14]。單機(jī)采用斜面式，多機(jī)采用低面式，處理單元與單機(jī)雷達(dá)多線式相連接。平板及支架與采集車尾部平面傾斜度為45°，其夾角為掃描角，安裝方便。坡道結(jié)構(gòu)還配有慣性測(cè)量裝置(IMU)，用來(lái)連接處理器 模塊與CPU 電 氣[15]。

1.3 全景相機(jī)

基于3D SLAM 算法的輸電線路激光雷達(dá)移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)還包括支撐全景相機(jī)的豎桿和支撐攝像機(jī)的豎桿，豎桿一端連接支架固定，另一端電源連接全景相機(jī)中央處理器的處理模塊，豎桿高度大于安裝座高度，以保證拍攝到輸電線路全貌。

1.4 三維激光雷達(dá)系統(tǒng)

三維激光雷達(dá)系統(tǒng)由航天器、GPS、激光掃描儀等組成，其結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 三維激光雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

由圖3 可知，航行器的固定機(jī)翼與直升機(jī)構(gòu)成一個(gè)飛行平臺(tái)，慣導(dǎo)系統(tǒng)通過(guò)動(dòng)態(tài)差分全球定位系統(tǒng)接收機(jī)提供飛行器的瞬時(shí)三維坐標(biāo)，并能夠?qū)︼w行器的瞬時(shí)姿態(tài)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，形成系統(tǒng)的定位和慣導(dǎo)測(cè)量系統(tǒng)。用激光掃描儀測(cè)得測(cè)量中心到地面采樣點(diǎn)的距離，該系統(tǒng)分為三個(gè)主要部分：控制、記錄和同步[16]。采用激光回波點(diǎn)的三維坐標(biāo)，可建立高精度的模擬數(shù)字高程模型，實(shí)現(xiàn)地物地形的測(cè)量。

利用激光掃描儀從不同角度向輸電線路發(fā)射多線激光雷達(dá)光束，與掃描面形成傾斜的斜面。若激光掃描儀發(fā)射的多線激光雷達(dá)光束越多，則掃描平面上的傾角將在不同的光束方向上產(chǎn)生一定的傾斜，此時(shí)得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)越多，成像越清晰。以系統(tǒng)標(biāo)定為基礎(chǔ)，采用多線激光雷達(dá)獲取道路兩側(cè)及以上交通標(biāo)志高度，采用單線激光雷達(dá)站點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取高精度輸電線路故障數(shù)據(jù)，大大提高了輸電線路故障數(shù)據(jù)采集質(zhì)量。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

輸電線路激光雷達(dá)移動(dòng)測(cè)量步驟為：

步驟一：在測(cè)量傳輸線運(yùn)動(dòng)時(shí)，設(shè)置激光雷達(dá)與載體剛性相連。

步驟二：將激光雷達(dá)線與傳輸線之間的距離設(shè)為先驗(yàn)高度，并設(shè)定閾值。

步驟三：采用3D SLAM 算法獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

實(shí)時(shí)3D 激光SLAM 算法流程如圖4 所示。

圖4 實(shí)時(shí)3D激光SLAM算法流程

從圖4 中可以看出，關(guān)鍵幀檢測(cè)負(fù)責(zé)把SLAM 過(guò)程表示成位姿圖，通過(guò)后縮非線性優(yōu)化利用非線性最小二乘法對(duì)位姿圖進(jìn)行優(yōu)化。

1）位姿圖表示

以激光雷達(dá)為固定中心，極坐標(biāo)系周圍分布著原始數(shù)據(jù)，如圖5 所示。

圖5 輸電線路三維激光雷達(dá)測(cè)量示意圖

由圖5 可知，假定載波坐標(biāo)與激光雷達(dá)坐標(biāo)重合，各坐標(biāo)數(shù)據(jù)以(di,φi),i∈[0,n-1]符號(hào)表示，以逆時(shí)針方向增大，n表示激光束數(shù)、量角范圍和最大量距。在第一個(gè)激光器中，一個(gè)符號(hào)表示它被測(cè)量的距離，另一個(gè)符號(hào)表示它相對(duì)載體坐標(biāo)的旋轉(zhuǎn)角度。

2）非線性最小二乘法優(yōu)化求解

以圖形為基礎(chǔ)的SLAM 過(guò)程一般可用非線性最小二乘法表示，如式（1）所示：

式（1）中，ei表示函數(shù)。Ωi表示誤差函數(shù)約束，x則表示若干信息量矩陣。采用非線性最小二乘法和泰勒展開法對(duì)誤差函數(shù)進(jìn)行了線性化處理。

步驟四：利用SLAM 算法對(duì)各點(diǎn)的最近鄰點(diǎn)進(jìn)行搜索，獲取最優(yōu)搜索結(jié)果。如果特征值的搜索結(jié)果接近，那么點(diǎn)就在球面上。如果搜索到的特征值差別很大，則說(shuō)明這個(gè)點(diǎn)在平面上。當(dāng)一個(gè)特征值的搜索結(jié)果與其余特征值有很大差異時(shí)，表明該特征值是故障點(diǎn)，以此獲取輸電線路故障點(diǎn)的準(zhǔn)確位置，實(shí)現(xiàn)輸電線路測(cè)量。

3 實(shí)驗(yàn)分析

由于強(qiáng)風(fēng)、暴雨等自然因素的影響或人為破壞，造成傳輸線故障。施工驗(yàn)收過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)情況下造成電力中斷的原因都是在輸電線路通道外的樹木被自然災(zāi)害或人為損壞等落到通道上造成的。在此背景下，對(duì)基于3D SLAM 算法的輸電線路激光雷達(dá)移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析。

3.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)置

在某輸電線路上突然出現(xiàn)故障，經(jīng)人工維修排查到故障情況如圖6 所示。

圖6 某條輸電線路故障情況分析

由圖6 可知，該線路上出現(xiàn)兩個(gè)故障點(diǎn)，采用所提激光雷達(dá)移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，以激光雷達(dá)為固定中心，確定故障點(diǎn)的坐標(biāo)如圖7 所示。

圖7 激光雷達(dá)移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)故障點(diǎn)坐標(biāo)

如圖7 所示，故障點(diǎn)1 坐標(biāo)為（-60，100，-30），故障點(diǎn)2 坐標(biāo)為（100，-80，0）。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

分別使用傳統(tǒng)輸電線路零序阻抗參數(shù)測(cè)量方法、微分環(huán)非接觸式測(cè)量方法和所研究的3D SLAM算法測(cè)量方法對(duì)輸電線路故障點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如圖8 所示。

由圖8 可知，使用輸電線路零序阻抗參數(shù)測(cè)量方法故障點(diǎn)1 坐標(biāo)為（-50，100，-80），故障點(diǎn)2 坐標(biāo)為（60，50，-75）；使用基于微分環(huán)輸電線路非接觸式測(cè)量方法故障點(diǎn)1 坐標(biāo)為（20，100，0），故障點(diǎn)2 坐標(biāo)為（100，-75，0）；使用基于3D SLAM 算法測(cè)量系統(tǒng)故障點(diǎn)1 坐標(biāo)為（-60，100，-30），故障點(diǎn)2 坐標(biāo)為（100，-80，0），實(shí)現(xiàn)結(jié)果證明了所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果精準(zhǔn)。

圖8 3種方式測(cè)量結(jié)果分析

4 結(jié)束語(yǔ)

采用3D SLAM 算法設(shè)計(jì)輸電線路激光雷達(dá)移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，采取以激光雷達(dá)固定中心為中心的極坐標(biāo)系的方法，能夠快速獲得傳輸線區(qū)域的三維地形數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該測(cè)量系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確定位輸電線路故障坐標(biāo)點(diǎn)，提升輸電線路的檢修精度。該方法不僅在輸電線路的驗(yàn)收中發(fā)揮了重要的作用，同時(shí)還可應(yīng)用到數(shù)字化電網(wǎng)輸電線路中，進(jìn)一步豐富所提方法的應(yīng)用多樣性。