無人機(jī)電力線路安全巡檢系統(tǒng)及關(guān)鍵技術(shù)

無人機(jī)電力線路安全巡檢系統(tǒng)及關(guān)鍵技術(shù)

彭向陽1，劉正軍2，麥曉明1，羅智斌2，王柯1，謝小偉2

(1.廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院，廣州 510080；2.中國測(cè)繪科學(xué)研究院，北京 100830)

摘要：近年來架空輸電線路架設(shè)規(guī)模日益擴(kuò)大，由于其覆蓋范圍區(qū)域廣、穿越區(qū)域地形復(fù)雜并且自然環(huán)境惡劣，采用人工定期巡檢的方式越來越不能滿足現(xiàn)代電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的需要。無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展為架空輸電線路巡檢工作提供了新的平臺(tái)，借助無人直升機(jī)，通過遙感技術(shù)應(yīng)用，采用多傳感器集成的方法，可實(shí)現(xiàn)電力線路安全巡檢工作的高效和全自動(dòng)化開展。本文介紹了基于遙感技術(shù)的電力線路安全巡檢系統(tǒng)的基本概念和組成部分，重點(diǎn)分析了主要的關(guān)鍵技術(shù)，包括無人機(jī)飛行姿態(tài)控制、多傳感器間高精度時(shí)間同步、缺陷探測(cè)和智能診斷、機(jī)載傳感器檢校、無線通訊、地面數(shù)據(jù)處理等，將無人直升機(jī)用于電力線路巡檢工作的技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行了較為全面的闡述。

關(guān)鍵詞：電力線路巡檢；多傳感器集成；無人機(jī)；線路缺陷；智能診斷

doi:10.3969/j.issn.1000-3177.2015.01.009

中圖分類號(hào)：TM755文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

收稿日期：2014-02-26

基金項(xiàng)目：高分辨率對(duì)地觀測(cè)重大專項(xiàng)(民用部分)(02-Y30B06-9001-13115);北京市自然科學(xué)基金項(xiàng)目(8144052)。

作者簡(jiǎn)介：李天祺(1990～)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)檫b感植被分類研究。

A Transmission Line Inspection System Based on Remote Sensing：

System and Its Key Technologies

PENG Xiang-yang1，LIU Zheng-jun2，MAI Xiao-ming1，LUO Zhi-bin2，WANG Ke1，XIE Xiao-wei2

(1.ElectricPowerResearchInstituteofGuangdongPowerGridCorporation，Guangzhou510080；

2.ChineseAcademyofSurveyingandMapping，Beijing100830)

Abstract：In recent years，with the fast expanding of the scale of overhead transmission lines，coverage of the power transmission system has being greatly increasing，more and more lines spread into the area of complicated terrain and harsh natural environment.Traditional manual inspection work does not meet the demands of increasing safety and stability of the modern power grid.The newly developed unmanned aerial vehicle (UVA) technoloy provides a neoteric platfrorm to carry out this inspection in addition to the artificial means.With the help of unmanned helicopters，remote sensing applications and multi-sensor integration，it is made achievable that the trasmission line inspection can be carried out more efficiently and fully automated.In this paper，the basic concepts and components of a transmission line inspection system based on remote sensing were introduced.The key technologies in this inspection system，mainly including UAV flight attitude control，precise time synchronization between multiple sensors，defect detection and intelligent diagnostic，airborne sensor calibration，wireless communications，massive data processing and etc.，were also detailed to present a more comprehensive exposition on how to perform transmission line inspteciton work using unmanned helicopters.

Key words：transmission line inspection system；multi-sensor integration；unmanned aerial vehicle (UAV)；line defect；intelligent diagnosis

1引言

架空電力線路覆蓋范圍廣、穿越區(qū)域地形復(fù)雜并且自然環(huán)境惡劣。由于電力線路、桿塔長期在野外暴露，加上機(jī)械張力、材料老化、雷擊、污穢等外界因素影響，容易發(fā)生導(dǎo)地線斷股及腐蝕、絕緣子破損及發(fā)熱、桿塔傾斜、線路走廊安全距離不足等設(shè)備缺陷或通道安全隱患，如不及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理，可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重事故，嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定。電力部門每年都要花費(fèi)巨大的人力和物力資源進(jìn)行巡線工作，以便掌握線路的運(yùn)行狀況，及時(shí)排除線路的潛在隱患。

人工定期巡線是現(xiàn)階段運(yùn)用最廣泛的巡線方法，這種方法不但勞動(dòng)強(qiáng)度大、耗時(shí)多，而且效率低下。受制于地形因素，有些線路段無法人工巡檢。直升機(jī)技術(shù)發(fā)展至今已有20多年，這種方法有著不受地理?xiàng)l件限制、巡線速度快的優(yōu)勢(shì)，但是直升機(jī)電力巡線的飛行技術(shù)屬于精確飛行的范疇，它要求直升機(jī)必須沿著輸電線路的走向隨著導(dǎo)線弧垂的起伏保持相對(duì)穩(wěn)定的間距進(jìn)行飛行。這對(duì)飛行員來說無論是在心理上還是在技術(shù)上都帶來不小的壓力，沒有經(jīng)過專門訓(xùn)練的飛行員很難從事這項(xiàng)飛行業(yè)務(wù)[1]。

無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展為架空電力線路巡檢提供了新的移動(dòng)平臺(tái)。利用無人機(jī)搭載巡檢設(shè)備進(jìn)行巡線，有著傳統(tǒng)巡線方式無法比擬的優(yōu)勢(shì)：①無人駕駛，不會(huì)造成人員傷亡，安全性高；②不受地理?xiàng)l件的限制，即使遇到地震、洪澇等自然災(zāi)害，依然能夠?qū)κ転?zāi)區(qū)域的電力線路進(jìn)行巡檢；③巡線速度快，每小時(shí)可達(dá)幾十公里。雖然無人機(jī)巡線會(huì)受到機(jī)體載重、天氣以及空域申請(qǐng)等條件的限制，但隨著無人機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展和空域管理水平的提高，這些問題都能夠得到解決。將無人機(jī)這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于電力線路巡檢，在無人機(jī)平臺(tái)上集成電子、通信、圖像識(shí)別等多個(gè)領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)，形成一整套無人機(jī)巡檢系統(tǒng)，可以彌補(bǔ)人工巡檢的不足，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸電線路的快速、安全巡檢，具有重要的研究價(jià)值和良好應(yīng)用前景。

無人機(jī)巡檢技術(shù)是最近十年才開始發(fā)展的一門新興技術(shù)，融合了航空、遙感、電子、電力、飛行控制、通信、圖像識(shí)別等多個(gè)高尖技術(shù)領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)起來難度比較大，世界范圍內(nèi)專門研究無人機(jī)用于巡線技術(shù)的并不多。國內(nèi)關(guān)于無人機(jī)巡線研究的報(bào)道比較少，國家電網(wǎng)公司和南方電網(wǎng)公司進(jìn)行過無人直升機(jī)的巡線研究，取得了階段性的成果。研究人員通過對(duì)飛行姿態(tài)控制系統(tǒng)等硬件平臺(tái)開發(fā)和多傳感器軟硬件集成研究，利用無人機(jī)搭載高清相機(jī)和紅外熱成像儀對(duì)線路進(jìn)行拍攝，并通過人工分析視頻和照片，甄別出主要的缺陷和隱患。而在國外，依托已有的先進(jìn)無人機(jī)技術(shù)，相關(guān)研究的重點(diǎn)已經(jīng)轉(zhuǎn)向關(guān)注后續(xù)的圖像識(shí)別和數(shù)據(jù)處理等方面[2-3]，相比之下國內(nèi)的研究水平還較低。

本文在分析無人機(jī)電力巡檢系統(tǒng)研究任務(wù)的基礎(chǔ)上，提出基于遙感技術(shù)的電力線路安全巡檢系統(tǒng)基本框架，重點(diǎn)介紹巡檢系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)，分析巡檢系統(tǒng)軟、硬件集成機(jī)理與可行性[4-5]，并對(duì)無人機(jī)電力巡檢技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)和電網(wǎng)應(yīng)用前景進(jìn)行展望。

2巡檢系統(tǒng)研究的主要任務(wù)

基于遙感技術(shù)的電力線路安全巡檢系統(tǒng)研究是針對(duì)我國高壓、特高壓電力線路日常安全維護(hù)和應(yīng)急處置等業(yè)務(wù)需求，是開展復(fù)雜地形條件下超視距無人機(jī)電力線路安全巡檢系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究，研制無人機(jī)多傳感器集成的電力線路安全巡檢系統(tǒng)裝備，完成現(xiàn)場(chǎng)性能測(cè)試和適應(yīng)性巡檢，實(shí)現(xiàn)典型省級(jí)電網(wǎng)的電力行業(yè)示范應(yīng)用，促進(jìn)我國電網(wǎng)線路安全、高效巡檢和應(yīng)急保障技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步[6]。

基于遙感技術(shù)的電力線路安全巡檢系統(tǒng)研究的主要任務(wù)包括：

(1)研發(fā)用于復(fù)雜地形條件下的超視距無人機(jī)電力線路安全巡檢系統(tǒng)裝置，集成光學(xué)、紅外、紫外、激光掃描等傳感器，解決電力線路走廊無人機(jī)平臺(tái)安全飛行控制和實(shí)時(shí)高效數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}，獲取線路設(shè)施、桿塔及走廊地物的空間位置、幾何及多種影像資料；

(2)構(gòu)建無人機(jī)攝影測(cè)量與遙感數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，以及多傳感器信息融合處理、信息提取與安全診斷的技術(shù)方法、算法和實(shí)用軟件，實(shí)現(xiàn)輸電線路和通道安全隱患和異常的快速識(shí)別、定位和診斷；

(3)開展多批次的無人機(jī)平臺(tái)飛行試驗(yàn)，對(duì)無人機(jī)電力線路安全巡檢系統(tǒng)性能進(jìn)行驗(yàn)證、改良，并逐漸實(shí)現(xiàn)無人機(jī)大規(guī)模電力線路巡檢作業(yè)。

3巡檢系統(tǒng)主要組成

基于遙感技術(shù)的電力線路安全巡檢系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)分為4個(gè)部分：無人機(jī)平臺(tái)及數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)、地面測(cè)控站、數(shù)據(jù)通信鏈路系統(tǒng)，以及地面數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。無人機(jī)巡檢系統(tǒng)主要組成框圖如圖1所示。

3.1無人機(jī)平臺(tái)及多傳感器數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)

該子系統(tǒng)是電力線路巡檢數(shù)據(jù)采集獲取的主要平臺(tái)，包括無人機(jī)飛行平臺(tái)、多傳感器數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)、穩(wěn)定平臺(tái)(伺服系統(tǒng))、定位定姿系統(tǒng)(下簡(jiǎn)稱POS)、自主預(yù)警與避障系統(tǒng)、數(shù)據(jù)編解碼系統(tǒng)等設(shè)備。主要設(shè)備的組成和功能如下：

無人機(jī)飛行平臺(tái)可分為固定翼和旋翼兩類，無人機(jī)飛行平臺(tái)負(fù)責(zé)搭載傳感器系統(tǒng)、穩(wěn)定平臺(tái)、POS、自主預(yù)警與避障系統(tǒng)以及其他必要的機(jī)載設(shè)備。根據(jù)巡檢任務(wù)、飛行距離、飛行速度等具體要求的不同，應(yīng)選擇不同的飛行平臺(tái)，例如開展可見光拍攝的快速巡檢，可選擇小型固定翼無人機(jī)平臺(tái)；又如對(duì)每一基桿塔進(jìn)行包括紅外、紫外、可見光等在內(nèi)的精細(xì)巡檢，且同時(shí)需要具有足夠的飛行距離，則應(yīng)當(dāng)選擇大型的旋翼無人機(jī)平臺(tái)。

圖1　無人機(jī)巡檢系統(tǒng)主要組成框圖

多傳感器數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)的傳感器通?？砂ü鈱W(xué)數(shù)碼相機(jī)、熱紅外成像儀、紫外成像儀、激光掃描儀等。其中，①光學(xué)數(shù)碼相機(jī)用于獲取桿塔、電力線、電力線走廊的光學(xué)影像，用于銷釘缺失、絕緣子爆裂、導(dǎo)地線斷股、金具銹蝕缺失等缺陷、隱患的診斷；②熱紅外成像儀用于輸電線路設(shè)備紅外視頻采集，獲取金具、電力線以及絕緣子等設(shè)備的發(fā)熱狀況；③紫外成像儀用于輸電線路設(shè)備紫外視頻信息采集，用于金具和電力線的異常放電檢測(cè)；④激光掃描儀用于獲取電力線走廊地物的高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)電力線與地面障礙物之間距離以及電力線弧垂等數(shù)據(jù)的檢測(cè)，生成線路走廊真實(shí)三維模型。

穩(wěn)定平臺(tái)用于隔離無人機(jī)飛行作業(yè)時(shí)飛機(jī)的振動(dòng)和外界環(huán)境對(duì)平臺(tái)飛行姿態(tài)的擾動(dòng)，部分穩(wěn)定平臺(tái)還具有目標(biāo)跟蹤功能。采用穩(wěn)定平臺(tái)能夠極大提高目標(biāo)成像質(zhì)量，確保獲得想要、可用的信息，降低無人機(jī)平臺(tái)控制的技術(shù)要求。

POS主要用于無人機(jī)的位置和姿態(tài)信息的實(shí)時(shí)測(cè)定，在基于遙感技術(shù)的電力線路安全巡檢系統(tǒng)中，還用于對(duì)無人機(jī)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行定位標(biāo)記，使得多種傳感器數(shù)據(jù)可以統(tǒng)一到同一個(gè)空間坐標(biāo)系統(tǒng)中，便于開展缺陷、隱患的多源數(shù)據(jù)協(xié)同識(shí)別和診斷，提高識(shí)別的準(zhǔn)確性和自動(dòng)化程度。多次巡檢獲得的數(shù)據(jù)通過空間坐標(biāo)的匹配能夠形成時(shí)間線，便于開展與歷史數(shù)據(jù)的對(duì)比分析。

自主預(yù)警與避障系統(tǒng)通過毫米波雷達(dá)傳感器，對(duì)無人機(jī)飛行前方障礙物目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)，并向無人機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)警以規(guī)避飛行風(fēng)險(xiǎn)。

3.2地面測(cè)控站

地面測(cè)控站子系統(tǒng)主要用于無人機(jī)飛行過程中飛行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)和控制、飛行的領(lǐng)航、傳感器數(shù)據(jù)獲取方式的控制等功能，此外還能對(duì)飛行獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理。該子系統(tǒng)包括無人機(jī)平臺(tái)地面控制系統(tǒng)、多傳感器地面控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)編解碼系統(tǒng)，以及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)等設(shè)備。

3.3數(shù)據(jù)通信鏈路系統(tǒng)

該子系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)通信連接的關(guān)鍵設(shè)備，包括機(jī)載和地面測(cè)控站的信號(hào)接收/發(fā)射設(shè)備以及無人機(jī)通信中繼設(shè)備(包括小型無人機(jī)載體)等。該子系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)保障地面測(cè)控站與無人機(jī)飛行平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)通訊，特別是在地形復(fù)雜的山區(qū)等通訊條件惡劣的環(huán)境下保障無人機(jī)與地面之間的可靠通訊。

數(shù)據(jù)鏈路應(yīng)首先保證無人機(jī)定位定姿數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)下傳和控制命令的上傳，以便完成對(duì)無人機(jī)工作狀態(tài)進(jìn)行跟蹤和控制。數(shù)據(jù)鏈路的傳輸速率根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行定制，一般在4Mbps～8Mbps的速率下，即可實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)下傳，使地面測(cè)控人員直觀了解飛行現(xiàn)場(chǎng)情況。

3.4地面數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

該子系統(tǒng)是后期數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)與應(yīng)用系統(tǒng)，包括多傳感器數(shù)據(jù)預(yù)處理和幾何處理系統(tǒng)，基于激光、光學(xué)、紅外、紫外等多種傳感器的電力線路安全巡檢智能專家系統(tǒng)以及線路走廊的三維可視化系統(tǒng)等。

地面數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)采用攝影測(cè)量、遙感的數(shù)據(jù)處理方法和技術(shù)流程，對(duì)各種影像、點(diǎn)云、視頻、坐標(biāo)、姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行高精度幾何處理。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)電力線、電塔、走廊地物等及其附屬物的特點(diǎn)，通過專家系統(tǒng)的人工智能、模式識(shí)別及多種可視化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)輸電線路和通道缺陷、隱患的判識(shí)、確認(rèn)，快速定位輸電線事故點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)線路安全狀況的及時(shí)診斷和故障排查。

3.5各子系統(tǒng)研發(fā)要求

各系統(tǒng)的軟硬件研發(fā)過程中，需遵循相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范制定有關(guān)技術(shù)方案，各子系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)接口采用業(yè)界通用的接口規(guī)范和文件格式，保證系統(tǒng)的開放性和可擴(kuò)展性。

為保證整體系統(tǒng)的可靠性，各子系統(tǒng)在研發(fā)中將根據(jù)需要安排充分的分系統(tǒng)測(cè)試和試驗(yàn)。在系統(tǒng)集成過程中，需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行包括車載、有人機(jī)載、無人機(jī)載在內(nèi)的模擬試驗(yàn)，盡早發(fā)現(xiàn)各類子系統(tǒng)配合缺陷和隱患。系統(tǒng)集成完成后，還要選定多種典型地形條件開展適應(yīng)性巡檢測(cè)試，驗(yàn)證系統(tǒng)整體工作能力。

4巡檢系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

基于遙感技術(shù)的電力線路安全巡檢系統(tǒng)中，無人機(jī)平臺(tái)(含避障系統(tǒng))、地面測(cè)控站、數(shù)據(jù)通訊鏈路等技術(shù)已經(jīng)較為成熟，無人機(jī)平臺(tái)等子系統(tǒng)已經(jīng)可以進(jìn)行商業(yè)化生產(chǎn)。但是在巡檢系統(tǒng)中應(yīng)用遙感技術(shù)，特別是多種傳感器集成和后期數(shù)據(jù)處理方面，國內(nèi)的研究還處于摸索階段，下面將就研究中應(yīng)著重關(guān)注的若干關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行闡述。

4.1飛行姿態(tài)控制技術(shù)

無人機(jī)巡線時(shí)離輸電線路較近，又常常受強(qiáng)風(fēng)、降雨等氣候因素的影響。為了保證無人機(jī)和線路的安全，飛行姿態(tài)的控制就顯得尤其重要。文獻(xiàn)[7]介紹了一種無人機(jī)飛行姿態(tài)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用LQG控制器實(shí)現(xiàn)飛機(jī)俯仰翻轉(zhuǎn)姿態(tài)的控制，利用PID控制器進(jìn)行偏行控制。系統(tǒng)的高魯棒性已經(jīng)得到驗(yàn)證，當(dāng)無人機(jī)空中懸停時(shí)，用繩索強(qiáng)行拉動(dòng)機(jī)體，控制系統(tǒng)仍然可以正常工作。

4.2多傳感器高精度時(shí)間同步

多傳感器集成聯(lián)合應(yīng)用，需要將同一時(shí)刻各傳感器獲得的測(cè)量數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)起來，特別是在利用CCD影像進(jìn)行立體測(cè)圖時(shí)，必須知道CCD曝光采集時(shí)刻攝站點(diǎn)的位置及姿態(tài)。關(guān)聯(lián)應(yīng)用的關(guān)鍵是建立一種統(tǒng)一的時(shí)間坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)傳感器的高精度時(shí)間同步[8]。

GPS接收機(jī)最普遍的功能是輸出定位數(shù)據(jù)(含UTC時(shí)間)和1PPS脈沖，脈沖邊沿和輸出定位數(shù)據(jù)時(shí)刻對(duì)應(yīng)，據(jù)此可以設(shè)計(jì)授時(shí)型GPS和時(shí)間同步控制器，實(shí)現(xiàn)各傳感器數(shù)據(jù)的同步記錄。方法如下：①將GPS輸出的時(shí)間信號(hào)和PPS信號(hào)引入至?xí)r間同步控制器，對(duì)時(shí)間同步控制器進(jìn)行對(duì)時(shí)。②同步控制器先給激光掃描儀授時(shí)，掃描儀在接收到PPS信號(hào)后，將秒計(jì)數(shù)清零，從而獲得精確至微秒的時(shí)間。③同步控制器同時(shí)觸發(fā)各相機(jī)曝光，并將曝光時(shí)刻發(fā)送至計(jì)算機(jī)記錄下來。通過這種方法可將POS、CCD相機(jī)、激光掃描儀數(shù)據(jù)的時(shí)間都為統(tǒng)一到GPS時(shí)間，達(dá)到多數(shù)據(jù)源時(shí)間基準(zhǔn)統(tǒng)一的目的[9]。

4.3線路缺陷、隱患探測(cè)技術(shù)

為查找電力線路缺陷和隱患，主要的探測(cè)技術(shù)主要有以下三個(gè)方面。

4.3.1視覺探測(cè)

視覺探測(cè)即可見光探測(cè)。利用無人機(jī)搭載高清相機(jī)和高清攝像機(jī)，拍攝巡線圖片和視頻，實(shí)時(shí)傳輸?shù)降孛婊净虼鎯?chǔ)下來，再由地面數(shù)據(jù)處理中心的智能專家系統(tǒng)或者基站工作人員根據(jù)圖像和視頻中線路的外觀確定是否發(fā)生故障。視覺探測(cè)能有效發(fā)現(xiàn)線路表面的顯性故障，例如導(dǎo)線的斷股、異物懸掛；桿塔的變形、金具松脫；絕緣子的破損、閃絡(luò)等故障。探測(cè)識(shí)別的精度和判斷準(zhǔn)確度取決于圖像的質(zhì)量。

4.3.2紅外和紫外探測(cè)技術(shù)

紅外熱成像儀能夠攝取表面溫度超過周圍環(huán)境溫度的異常溫升點(diǎn)的紅外光譜圖像，從圖像上可以判斷出線路、接頭、線夾、絕緣子等設(shè)備是否存在故障所導(dǎo)致的發(fā)熱點(diǎn)[10]。在無人機(jī)巡檢應(yīng)用中，需要重點(diǎn)進(jìn)行復(fù)雜背景下紅外圖像中設(shè)備熱點(diǎn)識(shí)別與熱點(diǎn)溫度測(cè)試準(zhǔn)確度提升的研究工作。

紫外成像儀能夠接收線路設(shè)備因放電產(chǎn)生的紫外光訊號(hào)，并形成圖像顯示在屏幕上，從圖像上可以確定電暈的位置和強(qiáng)度。通過紫外成像，能夠有效探測(cè)出導(dǎo)線外傷、絕緣子放電、污染等存在放電現(xiàn)象的線路故障[11]，但仍然需要解決太陽光和人造光源干擾的問題，并設(shè)計(jì)恰當(dāng)?shù)倪\(yùn)動(dòng)中放電位置跟蹤和放電強(qiáng)度定量分析方法。

4.3.3激光雷達(dá)探測(cè)技術(shù)

由于激光的單色性和相干性好，方向性較強(qiáng)，可以用激光對(duì)角度、距離、長度等度量實(shí)行精確地檢測(cè)和計(jì)量。在激光測(cè)距方面，主要分為連續(xù)波相位式測(cè)距和脈沖式測(cè)距，其中脈沖式激光測(cè)距通過激光脈沖的發(fā)射和接收時(shí)間精確測(cè)定出目標(biāo)距離。將激光雷達(dá)應(yīng)用到巡線工作中，通過掃描線路走廊，可獲得大量的高精度的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再配合高分辨率的航空數(shù)碼影像，可以對(duì)線路走廊地形進(jìn)行高精度三維建模[12]。此外，通過激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)還能精確計(jì)算出輸電線路與樹木、建筑物等的距離，實(shí)現(xiàn)樹障等安全距離不足缺陷的快速定位。在無人機(jī)電力線路巡檢工作中，需要重點(diǎn)關(guān)注無人機(jī)平臺(tái)的任務(wù)載荷以及GPS數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性問題。

4.4基于多源控制信息的機(jī)載激光掃描儀各項(xiàng)系統(tǒng)參數(shù)檢校

測(cè)量系統(tǒng)會(huì)受到多種誤差源的影響，其測(cè)距精度與激光掃描儀單機(jī)測(cè)距精度、系統(tǒng)集成與組合導(dǎo)航精度、系統(tǒng)間的相對(duì)關(guān)系精度等因素有關(guān)。因此，機(jī)載激光掃描儀的檢校分為單機(jī)檢校和綜合檢校，其中最重要的是單機(jī)檢校。單機(jī)檢校主要包括：①統(tǒng)計(jì)單機(jī)自身參數(shù)對(duì)測(cè)距的影響；②統(tǒng)計(jì)不同灰度的測(cè)距離散度；③不同距離的測(cè)距乘常數(shù)和加常數(shù)的試驗(yàn)測(cè)定三個(gè)方面，具體闡述如下。

(1)單機(jī)自身參數(shù)對(duì)測(cè)距的影響

(1)

其中，d(單位：cm)為點(diǎn)云密度，D(單位：cm)為掃描光斑直徑，W(單位：m)為掃描帶寬，L(單位：m)為掃描距離，θ(單位：rad)為掃描半角，f(單位：kHz)為掃描頻率，P為角分辨率(單位：rad)。試驗(yàn)時(shí)分別設(shè)置不同的激光器參數(shù)，包括掃描頻率、重復(fù)頻率、掃描半角、二級(jí)管電流、最大回波等。改變激光的掃描參數(shù)，比較測(cè)距結(jié)果，并將測(cè)距結(jié)果與全站儀測(cè)距結(jié)果比較，可得出激光自身不同參數(shù)的設(shè)置對(duì)激光測(cè)距的影響，從而找到最佳的參數(shù)組合。

(2)不同灰度的測(cè)距離散度

由于激光測(cè)距原理不是相位測(cè)量，而是根據(jù)發(fā)射與接收時(shí)間差來進(jìn)行距離計(jì)算，這導(dǎo)致不同灰度下測(cè)距離散度不同。此測(cè)試項(xiàng)目分別統(tǒng)計(jì)在不同灰度下激光器所有返回點(diǎn)的距離平均值，采用距離中誤差分析不同灰度值的測(cè)距離散度，通過分析不同灰度對(duì)距離測(cè)量的影響，得到與灰度相關(guān)的距離修正系數(shù)。一般情況下，對(duì)于不同的灰度值，距離中誤差越小，也就意味著激光掃描儀的測(cè)距離散度越小，精度越高。

(3)不同距離的測(cè)距乘常數(shù)和加常數(shù)

加常數(shù)來自于電路的固定延遲時(shí)間所造成。乘常數(shù)值比較小，誤差來源還有待于驗(yàn)證，可能也會(huì)與灰度的原因有關(guān)。加常數(shù)是與距離無關(guān)的一個(gè)數(shù)值，而乘常數(shù)只與距離大小有關(guān)。因此布置不同距離的控制點(diǎn)，用全站儀測(cè)定其坐標(biāo)，利用掃描頭坐標(biāo)來計(jì)算掃描頭到各控制點(diǎn)的距離。對(duì)激光測(cè)得的距離和全站儀測(cè)得的距離用最小二乘來擬合，求取加、乘常數(shù)。其中測(cè)距加常數(shù)、乘常數(shù)所采用的計(jì)算公式如下：

LQ=LL+ΔL

ΔL=K0+KSL

(2)

其中，LQ為全站儀測(cè)得的標(biāo)志點(diǎn)到掃描頭中心的距離，LL為掃描儀測(cè)得的標(biāo)志點(diǎn)到掃描頭中心的距離，ΔL為距離改正數(shù)，K0為加常數(shù)，KS為乘常數(shù)。利用標(biāo)測(cè)出的測(cè)距加常數(shù)、乘常數(shù)可以進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化工作。

4.5無線通訊技術(shù)

無線通訊技術(shù)(又稱無人機(jī)測(cè)控技術(shù))是指對(duì)無人機(jī)進(jìn)行遙控、遙測(cè)、跟蹤定位和信息傳輸?shù)募夹g(shù)。其中，遙控是指對(duì)無人機(jī)飛行狀態(tài)和設(shè)備狀態(tài)的控制，遙測(cè)是指對(duì)無人機(jī)飛行狀態(tài)和設(shè)備狀態(tài)參數(shù)的測(cè)量，跟蹤定位是指對(duì)無人機(jī)實(shí)時(shí)連續(xù)的位置測(cè)量，信息傳輸是指無人機(jī)任務(wù)載荷傳感器信息的傳輸[13]。

無線通訊系統(tǒng)由機(jī)載模塊、中繼模塊(可選)和地面站模塊三部分組成[14]。其中各部分接收發(fā)送天線和通訊模塊宜采用定制或自主研發(fā)的方式實(shí)現(xiàn)。中繼模塊可以固定裝設(shè)在線路桿塔附近，也可以通過中繼無人機(jī)搭載，其中中繼無人機(jī)可通過購置和改裝成熟飛行平臺(tái)實(shí)現(xiàn)。中繼設(shè)備的安裝方式將直接影響無人機(jī)的任務(wù)規(guī)劃設(shè)計(jì)。

4.6地面數(shù)據(jù)處理技術(shù)

地面數(shù)據(jù)處理中心采用攝影測(cè)量、遙感的數(shù)據(jù)處理方法和技術(shù)流程，自主研發(fā)激光、相機(jī)、紅外成像儀、紫外成像儀、POS系統(tǒng)等多種傳感器獲取的影像、點(diǎn)云、視頻、坐標(biāo)、姿態(tài)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多種數(shù)據(jù)的高精度幾何處理。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)電力線、電塔、走廊地物等及其附屬物的特點(diǎn)，開發(fā)無人機(jī)多傳感器電力線路安全巡檢智能專家系統(tǒng)，通過專家系統(tǒng)、人工智能、模式識(shí)別及多種可視化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)輸電線路和通道安全隱患和異常的判識(shí)、確認(rèn)，快速定位輸電線事故點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)線路安全狀況的及時(shí)診斷和故障排查。

其中，飛行控制技術(shù)將設(shè)計(jì)的飛行路線地理位置、相機(jī)曝光點(diǎn)位置、傳感器的最佳參數(shù)等存為無人機(jī)平臺(tái)、多傳感器數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)可以讀取的文件格式，以便飛行控制系統(tǒng)軟件和多傳感器控制軟件能讀取相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行工作[15]。

多傳感器控制技術(shù)將多種傳感器獲取的相機(jī)、紅外成像儀、紫外成像儀、激光、POS系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為業(yè)界通用的圖像、視頻、點(diǎn)云、坐標(biāo)序列和傳感器工作狀態(tài)及參數(shù)文件格式，實(shí)現(xiàn)光學(xué)影像、紅外視頻、紫外視頻、點(diǎn)云的快速存檔。

多傳感器數(shù)據(jù)幾何處理技術(shù)需要讀取存儲(chǔ)的多種傳感器獲取的影像、點(diǎn)云、視頻、坐標(biāo)、姿態(tài)數(shù)據(jù)，處理系統(tǒng)，采用攝影測(cè)量、遙感的數(shù)據(jù)處理算法和技術(shù)流程，實(shí)現(xiàn)多種數(shù)據(jù)的高精度幾何處理和時(shí)間、空間配準(zhǔn)[16-18]。

在此基礎(chǔ)上，多傳感器電力線路安全巡檢智能專家技術(shù)將針對(duì)經(jīng)空間配準(zhǔn)的多種傳感器數(shù)據(jù)產(chǎn)品，針對(duì)電力線、電塔、走廊地物等及其附屬物的特點(diǎn)，通過專家系統(tǒng)、人工智能、模式識(shí)別及多種可視化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)輸電線路和通道安全隱患和異常的判識(shí)、確認(rèn)，快速定位輸電線事故點(diǎn)，輸出線路安全狀況診斷和故障排查報(bào)告，并以報(bào)表文件格式存儲(chǔ)[19-20]。

4.7多條帶點(diǎn)云數(shù)據(jù)高精度配準(zhǔn)與拼接

在不考慮單條帶內(nèi)部變形前提下，可采用7參數(shù)空間相似變換模型進(jìn)行條帶間系統(tǒng)偏差擬合。在無人機(jī)輸電線路巡檢系統(tǒng)中，采用重疊區(qū)域共軛點(diǎn)間歐氏距離作為條帶平差數(shù)學(xué)模型，通過定義不同共軛點(diǎn)對(duì)應(yīng)規(guī)則，從而實(shí)現(xiàn)相鄰條帶間正形變換參數(shù)的最似然估計(jì)。中國測(cè)繪科學(xué)研究院LidarStation系統(tǒng)的條帶平差模塊是一個(gè)全自動(dòng)數(shù)據(jù)處理模塊，通過設(shè)定合理閾值參數(shù)，便可獲得相應(yīng)的平差配準(zhǔn)參數(shù)。具體技術(shù)路線如圖2所示。

圖2　條帶配準(zhǔn)拼接技術(shù)路線

4.8海量點(diǎn)云全自動(dòng)DSM、DEM生成技術(shù)

機(jī)載激光點(diǎn)云濾波分類是將激光雷達(dá)掃描儀掃描出的點(diǎn)云分為地面點(diǎn)和非地面點(diǎn)的過程，即將地面點(diǎn)從整個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)中分離出來的過程。高精度地分離地面點(diǎn)與非地面點(diǎn)是DEM生成的關(guān)鍵，是相關(guān)學(xué)術(shù)領(lǐng)域關(guān)注的前沿問題。目前，具有代表性的濾波算法大概可以分為以下幾類：①以形態(tài)學(xué)為基礎(chǔ)的濾波算法；②以坡度為基礎(chǔ)的濾波算法；③迭代最小二乘線性內(nèi)插濾波算法；④基于三角網(wǎng)加密的點(diǎn)云濾波算法；⑤以掃描線為基礎(chǔ)的濾波算法；⑥基于移動(dòng)曲面擬合的濾波算法等。

在無人機(jī)輸電線路巡檢系統(tǒng)中，飛行中采集的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過粗差剔除、條帶配準(zhǔn)拼接、數(shù)據(jù)分塊與條帶消冗等過程即可生成高質(zhì)量DSM，以為后續(xù)處理中的電線、電塔等的提取與建模提供可靠的源數(shù)據(jù)。對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波分類、格網(wǎng)插值和進(jìn)一步柵格化，即可生成高質(zhì)量DEM。

4.9基于GPGPU模型與百核級(jí)集群技術(shù)的正射影像采集

目前航空航天影像的正射糾正過程都是利用CPU以串行方式對(duì)影像進(jìn)行投影變換和重采樣(如線性內(nèi)插)。近年來傳感器技術(shù)的進(jìn)步帶來的是海量數(shù)據(jù)的處理需求，傳統(tǒng)的基于CPU串式影像正射糾正不能夠滿足目前對(duì)快速正射影像的生產(chǎn)的要求。目前解決快速正射影像糾正多采用分布式集群的方式利用多機(jī)器CPU進(jìn)行處理，這樣雖然可以提高系統(tǒng)處理正射影像的速度，但由于受多機(jī)I/O的限制，分布式正射影像生產(chǎn)能夠提高的速度有限，同時(shí)也提高了單位正射影像生產(chǎn)成本。

在基于遙感技術(shù)的電力線路安全巡檢系統(tǒng)中，通過一定的處理方法，將傳統(tǒng)正射糾正過程中影像投影變換以及影像采樣這類的任務(wù)映射到GPU支持的圖形繪制流水線上，充分利用GPU強(qiáng)大的并行處理能力和高帶寬的數(shù)據(jù)傳輸能力實(shí)現(xiàn)航空航天遙感影像的快速正射糾正。利用本方法，可以使得正射糾正速度比在傳統(tǒng)CPU上進(jìn)行處理要快10倍以上，從而可以實(shí)現(xiàn)航空航天遙感影像準(zhǔn)實(shí)時(shí)正射糾正[22-23]。

5結(jié)束語

將無人機(jī)技術(shù)應(yīng)用于電力線路巡檢，包括融合電子、通信、圖像識(shí)別等多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域，形成一整套的無人機(jī)巡線系統(tǒng)，可以大大減輕電力巡線的人力投入，同時(shí)又能快速、安全地對(duì)線路實(shí)施巡檢，是一個(gè)很有前途的研究方向，并且具有重要的實(shí)用價(jià)值[21-23]。

無人機(jī)機(jī)身輕巧，并裝載有先進(jìn)的航測(cè)系統(tǒng)，和有人機(jī)相比，受陰、雨、霧等天氣的限制較小[19]。這些優(yōu)越的性能使無人機(jī)成為電力巡檢更為有效的工具。無人機(jī)巡線還可以通過系統(tǒng)的任務(wù)規(guī)劃和智能診斷等軟件系統(tǒng)提高巡檢作業(yè)質(zhì)量和科技水平，增強(qiáng)電力生產(chǎn)自動(dòng)化綜合能力，創(chuàng)造更高的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益[24]。

目前雖然采用無人機(jī)巡線受到航空申請(qǐng)、機(jī)體載重和天氣惡劣等條件限制，但隨著我國低空空域開放和管理進(jìn)步，以及無人機(jī)技術(shù)的持續(xù)、高速發(fā)展，這些問題都能夠得到有效解決[25-26]。

無人機(jī)巡線有兩個(gè)值得關(guān)注的發(fā)展趨勢(shì)：①采用多傳感器集成的巡線無人機(jī)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)多種巡檢方式。這要求無人機(jī)具有更大的載重，但不可避免地會(huì)帶來體積較大及控制過于復(fù)雜的缺點(diǎn)。②采用微型單傳感器的巡線無人機(jī)。通過多個(gè)攜帶不同故障探測(cè)儀器的微型無人機(jī)協(xié)調(diào)配合，也能完成巡線工作。由于機(jī)體很小，可以更加接近線路，獲取更清晰的巡線圖像。

參考文獻(xiàn)：

[1]沈光陞，趙新波.直升機(jī)電力巡線技術(shù)[J].電力建設(shè)，2008，29(10)：35-37.

[2]李力.無人機(jī)輸電線路巡線技術(shù)及其應(yīng)用研究[D].長沙理工大學(xué)，2012.

[3]成剛，楊隨虎.無人機(jī)機(jī)載光電系統(tǒng)綜述[J].應(yīng)用光學(xué)，2005，26(4)：1-4.

[4]宋斌.基于地理信息系統(tǒng)技術(shù)的電力線路巡檢系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].電子科技大學(xué)，2011.

[5]陳天恩，長井正彥，柴崎亮介，等.帶有差分GPS的多傳感器無人直升機(jī)航測(cè)遙感系統(tǒng)[J].測(cè)繪科學(xué)，2012，37(1)：158-160，184.

[6]厲秉強(qiáng)，王騫，王濱海，等.利用無人直升機(jī)巡檢輸電線路[J].山東電力技術(shù)，2010，(1)：1-4.

[7]TAVARES L，SEQUEIRAJ S，PAIS R.RIOL—robotic inspection over power lines[C].Toulouse，F(xiàn)rance：6th IFAC Symposium on Intelligent Autonom Vehicles，2007.

[8]CAMPOY P，GARCIA P J，BARRIENTOS A，et al.An stereoscopic vision system guiding an autonomous helicopter for overhead power cable inspection[M].Robot Vision.Springer Berlin Heidelberg，2001：115-124.

[9]徐衛(wèi)明，舒嶸.利用GPS接收機(jī)實(shí)現(xiàn)多傳感器同步工作的兩種方法[J].遙感技術(shù)與應(yīng)用，2003，18(6)：404-406.

[10]沈光陞，趙新波.直升機(jī)電力巡線技術(shù)[J].電力建設(shè)，2008，29(10)：35-37.

[11]戴利波.紫外成像技術(shù)在高壓設(shè)備帶電檢測(cè)中的應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2003，27(20)：97-98.

[12]張險(xiǎn)峰，陳功，龍維，等.激光雷達(dá)直升機(jī)巡線技術(shù)的現(xiàn)狀與應(yīng)用前景[J].電力建設(shè)，2008，29(3)：40-43.

[13]AHN Y W，KIM D，DARE P，et al.Estimation of troposphere decorrelation using the combined zenith-dependent parameter[C].Proceedings of ION GNSS，2008.

[14]MEJIAS L，CORREA J F，MONDRAGóN I，et al.COLIBRI：a vision-guided UAV for surveillance and visual inspection[C].Robotics and Automation，2007 IEEE International Conference on.IEEE，2007：2760-2761.

[15]DENTON R V，JONES J E，F(xiàn)ROEBERG P L.Demonstration of an innovative technique for terrain following/terrain avoidance-the dynapath algorithm[C].IEEE Proceedings of the National Aerospace and Electronics Conference，1985：522-529.

[16]NIKOLAIDIS R.Observation of geodetic and seismic deformation with the global positioning system[D].AA(University of California，San Diego)，2002.

[17]DORR D W.Rotary-wing aircraft terrain following terrain avoidance system development[R].AIAA-86-2147，1986.

[18]張建霞，王留召，王寶山，等.小型數(shù)碼航空攝影測(cè)量應(yīng)用初探[J].測(cè)繪科學(xué)，2006，31(6)：85-86.

[19]羅志清，張惠榮，吳強(qiáng)，等.機(jī)載LiDAR技術(shù)[J].國土資源信息化，2006，(2)：20-25.

[20]晏磊，呂書強(qiáng)，趙紅穎，等.無人機(jī)航空遙感系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2004，37(6)：67-70.

[21]EL-HAKIM S F，BRENNER C，ROTHA G.A multi-sensor approach to creating accurate virtual environments[J].JSPRS Journal of Photogrammetry & Remote Sensing，1998：379-391.

[22]RUSINKIEWICZ S，LEVOY M.A multiresolution point rendering system for largeMeshes[J].In SIGGRAPH，2000，343-352.

[23]LEVOY M，PULLI K，CURLESS B，RUSINKIEWICZ S.The digital michelangelo project：3Dscanning of large statues[J].In SIGGRAPH，2000：131-144.

[24]HUBER D，CARMICHAEL O，HEBERT M.3D map reconstruction from range data[J].In International Conference on Robotics and Automation，2000：891-897.

[25]STAMOS I，ALLEN P E.3-D Model construction using range and image data[J].In Proceedings of IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition，2000，(1)：531-536.

[26]YU Y，F(xiàn)ERENCZ A，MAILK J.Extracting objects from range and radiance images[J].IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics，2001，7(4)：351-364.

E-mail：201221190002@mail.bnu.edu.cn