基于緩沖算法的無人機電力線傾斜攝影航跡規(guī)劃研究

董選昌 曲烽瑞 張耿斌 李陸林 楊成城

摘 要：針對電力走廊進行巡視或傾斜攝影數(shù)據(jù)采集，需要離電力線保持一種安全側(cè)向距離和高度，進行按航跡沿線自主飛行和反航，航跡的規(guī)劃影響了數(shù)據(jù)覆蓋的范圍，決定了數(shù)據(jù)采集質(zhì)量的好壞。文章基于緩沖算法和傾斜攝影的特點，提出一種新的航跡規(guī)劃方案，以保證單架次單相機傾斜攝影的數(shù)據(jù)能滿足電力桿塔和電力導線的數(shù)據(jù)采集任務(wù)。

關(guān)鍵詞：傾斜攝影；三維建模

由于傾斜影像為用戶提供了更豐富的地理信息、更友好的用戶體驗，該技術(shù)在歐美等發(fā)達國家已經(jīng)廣泛應用于應急指揮、國土安全、城市管理、房產(chǎn)稅收等行業(yè)。但針對電力行業(yè)應用的傾斜攝影仍然存在的各種不足[1]，本文針對電力線進行傾斜攝影數(shù)據(jù)采集，設(shè)置規(guī)范的航拍路徑，確保一個架次往返飛行即可全覆蓋完成數(shù)據(jù)采集任務(wù)。

1 關(guān)鍵技術(shù)與流程

實現(xiàn)輸電線路的數(shù)據(jù)采集，其流程如圖1所示。

1.1 電力線緩沖算法

基于折線進行緩沖區(qū)的算法比較多，本文借鑒傳統(tǒng)的緩沖區(qū)常用算法[2 -3]，和傳統(tǒng)的雙線圓弧算法相同，在凸側(cè)加入圓弧，在凹側(cè)加入線段，同時記錄線段/弧段的前進方向，按順/逆時針順序最終生成一個線段/弧段混合數(shù)組，生成的初始緩沖區(qū)邊界如圖2所示。

交點的計算是整個緩沖區(qū)算法中最為耗時的操作。經(jīng)過求交運算計算出來的交點有些可能位于整個緩沖區(qū)的內(nèi)部，需要予以剔除。經(jīng)過計算交點并剔除在緩沖區(qū)內(nèi)部的交點后。剩下的交點均位于緩沖區(qū)的邊界上，為最終緩沖區(qū)上的點。此時構(gòu)造緩沖區(qū)的策略借鑒采用兩多邊形求并的雙線算法。即從交點集合中選擇一點，沿著前進方向跟蹤，遇到交點則跳轉(zhuǎn)到交點所在的另外一個單元上，如此重復，直到回到該交點[4]。

1.2 相機參數(shù)分析

相機的參數(shù)決定了航跡的高度范圍，當相機足夠高的時候能覆蓋桿塔，但測量的精度又達不到應用的需求，如果相機離桿塔太近又會不滿足覆蓋線路走廊的條件，本文以RX1相機的參數(shù)為例子，其他相機參數(shù)可以以表1-2類推，根據(jù)需要的測繪精度，確定最佳的飛行高度。

RX1相機參數(shù)分析如下，航測可根據(jù)傾斜攝影測量的需要，從表1-2的分析中找到最佳的航拍航跡高度。

（2）覆蓋寬度的分析（見表3）。

（3）安全距離下不同飛行高度的傾斜角。

考慮500kv線路的安全距離（5m）和飛行不確定性（30m），即飛行旁向距離為35m，對不同飛行高度的傾斜角計算如表4所示。

根據(jù)dW=H·tg（dα）計算不同姿態(tài)變化下的側(cè)擺位移，如表5所示。

故：相機傾斜角按15°設(shè)計，當姿態(tài)變化為8°時，覆蓋降低到87m左右，中心偏移18m，有效覆蓋范圍為：87-18=69m，旁向重疊：69/75=92%。

2 實驗分析

以廣東某線路為例進行試驗飛行，采用零度的飛控控制的多懸翼無人機進行起飛降落，進行自主航跡飛行試驗。三維平臺上面，黃色的軌跡為規(guī)劃的實際的三維路線，黑色的軌跡為差分GPS處理后的軌跡信息。差分的高程比實際的高程高出10m左右，其他水平位置誤差基本可忽略。規(guī)劃軌跡如圖4所示，通過實拍的照片如圖5所示，照片位于相機的中心附近，說明該三維航線設(shè)計能滿足巡線的需求，減少飛控手人為的誤操作，實現(xiàn)傻瓜式自主飛行巡線和數(shù)據(jù)采集任務(wù)。

3 結(jié)語

本文利用折線緩沖區(qū)分析方法，通過相機參數(shù)設(shè)置，完整地生成了無人機三維航跡，確保巡視桿塔出現(xiàn)在相機的中心部位，很好地滿足了電力生產(chǎn)的維護的應用。

[參考文獻]

[1]毋河海.關(guān)于GIS緩沖區(qū)的建立問題[J].武漢測繪科技大學學報，1997（4）：358-366.

[2]呂杏兒，黃杏元.基于GIS的緩沖區(qū)生成模型理論和方法[J].科技通報，2000（5）： 12-14.

[3]王亮.GeoWindows中緩沖區(qū)生成的算法[J].遙感信息，1998（Z1）：26-29.

[4]郭達志，盛業(yè)華.地理信息系統(tǒng)原理與應用[M].徐州：中國礦業(yè)大學出版社，2002.

Research on UAV Route Planning for the Inclined Photography Collection Based on Buffer Algorithm

Dong Xuanchang1， Qu Fengrui1， Zhang Gengbin1， Li Lulin1， Yang Chengcheng2（1.Guangzhou Power Supply Bureau， Guangzhou 510315， China； 2.Wuhan Huzoho Technology Co.， Ltd.， Wuhan 430079， China）

Abstract： Inspections are carried out for the power corridors or tilt photography data acquisition， from power lines need to maintain a safe lateral distance and height， carried along by the track and anti-aircraft autonomous flight， trajectory planning affect the scope of data coverage， determines the data collection quality is good or bad. Based buffer algorithm and tilt photography， this paper proposes a new path planning programs to ensure that a single sortie single camera tilt photography data to meet the electricity tower and power conductor data acquisition tasks.

Key words： oblique photography； 3D modeling