輸電線路無人機超視距巡視智能操控系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用

王金城 陳清江

【摘 要】受輸電線路所處地形條件的限制，無人機飛手在進(jìn)行超視距電力巡檢時，難以及時準(zhǔn)確地判斷無人機的飛行狀況，嚴(yán)重影響無人機的飛行安全和作業(yè)效率。本文運用無人機低空遙感技術(shù)，自主研發(fā)了一款能在視距外飛行的可視化輔助系統(tǒng)——輸電線路無人機超視距巡視智能操控系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有航線自動規(guī)劃、一鍵起飛、自主作業(yè)、自動返航、斷點續(xù)飛、智能避障等特點，內(nèi)置多種智能業(yè)務(wù)化作業(yè)模式，無需人工干預(yù)，即可實現(xiàn)輸電線路的超視距智能巡視。利用該系統(tǒng)的點云采集模塊對中山市沙溪鎮(zhèn)110kV的輸電線路進(jìn)行超視距測試應(yīng)用，結(jié)果表明，無人機作業(yè)安全，獲取的點云數(shù)據(jù)質(zhì)量高、精度高、燥點少。

【關(guān)鍵詞】輸電線路；無人機；電力巡檢；超視距巡視；智能操控系統(tǒng)

中圖分類號： TM755 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）32-0005-004

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.32.002

【Abstract】Due to the limitation of the terrain conditions of the transmission line， it is difficult for the UAV flying hand to judge the flight condition of the UAV in time and accurately during the over-the-horizon power inspection， which seriously affects the flight safety and operation efficiency of the UAV. In this paper， the UAV low-altitude remote sensing technology is used to independently develop a visual aid system that can fly outside the line of sight——Transmission Line UAV Over-the-Horizon Patrol Intelligent Control System. The system has the characteristics of automatic route planning， one-button take-off， autonomous operation， automatic return flight， breakpoint continuous flight， intelligent obstacle avoidance， etc. The system built-in multiple intelligent business operation modes， which can realize the over-the-horizon of the transmission line without manual intervention Smart patrol. The point cloud acquisition module of the system is used to test the over-the-horizon patrol of the 110kv transmission line in Shaxi Town， Zhongshan City. The results show that the UAV operation is safe， and the acquired point cloud data has high quality， high precision and less dry spots.

【Key words】Transmission line； UAV； Power inspection； Over-the-horizon inspection； Intelligent control system

0 引言

隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展，高等級、長距離輸電線路越來越多，輸電線路分布點多、面廣，所處地形復(fù)雜，自然環(huán)境惡劣，使得電力巡檢的難度不斷加大，傳統(tǒng)的人工巡檢已無法滿足當(dāng)前的作業(yè)需求[1-3]。無人機技術(shù)的發(fā)展和通航領(lǐng)域政策的逐步放開，有效地解決了電力巡檢的難題，推進(jìn)了傳統(tǒng)人工巡檢模式向機巡模式的轉(zhuǎn)變[4-5]。南方電網(wǎng)“十三五”規(guī)劃明確提出，要全面推行“機巡+人巡”的巡線模式，并在2020年底基本實現(xiàn)“機巡為主、人巡為輔”的協(xié)同巡檢目標(biāo)[6]。

隨著無人機市場的不斷擴大和無人機電力巡檢應(yīng)用的不斷深入，多旋翼無人機現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于架空輸電線路巡視作業(yè)[7-8]。無人機飛手通常是在通訊控制的有效范圍內(nèi)通過目測及實時圖傳信息來判斷飛行的環(huán)境，從而手動控制安全飛行，但由于電力巡檢作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，在線路桿塔處于無人機飛手視距范圍外、跨越河流、山脈等作業(yè)環(huán)境時，單憑無人機自帶攝像頭傳回的實時圖像信息難以及時準(zhǔn)確判斷飛機航向、無人機與障礙物間距離等威脅安全飛行的環(huán)境狀況，無法提前預(yù)判并及時調(diào)整無人機飛行狀態(tài)，成為制約無人機超視距作業(yè)的關(guān)鍵難點之一，嚴(yán)重影響了飛行安全與作業(yè)效率[9-10]。目前，輸電線路無人機超視距飛行巡視尚無有效的輔助飛行作業(yè)系統(tǒng)。因此，本文基于無人機電力巡檢作業(yè)的持點，自主研發(fā)一款能在視距外飛行的可視化輔助系統(tǒng)，以降低無人機沿線飛行時啟停次數(shù)，方便操作手實時監(jiān)控?zé)o人機飛行狀態(tài)，提高飛行效率及可靠性。

1 系統(tǒng)研發(fā)

1.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

輸電線路無人機超視距巡視智能操控系統(tǒng)根據(jù)無人機電力巡檢作業(yè)的持點，采用分層式的設(shè)計理念，從數(shù)據(jù)傳遞層面上將系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)存儲與傳輸層、數(shù)據(jù)處理層，三個層次協(xié)調(diào)運行以對作業(yè)現(xiàn)場進(jìn)行智能監(jiān)管，實現(xiàn)輸電線路無人機超視距的安全巡檢，系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

1.1.1 數(shù)據(jù)采集層

數(shù)據(jù)采集層是整個系統(tǒng)的底層，主要由無人機及其搭載的數(shù)據(jù)采集裝置及相關(guān)設(shè)備組成，負(fù)責(zé)采集施工現(xiàn)場的實時影像信息，通過多種通訊方式將采集的數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)存儲與傳輸層。數(shù)據(jù)采集層設(shè)備主要由無人機構(gòu)成，其上搭載有傳感器、GPS導(dǎo)航模塊、復(fù)含避障模塊等裝置，其中傳感器可實現(xiàn)對作業(yè)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集，而無人機通過搭載導(dǎo)航模塊和避障模塊，可以實現(xiàn)其自主導(dǎo)航以及智能避障功能，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的無人化控制。

1.1.2 數(shù)據(jù)存儲與傳輸層

數(shù)據(jù)存儲與傳輸層在整個系統(tǒng)中起到承上啟下的作用，主要負(fù)責(zé)作為數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)站將無人機采集到的數(shù)據(jù)傳輸回?zé)o人機超視距巡視智能操控系統(tǒng)，以便無人機超視距巡視智能操控系統(tǒng)能實時監(jiān)控?zé)o人機的實時狀態(tài)。

1.1.3 數(shù)據(jù)處理層

數(shù)據(jù)處理層主要負(fù)責(zé)用數(shù)據(jù)處理軟件來處理無人機采集得到的影像資料，得到作業(yè)現(xiàn)場的二維數(shù)據(jù)或三維數(shù)據(jù)，實現(xiàn)二維影像數(shù)據(jù)分析以及三維影像數(shù)據(jù)生成及測量等。

1.2 系統(tǒng)開發(fā)與部署

輸電線路無人機超視距巡視智能操控系統(tǒng)是基于Android操作系統(tǒng)和大疆SDK自主研發(fā)的、針對輸電線路超視距巡檢作業(yè)特點深度定制的無人機智能操作系統(tǒng)。系統(tǒng)開發(fā)部署包括可行性評估、產(chǎn)品原型、產(chǎn)品界面設(shè)計與框架搭建、規(guī)范設(shè)計及功能實現(xiàn)、產(chǎn)品測試、產(chǎn)品上線及方案優(yōu)化等內(nèi)容。

系統(tǒng)運用無人機低空遙感技術(shù)，基于傳遞函數(shù)模型，利用根軌跡方法，按照“由內(nèi)到外”的順序依次設(shè)計內(nèi)、外回路的增益，來完成復(fù)雜地形條件下長距離、超視距多旋翼微型無人機自動控制。其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

1.3 系統(tǒng)功能

輸電線路無人機超視距巡視智能操控系統(tǒng)具有KML文件導(dǎo)入、航飛參數(shù)設(shè)置、自動航線規(guī)劃、一鍵式起降、自主作業(yè)、智能安全檢查、實時圖傳、天氣預(yù)報、智能避障等功能，內(nèi)置正射影像、傾斜攝影、樹障巡視、點云采集等多種智能業(yè)務(wù)化作業(yè)模式，無需人工干預(yù)，即可實現(xiàn)輸電線路無人機超視距智能化巡視，減少人工操作，降低職業(yè)門檻，保證飛行安全，減少事故率。系統(tǒng)還接入了中國氣象大數(shù)據(jù)，能夠?qū)θ我夂斤w區(qū)域進(jìn)行實況天氣分鐘級預(yù)測和一周內(nèi)天氣預(yù)報，保障作業(yè)安全。

1.3.1 正射影像模塊

正射影像模塊主要用于正射數(shù)據(jù)的采集，支持矩形和多邊形航飛區(qū)域的繪制和航線自動規(guī)劃功能，可對航飛區(qū)域進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、平移、放大、縮小等操作，可任意選擇航線進(jìn)行斷點續(xù)飛。提供飛行區(qū)域大小提示功能，顯示飛行范圍的大小以及完成該范圍預(yù)計需要的時間，并通過顏色來提示是否超出安全飛行范圍，其中黃色表示需要注意飛行，紅色表示無法飛行。

1.3.2 傾斜影像模塊

傾斜攝影模塊主要用于三維傾斜影像數(shù)據(jù)的采集，支持矩形和多邊形航飛區(qū)域的繪制以及5個架次的多邊形航線規(guī)劃功能，可任意選擇航線進(jìn)行斷點續(xù)飛。具有飛行區(qū)域大小提示功能，支持旁向重疊度、航向重疊度、航線高度、測繪基準(zhǔn)面高度等航飛參數(shù)的設(shè)置和分辨率、航飛速度的顯示，并提供規(guī)劃路徑保存和歷史任務(wù)載入功能。

1.3.3 樹障巡視模塊

樹障巡視模塊主要用于樹障隱患數(shù)據(jù)的采集，提供視頻拍攝和定時拍照兩種任務(wù)模式，可直接導(dǎo)入桿塔的位置文件，也可手動確定桿塔的位置，能夠?qū)U塔進(jìn)行追加、刪除等操作。系統(tǒng)能夠自動根據(jù)桿塔線路規(guī)劃航線，并自動控制無人機沿規(guī)劃線路進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，支持可變航高的數(shù)據(jù)采集。提供直線返航和原路返航兩種返航模式。

1.3.4 點云采集模塊

點云采集模塊主要用于控制激光雷達(dá)設(shè)備獲取輸電線路的點云數(shù)據(jù)，支持桿塔位置文件的導(dǎo)入功能。通過選擇目標(biāo)桿塔線路，可一鍵生成航線任務(wù)，自動完成該線路三維點云模型數(shù)據(jù)采集。提供激光雷達(dá)設(shè)備的校準(zhǔn)功能，可自動采集POS信息和點云數(shù)據(jù)，可設(shè)置航線高度、起降高度、飛行速度、側(cè)面距離、層數(shù)、層高等參數(shù)，任務(wù)完成后無人機將智能返航。

2 系統(tǒng)應(yīng)用

利用研發(fā)的輸電線路無人機超視距巡視智能操控系統(tǒng)，在廣東省中山市沙溪鎮(zhèn)進(jìn)行超視距測試應(yīng)用，本文以中山市沙溪鎮(zhèn)某輸電線路為例，對系統(tǒng)的應(yīng)用流程進(jìn)行介紹。

2.1 研究區(qū)概況

沙溪鎮(zhèn)隸屬廣東省中山市，位于市境西部，東與石岐城區(qū)接壤，西南鄰大涌鎮(zhèn)，西接橫欄鎮(zhèn)，北連東升鎮(zhèn)坦背、西區(qū)沙朗，總面積55平方公里，轄區(qū)內(nèi)設(shè)有15個行政村和1個社區(qū)。沙溪鎮(zhèn)地勢南高北低，丘陵與平原各半，東南和中南部為丘陵臺地，一般海拔20多米，主要有鳳凰山、黃峰山、碼頭山等山崗，其中鳳凰山海拔64.3米，為全鎮(zhèn)最高點。本研究區(qū)位于黃峰山與鳳凰山之間的山凹上，東面為黃峰山，西面為鳳凰山，地形呈東北高，西南低之勢，為山丘林地地區(qū)，輸電線路電壓等級為110kV。

2.2 系統(tǒng)應(yīng)用

輸電線路無人機超視距巡視智能操控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊眾多，本文以點云采集模塊為例，對沙溪鎮(zhèn)110kV輸電線路進(jìn)行了超視距測試應(yīng)用，作業(yè)流程如圖6所示。

圖6 輸電線路無人機超視距巡視智能操控系統(tǒng)點云采集作業(yè)流程

2.2.1 無人機設(shè)備連接

在系統(tǒng)使用之前，打開遙控器并開啟無人機，將裝有系統(tǒng)的手機或平板通過USB數(shù)據(jù)線連接到遙控器上，在彈出的選項框中選擇本系統(tǒng)。然后，進(jìn)入系統(tǒng)主界面，查看飛機是否連接成功，當(dāng)“設(shè)備未連接”變?yōu)轱w機的名稱時，表示飛機已連接成功。

2.2.2 數(shù)據(jù)采集模式選擇

系統(tǒng)主要包括正射影像、傾斜攝影、樹障巡視、點云采集等數(shù)據(jù)采集模式。在菜單欄中選擇模式切換，根據(jù)不同的任務(wù)需求選擇不同的數(shù)據(jù)采集模式，本文選擇點云采集模式。

2.2.3 桿塔坐標(biāo)導(dǎo)入

導(dǎo)入桿塔坐標(biāo)文件，支持kml、excel等格式。根據(jù)線路長度和飛行時長，選擇無人機飛行的桿塔。本文導(dǎo)入110kV輸電線路的桿塔坐標(biāo)，并選擇超視距的桿塔進(jìn)行作業(yè)。

2.2.4 航飛參數(shù)設(shè)置及路徑自動規(guī)劃

航飛參數(shù)主要分為航線參數(shù)和收斂參數(shù)，其中航線參數(shù)包括航線高度、起降高度、飛行速度、側(cè)面距離、層數(shù)、層高、兩端收窄等，收斂參數(shù)包括高度、半徑、速度等。根據(jù)航飛的路徑對其進(jìn)行設(shè)置，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)置的參數(shù)自動規(guī)劃航線。

2.2.5 激光點云設(shè)備連接與數(shù)據(jù)采集

開啟激光點云設(shè)備，單擊系統(tǒng)上的連接按鈕，搜索附近的激光點云設(shè)備，進(jìn)行激光點云設(shè)備的連接。然后單擊POS采集和點云采集，啟動激光點云設(shè)備的數(shù)據(jù)采集功能，采集POS信息和點云數(shù)據(jù)。

2.2.6 無人機飛行安全檢查

各項準(zhǔn)備工作完成之后，點擊開始按鈕，系統(tǒng)將會彈出飛行安全檢查對話框，自動對無人機進(jìn)行十項安全檢查，飛行安全檢查主要涉及無人機飛行作業(yè)時所要考慮的常規(guī)因素。

2.2.7 無人機全自動數(shù)據(jù)采集

完成飛行前安全檢查后執(zhí)行滑動起飛操作，無人機將自主起飛，并按照規(guī)劃的航線全自動執(zhí)行采集任務(wù)，獲取輸電線路的激光點云數(shù)據(jù)。在飛行的過程中，系統(tǒng)具有智能避障功能，可有效地保證飛機作業(yè)安全。執(zhí)行完航飛任務(wù)后，無人機將自動返航。

結(jié)果表明，輸電線路無人機超視距巡視智能操控系統(tǒng)具有航線自動規(guī)劃、一鍵起飛、自主作業(yè)、自動返航、斷點續(xù)飛、智能避障等特點，可有效地完成超視距的輸電線路無人機巡視作業(yè)，保證作業(yè)安全。此外，利用系統(tǒng)采集得到的點云數(shù)據(jù)，與傳統(tǒng)手段相比，具有質(zhì)量高、精度高、燥點少等優(yōu)點。因此，本文研發(fā)的輸電線路無人機超視距巡視智能操控系統(tǒng)對于超視距的無人機輸電線路巡視作業(yè)具有良好的適用性。

除點云采集模塊外，本次實驗還全面測試了輸電線路無人機超視距巡視智能操控系統(tǒng)的其他功能和性能，包括正射影像、傾斜攝影、樹障巡視等模塊功能，以及無人機穩(wěn)定性和可靠性。結(jié)果表明，系統(tǒng)具有啟動時間短，CPU、內(nèi)存占用低，流量、電量耗用少，響應(yīng)速度快，穩(wěn)定性高，網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)等特點，能夠安全高效的完成超視距的正射、傾斜、樹障數(shù)據(jù)采集任務(wù)。

3 總結(jié)

本文運用無人機低空遙感技術(shù)，基于Android操作系統(tǒng)和大疆SDK，自主研發(fā)了一款能在視距外飛行的可視化輔助系統(tǒng)——輸電線路無人機超視距巡視智能操控系統(tǒng)。該系統(tǒng)兼容廣、功能強、效率高、更智能、更穩(wěn)定、更安全，能有效地解決無人機飛手由于地形條件限制無法及時準(zhǔn)確判斷超視距的無人機飛行狀況而造成作業(yè)不安全、效率低下等問題。

輸電線路無人機超視距巡視智能操控系統(tǒng)具有航線自動規(guī)劃、一鍵起飛、自主作業(yè)、自動返航、斷點續(xù)飛、智能避障等功能，內(nèi)置正射影像、傾斜攝影、樹障巡視、點云采集等多種智能業(yè)務(wù)化作業(yè)模式，無需人工干預(yù)，即可實現(xiàn)輸電線路無人機超視距智能化巡視，有效地減少了人工操作，降低了職業(yè)門檻，保證了飛行安全，減少了事故率。

利用輸電線路無人機超視距巡視智能操控系統(tǒng)的點云采集模塊，對中山市沙溪鎮(zhèn)110kV的輸電線路進(jìn)行超視距測試應(yīng)用。結(jié)果表明，利用系統(tǒng)采集得到的點云數(shù)據(jù)質(zhì)量高、精度高、燥點少。此外，還對輸電線路無人機超視距巡視智能操控系統(tǒng)的其他功能和性能進(jìn)行了全面測試，結(jié)果表明，系統(tǒng)具有啟動時間短，CPU、內(nèi)存占用低，流量、電量耗用少，響應(yīng)速度快，穩(wěn)定性高，網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)等特點，能夠安全高效的完成超視距的正射、傾斜、樹障數(shù)據(jù)采集任務(wù)。因此，本文研發(fā)的輸電線路無人機超視距巡視智能操控系統(tǒng)對于超視距的無人機輸電線路巡視作業(yè)具有良好的適用性。

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