基于激光雷達的架空輸電線路交跨距離自動檢測系統(tǒng)

湯春俊，許 劍，劉田野，毛水強，呂宇皝，胡 驍

(1.金華送變電工程有限公司,浙江 金華 310016)(2.金華鉑騰科技有限公司,浙江 金華 310016)

架空高壓輸電線路是電力工業(yè)的大動脈。隨著電網(wǎng)建設(shè)的不斷推進，架空輸電線路越來越稠密，其與河流、電力線路、電信通訊線路、鐵路、高速公路(公路)、架空索道、房屋、樹木等產(chǎn)生交跨的情況也日益增多，且有進一步復(fù)雜化的趨勢。為確保建成的輸電線路安全運營，在架線施工中完成緊線之后，必須對線路與被跨越物間的垂直凈距(以下稱交跨距離)進行檢測，保證其符合相關(guān)規(guī)定要求[1-2]。

目前，輸電線路與下方被跨越物交跨距離的測量主要依賴人工完成，采用的測量方法包括目測、繩測、經(jīng)緯儀和全站儀測量等，缺乏統(tǒng)一、客觀的作業(yè)規(guī)范。目測方式完全依靠人的經(jīng)驗判斷，存在顯著的視覺誤差；繩測方式通過人力來拋擲或懸掛測繩，其覆蓋的量程小、工作效率低，且很難針對線上的多個待測交跨點進行逐一掛繩測量；使用經(jīng)緯儀和全站儀測量雖測量結(jié)果精確度高，但攜帶不便，也不能在日常野外檢查中進行測量。以上測量手段均無法擺脫對觀測人員的主觀視覺判斷的依賴，必然會產(chǎn)生偏差，且無法在可視度差的情況下開展工作，直接受氣候情況的制約[3-5]。

為解決人工方式進行交跨距離檢測所存在的問題，本文研制了一套交跨距離自動檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可在線檢測并記錄輸電線路下方被跨越物的具體位置及其與輸電線路的距離，獲取客觀可信的檢測數(shù)據(jù)，顯著提高檢測過程的智能化與自動化。

1 基于激光雷達的交跨距離自動檢測系統(tǒng)的原理與組成

1.1 激光雷達用于交跨距離的自動檢測

在實際環(huán)境中，相鄰兩鐵塔之間的導(dǎo)線下方可能存在一個或多個被跨越物，物體的形狀不一，且每個交跨點的具體位置在開展檢測工作之前并非已知。為實現(xiàn)交跨距離檢測過程的自動化，可使激光雷達沿著空中導(dǎo)線移動，同時對導(dǎo)線下方的被跨越物進行全程掃描測距并記錄檢測結(jié)果。采用移動的激光雷達對交跨距離進行自動檢測的方法如圖1所示。

圖1 激光雷達檢測交跨距離示意圖

激光具有良好的抗干擾能力，且對外界光照條件或目標本身的輻射特性不敏感，可全天候工作。本文所用的激光雷達采用脈沖測距技術(shù)來迅速獲取與目標的距離，還可結(jié)合計時來檢測目標相對于雷達的運動速度。工作時，激光雷達的發(fā)射元件向目標射出激光束，接收元件接收從目標反射回的激光束，則測得的距離D=ct/2，其中c為光速，時間t通過計時器累加脈沖發(fā)出和收到脈沖這段時間內(nèi)的脈沖個數(shù)得到[6-10]。

1.2 自動檢測系統(tǒng)的組成

交跨距離自動檢測系統(tǒng)的組成如圖2所示。自動檢測系統(tǒng)包括地面控制站與空中移動檢測站兩部分。空中移動檢測站包括自行走小車搭載激光雷達模組、無線通訊模組以及其他備選檢測功能模組。地面控制站是一個便攜式控制箱，內(nèi)含工控計算機、人機操控與無線通訊模組。

圖2 交跨距離自動檢測系統(tǒng)的組成

移動檢測站可在導(dǎo)線上自驅(qū)行走、停止，通過無線通訊接收地面控制站發(fā)來的控制指令，并將激光雷達檢測到的交跨距離數(shù)據(jù)實時發(fā)送到地面控制站的工控計算機進行數(shù)據(jù)處理、顯示及存儲。

移動檢測站可搭載各種備選功能模組來提高地面控制站的信息獲取能力與操控便利性。如視頻監(jiān)控信號傳輸至地面控制站的顯示終端，協(xié)助作業(yè)人員即時觀察移動檢測站附近的輸電線及被跨越物的情況；利用GPS定位功能則可實時提供檢測站當前位置，從而提供每個交跨點的位置信息。

2 交跨距離自動檢測系統(tǒng)關(guān)鍵功能開發(fā)

2.1 激光雷達及參數(shù)指標

檢測系統(tǒng)在實際工作時，激光雷達在高空輸電線上受風力影響易產(chǎn)生搖晃、抖動。為確保在動態(tài)環(huán)境下激光雷達仍可有效“捕捉”被跨越物，要求激光雷達需具備較高的掃描頻率。本文系統(tǒng)選用的激光雷達為上海申稷光電的FS-030型激光雷達，其適用于室外環(huán)境作業(yè)，掃描頻率可達2 000Hz，量程30m內(nèi)可達到±3cm的重復(fù)精度。

2.2 激光雷達掃描頻率的優(yōu)化配置

架空輸電線路下方的被跨越物在垂直方向的投影面積存在很大差異，比如，導(dǎo)線下方建筑物的投影面積遠大于其他交叉走向的導(dǎo)線。為使檢測系統(tǒng)適用于各種真實工況，移動中的激光雷達應(yīng)能“捕捉”到投影面積最小的被跨越物，即要求激光雷達在經(jīng)過被跨越物時可完成足夠多次數(shù)的測距。

若被跨越物體在雷達掃描方向的投影寬度為d，激光雷達的移動速度為v，則雷達經(jīng)過被跨越物所經(jīng)歷的時長t1為：

設(shè)定雷達在被跨越物上所需完成的最少測距次數(shù)為M，則所需的激光掃描頻率需大于F：

例如，當被跨越物為交叉走向的導(dǎo)線，導(dǎo)線直徑僅為d=2cm，激光雷達的行進速度v為50cm/s，取M=30，則激光雷達掃描頻率應(yīng)大于F，F(xiàn)=750Hz。通過以上試算結(jié)果，并賦予系統(tǒng)一定的裕度，可將掃描頻率設(shè)為1 000Hz。

2.3 激光雷達檢測數(shù)據(jù)的預(yù)處理

2.3.1 原始數(shù)據(jù)的濾波降噪

激光雷達是一個較復(fù)雜的光電子系統(tǒng)，工作時其電子與信號系統(tǒng)會受到噪聲干擾，且目標物體的光反射特性會產(chǎn)生檢測誤差。由于各種干擾與誤差的來源及程度不易界定，本文為控制檢測數(shù)據(jù)質(zhì)量，將通過測距試驗、觀察檢測數(shù)據(jù)特征來選用合適的濾波處理方法。

為了對激光雷達的測距精度進行評估，將激光雷達對準遠處一靜止不動的目標物體，激光雷達也保持靜止狀態(tài)，即激光雷達相對目標物體的距離保持固定不變。

圖3為測距實驗中獲得的樣本數(shù)據(jù)，可以看出大部分距離值接近雷達與被測物的真實距離，而少量數(shù)據(jù)點的距離值其誤差顯著超出了激光雷達精度指標允許的范圍(±3cm)。試驗中超出雷達精度指標范圍的數(shù)據(jù)點持續(xù)出現(xiàn)，且其數(shù)值變動及出現(xiàn)的時間間隔不一，缺乏線性特征。

為提高檢測數(shù)據(jù)的質(zhì)量，嘗試用較常用的濾波算法對數(shù)據(jù)進行處理并評估效果[11-13]。

圖3 原始樣本數(shù)據(jù)

圖4(a)、(b)分別為樣本數(shù)據(jù)采用移動均值與移動眾數(shù)濾波兩種算法處理后的輸出結(jié)果。兩種方法均采用連續(xù)N個采樣點的隊列，在新的一次采樣后，將隊列首數(shù)據(jù)去掉，其他(N-1)個采樣點依次前移，并將新的數(shù)據(jù)插入作為隊尾，然后對此隊列進行運算得出本次檢測的結(jié)果。假設(shè)輸入為X，輸出為Y，當前采樣點的序號為n，則運算方法為：

圖4 樣本數(shù)據(jù)經(jīng)過濾波處理后的結(jié)果

1)移動均值濾波。

2)移動眾數(shù)濾波。

統(tǒng)計當前N個采樣點的隊列元素中出現(xiàn)次數(shù)最多的數(shù)值(眾數(shù))作為運算輸出。如果眾數(shù)不存在，則取隊列的中位數(shù)輸出；如果有兩個及以上的眾數(shù)，則對其求平均值后輸出。

本例中取N=30。通過對比可見，樣本數(shù)據(jù)在經(jīng)過移動眾數(shù)濾波后距離值的波動明顯降低，而時延不超過50ms。

2.3.2 雷達檢測數(shù)據(jù)的預(yù)處理

由于激光雷達在交跨距離檢測過程中持續(xù)作業(yè)，獲取的實時數(shù)據(jù)量較大，原始數(shù)據(jù)經(jīng)過濾波后并未縮減數(shù)據(jù)量。為減少系統(tǒng)對無線通訊信道傳輸速率的要求并降低通訊誤碼率，進一步對已濾波的檢測數(shù)據(jù)進行預(yù)處理。數(shù)據(jù)預(yù)處理方法的設(shè)計必須考慮該檢測系統(tǒng)的如下特點與功能需求：

1)對一個被跨越物，其交跨距離是被跨越物與激光雷達之間的最小距離；

2)不減弱激光雷達對投影面積很小的被跨越物所具備的“捕捉”能力。

根據(jù)以上要求，擬對檢測數(shù)據(jù)進行分段預(yù)處理：

1)結(jié)合雷達掃描頻率與行進速度，定義一個m值，m為該段所含的數(shù)據(jù)點個數(shù)；

2)移動檢測站累計激光雷達提供的數(shù)據(jù)點個數(shù)，計滿m個即從中取最小值，作為處理后的距離值，并通過無線通訊傳輸至地面控制站。隨后，進行下一個段的累計與處理。

3)地面控制站的軟件中設(shè)定一個“待檢區(qū)”，其大小可根據(jù)驗收規(guī)范與具體輸電線路的規(guī)格來確定。例如，設(shè)定輸電線路下方6m以內(nèi)作為“待檢區(qū)”，若在區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)有效的距離值，則認為激光雷達“捕捉”到了被跨越物并在人機界面上顯示捕獲狀態(tài)及距離值；未進入“待檢區(qū)”的距離值則作無效數(shù)據(jù)處理。

通過掃描試驗的數(shù)據(jù)結(jié)果分析，結(jié)合對被跨越物進行 “捕捉”的實時性與距離檢測的準確度，合理選定m值。本例中，激光雷達掃描頻率為1 000Hz, 雷達的行進速度v為50cm/s，對距離4.3m遠處直徑為2cm的導(dǎo)線進行掃描，重復(fù)掃描試驗20次。圖5所示為m=200時每次掃描輸出的距離值，與人工檢測得到的數(shù)據(jù)分析比較得知，檢測結(jié)果具有較好的重復(fù)精度與準確度。

運用以上數(shù)據(jù)預(yù)處理方法后，無線通訊數(shù)據(jù)傳輸速率僅需300bps即可滿足系統(tǒng)工作的要求。

圖5 掃描測距的重復(fù)試驗

2.4 無線通訊的雙鏈路設(shè)計

在架線施工現(xiàn)場兩相鄰鐵搭之間的跨距可達數(shù)百米甚至上千米，移動檢測站與地面控制站之間無線通訊鏈路的可靠性直接關(guān)系到小車能否處于受控狀態(tài)并將檢測結(jié)果準確傳輸?shù)降孛婵刂普尽榇?，采用以?項措施來確保通訊鏈路的可靠性：

1) 移動檢測站采用2.3.2所述方法，只傳輸預(yù)處理后的檢測數(shù)據(jù)，這樣可顯著降低信道傳輸速率及對無線信號發(fā)射功率的需求，減少誤碼率與延時。

2) 無線通信報文協(xié)議采用CRC16碼進行差錯校驗。

3) 采用無線串口通訊(無線電臺)與移動網(wǎng)絡(luò)通信雙鏈路設(shè)計，且實行分時作業(yè)來確保通訊鏈路始終有效。具體功能實現(xiàn)上，系統(tǒng)對無線串口鏈路進行持續(xù)自檢，并在其失效情況下切換為移動網(wǎng)絡(luò)鏈路，如圖6所示。

圖6 無線通訊鏈路的持續(xù)自檢與處理

無線串口鏈路使用簡便且成本低，在近距離時有效；當移動檢測站與地面控制站的距離超出無線串口鏈路的有效通訊距離時，軟件激活基于2G/4G移動網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸單元(DTU)，從而確保無線通訊鏈路持續(xù)有效。

3 交跨距離自動檢測系統(tǒng)的樣機功能驗證

基于本文所述的系統(tǒng)原理與設(shè)計，交跨距離自動檢測系統(tǒng)的功能樣機已完成研制，樣機如圖7所示。

圖7 交跨距離自動檢測系統(tǒng)功能樣機

如圖7(a)所示，移動檢測站的主控制器采用基于STM32的嵌入式軟硬件，通過串行通訊方式來控制激光雷達的數(shù)據(jù)采集并對數(shù)據(jù)進行處理，主控制器同時通過串行通訊方式管理其他功能模塊。如圖7(b)所示，地面控制站采用美國國家儀器公司(National Instruments)的虛擬儀器平臺LabVIEW來開發(fā)上位機軟件與人機界面，并實現(xiàn)自行走小車的無線遙控、交跨距離檢測結(jié)果的接收與顯示、存儲與報表輸出等功能。人機界面可設(shè)置“待檢區(qū)”大小、數(shù)據(jù)記錄間隔等參數(shù)，并可實時顯示交跨點的捕捉狀態(tài)與距離數(shù)值。

該檢測系統(tǒng)的功能與性能在如下試驗中得到了驗證：移動檢測站在1條架空輸電線路的導(dǎo)線上運行，下方的被跨越物為另3條專門架設(shè)的直徑為3cm的試驗導(dǎo)線，且其走向與其上導(dǎo)線近似垂直交叉。地面控制站的人機界面顯示移動檢測站“捕捉”到了下方的每一條導(dǎo)線且提供了可信的交跨距檢測結(jié)果。

4 結(jié)束語

架空輸電線路與被跨越物之間的交跨距離是線路施工的一項重要指標，當前的人工觀測方式存在較多弊端。本文將激光雷達掃描測距技術(shù)用于交跨距離的檢測，設(shè)計并研制了一套在線自動檢測系統(tǒng)，并通過參數(shù)的優(yōu)化配置與數(shù)據(jù)處理來確保檢測質(zhì)量。新研制的檢測系統(tǒng)滿足了交跨距離檢測的準確度與實時性需求，可進行全過程自動檢測與記錄，為架空電力線路的施工與驗收提供了高效的檢測與質(zhì)量控制工具，具有較好的推廣應(yīng)用價值。下一步的工作重點是提升自動檢測系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)能力與可靠性，并進一步優(yōu)化人機操作體驗。