基于激光雷達(dá)技術(shù)的無人機(jī)電網(wǎng)基建管控系統(tǒng)研究

朱 宏

牡丹江電力設(shè)計(jì)院 黑龍江 牡丹江 157000

引言

科學(xué)技術(shù)水平的不斷提升，使得人們對電力系統(tǒng)運(yùn)行使用的安全可靠性要求越來越高。然而，輸電線路等電網(wǎng)設(shè)施運(yùn)行所處監(jiān)測環(huán)境惡劣，導(dǎo)致現(xiàn)行技術(shù)水平無法滿足建設(shè)要求。為此，相關(guān)建設(shè)者應(yīng)加大激光雷達(dá)技術(shù)的科研力度，將其運(yùn)用于無人機(jī)電網(wǎng)基建管控系統(tǒng)，這樣一來，電網(wǎng)基建管控系統(tǒng)，就不會受到市場環(huán)境多元化發(fā)展與行業(yè)需求擴(kuò)大等問題影響，進(jìn)而推動所處區(qū)域電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全可持續(xù)性建設(shè)。

1 機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)

1.1 機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)組成 機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)主要包括以下四個(gè)部分：一是保證平穩(wěn)運(yùn)行作為傳感器載體的的飛行平臺、二是作為不斷發(fā)射脈沖的傳感器激光掃描儀、三是不斷精準(zhǔn)測量的定位與慣性測量單元、四是作為整個(gè)系統(tǒng)大腦層次有些整合數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)控制單元。其中飛行平臺可以由飛機(jī)來代替；激光掃描儀的工作原理與普通微波雷達(dá)大體上相似，只是激光掃描儀的波長遠(yuǎn)小于普通微波雷達(dá)，其中，激光掃描儀在市場上常見主要有三種，它們?nèi)N的掃描方式也有不同，首先線掃描和光纖掃描是以平行線或“Z”字形為掃描軌跡掃描，其次圓錐掃描則是以橢圓形為掃描軌跡掃描；此外我們所熟悉的慣性測量裝置(IMU)和差分GPS(DGPS)又共同構(gòu)成了我們整個(gè)系統(tǒng)中必不可少的定位與慣性測量單元，它由若干地面基準(zhǔn)站和一個(gè)空間流動站組合而成，由基準(zhǔn)站和空中流動站同步不間斷觀測GPS衛(wèi)星信號，再通過后期處理，便可以準(zhǔn)確獲得飛行平臺的精準(zhǔn)位置；而計(jì)算機(jī)則是整個(gè)機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)各單元分工協(xié)作的中心控制單元，它的主要作用就是用來保證整個(gè)系統(tǒng)每一個(gè)單元互不干擾。

1.2 機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)工作原理 在機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)中，我們會憑借著飛機(jī)做為一個(gè)觀測平臺，而傳感器則采用一種實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)的激光掃描儀。通過不斷的向地球表面發(fā)射一束束的激光脈沖，再通過激光脈沖來回所經(jīng)歷的時(shí)間來確定激光掃描儀中心距離地球表面激光光斑之間的距離，后根據(jù)GPS來確定激光掃描儀精確的空間三維坐標(biāo)(X，Y，Z)，并且利用IMU測出掃描儀實(shí)時(shí)的空間姿態(tài)參數(shù)。根據(jù)幾何參數(shù)和空間幾何關(guān)系，可以把每一個(gè)地面激光點(diǎn)的三維坐標(biāo)計(jì)算出來。相比于傳統(tǒng)的遙感技術(shù)，機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)具有自動化程度高、作業(yè)成本低、實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)支持等許多優(yōu)點(diǎn)，對于跟隨國家經(jīng)濟(jì)共同發(fā)展的電網(wǎng)建設(shè)有著很大的技術(shù)優(yōu)勢。大體的計(jì)算步驟：第一，將激光掃描儀發(fā)射和接受激光脈沖的瞬時(shí)時(shí)刻記錄下來；第二，通過光速恒定原理將發(fā)射和反射時(shí)間轉(zhuǎn)化為斜距進(jìn)行測量；第三，可以通過傳感器實(shí)時(shí)傳輸回來的位置和方向來計(jì)算出地球反射表面任何一點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

2 激光雷達(dá)技術(shù)在無人機(jī)電網(wǎng)基建管控系統(tǒng)的應(yīng)用控制策略

2.1 飛行設(shè)計(jì)控制 激光雷達(dá)技術(shù)中的飛行設(shè)計(jì)控制是指，用于設(shè)備與無人機(jī)的安裝、調(diào)試與選擇。在采集勘探目標(biāo)區(qū)域的數(shù)據(jù)信息時(shí)，前期選擇工作需通過構(gòu)建GPS基站，來強(qiáng)化GPS數(shù)據(jù)信息獲取的準(zhǔn)確性。當(dāng)無人機(jī)與激光雷達(dá)設(shè)備運(yùn)用優(yōu)勢發(fā)揮出來后，就可強(qiáng)化無人機(jī)電網(wǎng)基建管控系統(tǒng)飛行設(shè)計(jì)的科學(xué)合理性。

2.2 電力巡線 隨著我國經(jīng)濟(jì)實(shí)力不斷提升，對遠(yuǎn)距離高壓的電力輸送需求越來越大，要求也越來越高，安全、穩(wěn)定也逐漸受到了我們的關(guān)注。因此對于電力線路的維修也變得越來越重要，為了確保輸電線路的運(yùn)營安全，電網(wǎng)維修管理部門一項(xiàng)非常重要的工作便是電力巡線，往往會投入大量的維修人員定時(shí)巡檢，從而發(fā)現(xiàn)并排除那些隱藏的不穩(wěn)定因素，避免出現(xiàn)事故。對于傳統(tǒng)巡查方式，需要投入大量人力和物力，不僅浪費(fèi)著很多人力資源，而且作業(yè)周期也長，受環(huán)境影響較大，當(dāng)遇到復(fù)雜地形時(shí)，該情況更為明顯，因此我們需要更先進(jìn)的巡檢方式來滿足巡檢要求。

2.3 三維建模控制 當(dāng)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的DOM和DEM文件完成制作后，就可利用線路與桿塔模型的組合，來獲得最終的三維模型。這里三維模型是指，融合了高分辨率圖片和點(diǎn)云數(shù)據(jù)，且能夠經(jīng)紋理貼圖來實(shí)現(xiàn)桿塔與電力線建模精確性的目標(biāo)。當(dāng)完成系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和相關(guān)分析后，就可獲得三維建模效果圖。為便于后期的管理、分析和查詢，可將Windows系統(tǒng)利用起來，進(jìn)行電網(wǎng)基建管控C/S系統(tǒng)搭建，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)模型導(dǎo)入、數(shù)據(jù)監(jiān)測分析以及輸電設(shè)備管理等功能目標(biāo)。此外，為實(shí)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)信息的靈活運(yùn)用與合理存儲，數(shù)據(jù)模型導(dǎo)入功能設(shè)置，應(yīng)利用SQLServer數(shù)據(jù)庫存儲DEM和DOM文件。與此同時(shí)，還應(yīng)采用多級緩存、數(shù)據(jù)組織與壓縮以及下載平衡技術(shù)，來達(dá)到系統(tǒng)控制預(yù)期。這樣一來，系統(tǒng)的輸電設(shè)備管理工作，就可為線路管理提供便利，即通過電壓等級、線路名稱以及圖形操作，來實(shí)踐輸電線路與輸電電纜的查詢與維護(hù)功能。

結(jié)語

綜上所述，無人機(jī)電網(wǎng)基建管控系統(tǒng)中激光雷達(dá)技術(shù)的運(yùn)用，能夠?qū)⒆罹咝Ч臄?shù)據(jù)采集、預(yù)處理、后處理以及三維建?？刂拼胧饔糜趯?shí)踐，進(jìn)而推動電力系統(tǒng)建設(shè)運(yùn)行的健康穩(wěn)定發(fā)展。如，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)監(jiān)測功能實(shí)踐，其可作用于危險(xiǎn)點(diǎn)線路檢測。事實(shí)證明，只有這樣，才能將最具效用的措施方法運(yùn)用于電網(wǎng)基建的管理控制工作，進(jìn)而為高速發(fā)展的電力行業(yè)做出貢獻(xiàn)。故而，行業(yè)開發(fā)建設(shè)應(yīng)結(jié)合電網(wǎng)服務(wù)環(huán)境與基建系統(tǒng)建設(shè)需求，對激光雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行針對性控制，進(jìn)而滿足人們使用電能的安全可靠需求。