無人機機載激光雷達在輸電線路巡線中的應(yīng)用

吳雨鍇

摘要：現(xiàn)有的電力系統(tǒng)主要由四個部分組成，分別是發(fā)電、輸電、配電和用電，任意一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都會影響整個電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行。輸電部分的線路主要有電纜線路和架空線路兩種，不同于電纜線路主要分布在城市企業(yè)、醫(yī)院等地，檢修起來較為方便，架空線路通常分布在野外、山區(qū)等人跡罕至的地方，甚至分布在峭壁、雪山等惡劣的自然環(huán)境中，若是出現(xiàn)輸電線老化、斷股或絕緣子損壞等情況，則經(jīng)常會因為無法及時檢修而導(dǎo)致電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障，從而造成嚴重的經(jīng)濟損失。

關(guān)鍵詞：無人機機;輸電線路;巡線應(yīng)用

引言

當(dāng)前在我國電力企業(yè)的發(fā)展過程中，由于供電負荷量不斷上漲，為保證電網(wǎng)供電穩(wěn)定，供電單位對線路巡視工作的重視程度也在不斷提升。通過線路巡視工作的開展，可以及時發(fā)現(xiàn)供電線路當(dāng)中存在的各種問題和故障，并且做好必要的處理措施，保證供輸電線路安全穩(wěn)定運行。傳統(tǒng)的電力線路巡視工作中，主要是通過人工巡視排查線路的運行缺陷和隱患，工作效率以及效果上都有所欠缺，消耗大量人力物力。隨著無人機技術(shù)的不斷成熟和應(yīng)用，無人機在輸電線路巡視工作中發(fā)揮出了重要的作用，無人機的使用有效打破空間方面的限制，搭載多種云臺負載可以代替大部分線路巡視和測量工作，提高電力線路巡視工作的效率和質(zhì)量。

1機載激光雷達系統(tǒng)

1.1機系統(tǒng)

無人機是一種可自主飛行或遠程引導(dǎo)、不搭載人員的動力飛行器。無人機因可以搭載相機、定位系統(tǒng)、信息傳輸系統(tǒng)等硬件而廣泛應(yīng)用于緊急救災(zāi)、農(nóng)業(yè)、測繪等領(lǐng)域。通常情況下，無人機系統(tǒng)除了無人機本體外，還包括飛行控制系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、能源系統(tǒng)、任務(wù)荷載設(shè)備、通信系統(tǒng)、地面監(jiān)控站。（1）飛行控制系統(tǒng)作為整個系統(tǒng)的核心部位，用于控制無人機的起飛、降落等各種工作狀態(tài)。（2）動力系統(tǒng)即發(fā)動機及相關(guān)附件設(shè)施。（3）能源系統(tǒng)即為無人機系統(tǒng)提供電能的相關(guān)部件。（4）任務(wù)荷載設(shè)備即根據(jù)業(yè)務(wù)需求搭載的相關(guān)軟硬件設(shè)備，如氣象設(shè)備、農(nóng)藥噴灑設(shè)備、相機等。（5）通信系統(tǒng)即數(shù)據(jù)傳輸軟硬件。（6）地面監(jiān)測站用于控制并調(diào)整無人機飛行的路線、高度、角度等參數(shù)。

1.2巡線及避障技術(shù)

無人機在執(zhí)行既定電力巡檢任務(wù)時，需要準確地按照任務(wù)路線進行飛行，躲避線路上可能存在或突然出現(xiàn)的障礙物，并在躲避結(jié)束后及時回歸到任務(wù)路線上繼續(xù)巡檢。目前的無人機巡線技術(shù)主要通過GPS定位及導(dǎo)航技術(shù)、基于攝像的視覺技術(shù)等結(jié)合應(yīng)用實現(xiàn)，但在飛行過程中易受到如惡劣天氣造成無人機姿態(tài)異常等因素影響，導(dǎo)致視覺技術(shù)的識別率下降。避障技術(shù)主要通過視覺技術(shù)、紅外探測技術(shù)和聲吶探測技術(shù)等結(jié)合應(yīng)用實現(xiàn)，但對于較大或者移動速度較快的障礙物，無人機可能會因為來不及躲避而損壞。因此，無人機自身以及掛載設(shè)備的硬件品質(zhì)和各種軟件技術(shù)都需要進一步提升，以保證無人機在巡檢任務(wù)中的安全性和穩(wěn)定性。

1.3激光雷達

機載激光雷達包含了激光掃描儀、GPS、IMU、數(shù)碼相機等光譜成像設(shè)備。激光掃描儀可以主動獲取輸電線路通道的點云數(shù)據(jù)，結(jié)合GPS定位經(jīng)坐標的轉(zhuǎn)換獲得通道內(nèi)地物的三維坐標信息。點云數(shù)據(jù)是離散不規(guī)則的點，其格式主要有兩種，ASCII碼純文本和LAS格式。由于地物復(fù)雜多樣[3]，因此需要對點云數(shù)據(jù)進行分類處理以區(qū)別不同的地物。機載激光雷達技術(shù)獲得的地物精度準確，操作快捷迅速，在測繪行業(yè)具有重要的作用，隨著軟硬件技術(shù)的迅速發(fā)展，其已逐步用于地物的自動化分類。

2無人機技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢

當(dāng)前隨著我國電力產(chǎn)業(yè)的快速建設(shè)和發(fā)展，在供電過程中對供電線路的供電狀態(tài)提出了更高的標準。由于不同區(qū)域范圍內(nèi)供電量以及供電狀況存在一定的差異，因此需要在供電管理過程中充分做好供電線路的巡視工作，對供電線路當(dāng)中存在的各種缺陷和故障問題進行及時發(fā)現(xiàn)，并且提出針對性的處理措施來加以解決，有效提高整個供電工作的質(zhì)量和效果。無人機代替人工登桿檢查桿塔上的部件，搭載見光相機拍攝桿塔照片，在整個巡視工作的效果和質(zhì)量方面得到了明顯的提升，也避免了人工檢查的安全風(fēng)險。在具體的巡視過程中，人工巡視和無人機技術(shù)之間進行有效結(jié)合，可以最大限度上保證電力線路在最短的時間范圍內(nèi)完成全面的巡視和檢查，為整個供電工作的安全性和穩(wěn)定性提供重要的保障[1]。因此，作為供電單位，在線路巡視工作中需要對無人機技術(shù)的應(yīng)用加以充分重視，對線路巡視工作中存在的不足進行改進和完善，充分發(fā)揮出無人機技術(shù)在電力線路巡視工作中的工作優(yōu)勢，有效提高供電工作的整體質(zhì)量和效率。

3輸電路激光點云的采集及數(shù)據(jù)處理

3.1光點云數(shù)據(jù)采集

（1）點云數(shù)據(jù)采集的前期準備工作包括實地踏勘、航線設(shè)計等。1）實地踏勘的目的是詳細了解測區(qū)的情況，如測區(qū)邊界、地形地貌、交通情況等。2）航線設(shè)計遵循高效、經(jīng)濟的原則，在實地踏勘的基礎(chǔ)上，根據(jù)已有地形圖并按照需求方的要求、行業(yè)規(guī)范及實地具體天氣情況，制定詳細的航飛路線、航飛計劃及人員安排計劃。隨著點云數(shù)據(jù)采集的進行，航飛設(shè)計要不斷變化更新，以保質(zhì)保量地完成數(shù)據(jù)采集工作。（2）點云數(shù)據(jù)的采集包括控制測量、數(shù)據(jù)采集、補測等。

3.2無線通信技術(shù)

執(zhí)行巡檢任務(wù)時，無人機需要與地面服務(wù)器保持實時的無線連接，以保證可以實時回傳無人機的狀態(tài)信息、任務(wù)信息和所拍攝的圖像、視頻等數(shù)據(jù)文件，以及接收地面服務(wù)器發(fā)送的控制信號并給予反饋等。但電力巡檢的環(huán)境往往十分復(fù)雜，且充滿變化和不確定因素，系統(tǒng)的無線通信技術(shù)需要具備很強的抗干擾能力，以及足夠的傳輸速度和帶寬來支撐實時信息傳輸甚至巡視高清視頻的直播，以保證整個電力巡檢任務(wù)完成的及時性和穩(wěn)定性。

3.3巡檢機器人系統(tǒng)設(shè)計

作為本研究的一部分，設(shè)計了一種橋式結(jié)構(gòu)，用于克服輸電線路的障礙。深入比較研究后，保證更高的可靠性，因為在高壓傳輸線位于下方的面積，從而無法穿過頭部與塔的一個飛躍搖擺手臂，機器人必須配備安全帶。為了提高穩(wěn)定性和業(yè)務(wù)連續(xù)性的齒輪之間的協(xié)作機器人，不僅可以適應(yīng)現(xiàn)有電網(wǎng)的鋼制輪結(jié)構(gòu)，重量也相對加強機器人電池組和解決問題的能力。在某種程度上而言，電池的壽命也會相應(yīng)的得到提高。此外，結(jié)構(gòu)成本低，安裝和維護方便。由于本文的研究對象是未來的多傳感器機器人，所以它在不同距離的導(dǎo)線上進行合作。首先要考慮的不僅是機器人自身姿態(tài)角的實時計算，還要考慮基于機器人GPS位置信息的自主運動規(guī)劃。主控制平臺配有專用的機器人控制軟件。對于需要人工干預(yù)的復(fù)雜任務(wù)，操作者可以通過自動檢測或使用人機界面實時手動控制來設(shè)置和切換機器人。

結(jié)束語

利用無人機機載激光雷達技術(shù)對輸電線路進行外業(yè)巡檢，根據(jù)數(shù)據(jù)的處理分析實現(xiàn)點云數(shù)據(jù)的分析、危險點分析、工況模擬分析，可實現(xiàn)對輸電線路通道的快速巡檢。此技術(shù)解決了復(fù)雜地區(qū)巡檢難的問題，大幅度降低了人力勞動成本，提高了巡檢效率。同時，激光雷達技術(shù)實現(xiàn)了輸電線路的三維坐標測量，且精度較高，實踐證明，輕量化、成本低的無人機在電力巡檢中具有重要作用。

參考文獻

[1]付繼紅.電力線路巡視中無人機技術(shù)的應(yīng)用[J].電子技術(shù)與軟件工程，2019（23）：213-214.

[2]葉方舟，劉曉冬，李良，崔淑娟，張岳，羅中良，王晨.無人機在輸變電設(shè)備巡檢巡視中的應(yīng)用[J].河北電力技術(shù)，2019，38（04）：20-22.

[3]蔣澤峰.無人機巡線圖像管理與圖像查重系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D].電子科技大學(xué)，2019.

[4]吳昊.無人機在輸電線路巡視方面的應(yīng)用探討[J].通訊世界，2019，26（07）：250-251.

[5]張潔.圖像處理技術(shù)在無人機電力線路巡檢中的應(yīng)用[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2019，37（06）：59+61.

國網(wǎng)山西省電力公司輸電檢修分公司 030001