基于無人機高精度激光雷達的輸電桿塔傾斜檢測技術(shù)研究

胡欽俊 孫 嬙 林火煅 楊 雪

（1.國網(wǎng)福建省電力有限公司漳州供電公司，福建 漳州 363000；2.國網(wǎng)福建省電力有限公司，福建 福州 350025；3.天津航天中為數(shù)據(jù)系統(tǒng)科技有限公司，天津 300462；4.天津市智能遙感信息處理技術(shù)企業(yè)重點實驗室，天津 300462）

1 總體路線

該文采用系統(tǒng)工程的方法，以輸電桿塔傾斜檢測精度為核心，針對增強承載平臺穩(wěn)定度、提升掃描裝置分辨率以及判讀傾斜檢測等關(guān)鍵問題展開研究。

首先，充分、完整地開展系統(tǒng)總體方案設(shè)計，將系統(tǒng)指標科學(xué)、合理地分解到各組成部分，并對設(shè)計結(jié)果進行仿真驗證、迭代優(yōu)化，以最高、最優(yōu)效費比滿足系統(tǒng)的全部技術(shù)指標要求。

其次，在該基礎(chǔ)上，將無人機多參量高精度位置補償技術(shù)研究、基于雙光激光源重復(fù)觀測的點云數(shù)據(jù)校正及超分辨率融合建模技術(shù)研究和基于激光點云的桿塔特征點自動識別及傾斜參數(shù)自動測量技術(shù)研究與應(yīng)用3 個關(guān)鍵技術(shù)點并行研究，能夠有效提升承載平臺的穩(wěn)定度、掃描裝置分辨率以及傾斜檢測的效果，并適時開展承載平臺與掃描裝置、掃描裝置與傾斜檢測算法之間軟硬件接口的設(shè)計。

再次，在上述方法研究、算法設(shè)計成果的基礎(chǔ)上進行硬件研制與軟件開發(fā)，并分階段開展設(shè)備測試、系統(tǒng)聯(lián)試，盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷，解決實際工程問題，為示范應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

最后，進行系統(tǒng)集成，形成一套基于無人機激光點云數(shù)據(jù)的桿塔傾斜狀態(tài)智能監(jiān)測系統(tǒng)，并開展示范應(yīng)用。

2 基于機載激光雷達的輸電桿塔傾斜度測量方法總體設(shè)計

2.1 激光雷達三維測量原理

LiDAR 系統(tǒng)向物體發(fā)射大量激光點以獲取物體的表面三維數(shù)據(jù)[1]，通過測量發(fā)射光信號和接收光信號的相位差Δ?獲得往返信號的時間間隔，從而計算距離。根據(jù)物體表面到反射信號接收機的距離計算到目標物體上每個點的空間三維坐標值。激光雷達測量示意圖如圖1 所示。

圖1 三維激光雷達測量示意圖

2.2 桿塔傾斜度測量原理

電力桿塔的傾斜度定義公式為q=S/H，其中S為桿塔傾斜值，H為桿塔實際高度。在實際工程測量中，一般將桿塔等效為一個剛性整體，其傾斜度可抽象為頂層中（重）心與塔基層中（重）心的偏離值與桿塔高度的比值。利用激光雷達確定桿塔底部中心點O、頂部中心點O1和其投影點，則桿塔頂部中心點至其底部投影點的距離即為桿塔的實際高度H，投影點至桿塔底部中心點距離即為桿塔的傾斜值S，即可實現(xiàn)對電力桿塔傾斜度的測量，如圖2 所示。

圖2 基于三維激光雷達桿塔傾斜度測量示意圖

2.3 基于機載雷達的桿塔傾斜度測量系統(tǒng)的總體設(shè)計路線

總體設(shè)計路線如圖3 所示。

圖3 基于機載雷達的桿塔傾斜度測量系統(tǒng)的總體設(shè)計路線

2.3.1 點云數(shù)據(jù)采集

與傳統(tǒng)基于人工或地面固定觀測設(shè)備的手段相比，基于無人機的測量系統(tǒng)受平臺穩(wěn)定性的影響更為嚴重；由于氣流會影響無人機平臺的飛行，因此，單憑機械防抖不足以抵消它的干擾[2]。該文將著重研究無人機平臺的飛行穩(wěn)定度這一關(guān)鍵技術(shù)。

與基于全站儀等方法相比，基于LiDAR 的測量系統(tǒng)更受限于其自身的分辨率以及由彗尾效應(yīng)和空中雜質(zhì)引入的噪聲。分辨率不足和噪聲點會直接降低后續(xù)生成模型的效果和對其進行測量的精確度[3]。該文將通過雙光源激光雷達掃描和先進的去噪算法解決該難題。

2.3.2 桿塔三維模型生成

LiDAR 系統(tǒng)采集的掃描數(shù)據(jù)是由成千上萬反射點構(gòu)成的點云。從點云數(shù)據(jù)恢復(fù)為電力桿塔的三維模型有一套確定的方法。然而，由于采用了雙光源掃描方法，因此，將一對相關(guān)的點云合成單個精度更高的點云數(shù)據(jù)是該技術(shù)的又一個關(guān)鍵技術(shù)。該文將關(guān)注如何實現(xiàn)超分辨率點云模型的融合。

2.3.3 模型傾斜度計算

得出的桿塔三維模型雖然可以通過計算S/H來實現(xiàn)，但是為了使該計算過程自動化，需要實現(xiàn)三維生成模型和參考模型的自動對比。該文將研究如何從三維模型中提取特征點，并求出關(guān)鍵的S、H參數(shù)，自動地通過輸入的三維模型計算輸電桿塔的傾斜度。

3 基于機載激光雷達的輸電桿塔傾斜度測量方法仿真驗證

該總設(shè)計可以通過仿真驗證進行理論驗證，仿真驗證可通過以下6 個步驟進行。

3.1 采集、預(yù)處理桿塔點云數(shù)據(jù)

通過點云數(shù)據(jù)庫可以獲取具有代表性的仿真輸入文件。通過地面固定的激光雷達掃描也可以得到桿塔的點云數(shù)據(jù)，其中還帶有相應(yīng)的真實噪聲點。PolyWorks 等點云數(shù)據(jù)處理軟件可以對這些輸入進行去噪處理，得到基于點云的桿塔模型。

3.2 選取塔上較低的點

導(dǎo)入點云桿塔圖，在4 個角鋼中心選取1 個較低的點，該位置即為絕對水平面的基準點坐標。

3.3 塔底的絕對水平面確定

點云坐標為（X，Y，Z），將塔較低點的三維坐標值（X1，Y1，Z1）和豎直方向的法向量（0，0，1）帶入如公式（1）所示的平面的點法式方程。

式中：（A，B，C）為平面法向量；（X1，Y1，Z1）為較低點的坐標；（X，Y，Z）為絕對水平面中的點坐標。

絕對水平面方程如公式（2）所示。

3.4 修正塔角較低點

創(chuàng)建的桿塔底部絕對水平面將會與其他3 個塔角的角鋼中心線有3 個交點，需要對3 個塔角的角鋼中心線進行提取，以提高確定這3 個交點位置的精確度，可通過選取中心上不同高度的2 個位置（X2，Y2，Z2）和（X3，Y3，Z3）來確定中心線，絕對水平面與其他3 個角鋼中心線相交，3 個相交點的位置如公式（3）所示。

3.5 確定桿塔中心點及投影點

4 個塔角點相連的交點O為底部中心點，在點云桿塔圖中可獲取頂端結(jié)構(gòu)中心點O1，然后依據(jù)這2 個點確定桿塔點O1在水平面投影點。

3.6 計算塔傾斜值（S）

桿塔實際高度H為O1點至的長度，投影點至桿塔底部中心點距離為S（桿塔傾斜值），即為點O1到的距離，傾斜度為H/S。

仿真結(jié)果表明基于機載三維激光雷達不僅能正確地實現(xiàn)對桿塔傾斜的測量，而且測量精度與傳統(tǒng)全站儀測量法的精度相當，可以滿足工程測量的需求；通過對目標對象的三維虛擬重構(gòu)，機載三維激光雷達測量方法實現(xiàn)了測量結(jié)果可視化和數(shù)字化描述，便于存檔和追溯校核；因此該系統(tǒng)具有實際應(yīng)用的潛力。

4 基于機載激光雷達的輸電桿塔檢測系統(tǒng)研制

基于機載設(shè)備一體化設(shè)計研究電源集中分配管理技術(shù)、設(shè)備最優(yōu)安裝掛載技術(shù)，以解決傳統(tǒng)系統(tǒng)存在的供電不穩(wěn)定、無法對電源進行有效監(jiān)控以及設(shè)備安裝導(dǎo)致系統(tǒng)作業(yè)能力降低等問題，通過充分、完整地對系統(tǒng)總體方案進行設(shè)計，將系統(tǒng)指標科學(xué)、合理地分解到各組成部分，最終實現(xiàn)各設(shè)備在無人機平臺上的快速安裝。

無人機高精度激光雷達輸電桿塔傾斜檢測系統(tǒng)主要由無人機分系統(tǒng)平臺、任務(wù)載荷系統(tǒng)、數(shù)據(jù)鏈分系統(tǒng)及地面系統(tǒng)組成。

4.1 系統(tǒng)工作原理及流程

激光雷達是以向物體發(fā)射大量激光點來獲取物體表面三維數(shù)據(jù)的測量技術(shù)，具有掃描速度快、精度高以及全數(shù)字特征等優(yōu)點。借助無人機平臺搭載高精度多軸主動穩(wěn)定云臺和雙激光源激光雷達裝置，距離測量模塊可計算每個激光脈沖從發(fā)射器端到目標物體，再返回至發(fā)射器端口的時間數(shù)據(jù)，進而計算目標物體上每個點的空間姿態(tài)及位置坐標，實現(xiàn)對高精度線路桿塔點云數(shù)據(jù)的采集，然后通過三維重構(gòu)的目標點云模型對物理尺寸進行測量。

系統(tǒng)工作流程可概括為準備階段、飛行階段和結(jié)束階段。無人機系統(tǒng)地面設(shè)備及機載設(shè)備加電通過自檢后，機體可通過地面站指令自主起飛。順利起飛后，利用飛控裝置可實現(xiàn)按照預(yù)先規(guī)劃的航跡進行自動飛行的目標。在飛行過程中，雙激光源激光雷達裝置同步采集輸電線路點云數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)鏈將實際飛行狀態(tài)輸?shù)降孛嬲具M行顯示，作業(yè)人員通過控制飛機和云臺姿態(tài)對興趣點進行確認，確認之后通過地面站經(jīng)數(shù)據(jù)鏈控制雙激光源激光雷達裝置精細化地對興趣點進行數(shù)據(jù)采集。無人機飛行即將結(jié)束時，機體可通過地面站指令自主降落。無人機降落后，數(shù)據(jù)存儲設(shè)備斷電，飛行作業(yè)結(jié)束。最后，將飛行采集的數(shù)據(jù)傳輸給點云數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件，得到標準格式的點云數(shù)據(jù)文件，通過無人機激光點云數(shù)據(jù)桿塔傾斜狀態(tài)智能監(jiān)測軟件系統(tǒng)完成對桿塔的自動識別以及對桿塔傾斜狀態(tài)的檢測。

4.2 電源集中分配管理技術(shù)

機載設(shè)備采用鋰電池進行統(tǒng)一供電，各任務(wù)設(shè)備要求的輸入電源電壓和功率各不相同，采用電源集中分配管理的方法，將單一輸入電源分解成多路輸出，采用濾波、穩(wěn)壓等方法提高多路輸出電源的穩(wěn)定性，并通過電壓自動感知實現(xiàn)對電源穩(wěn)定性的監(jiān)控，從而達到電源集中分配管理的目的。

4.3 設(shè)備最優(yōu)安裝掛載技術(shù)

考慮無人機平臺的掛載能力和各任務(wù)設(shè)備的結(jié)構(gòu)尺寸、重量，通過設(shè)備安裝布局和系統(tǒng)重心分布仿真設(shè)計設(shè)備安裝掛載方案，確定設(shè)備與無人機平臺之間的連接方式和結(jié)構(gòu)，設(shè)計快速安裝掛架，在不影響無人機飛行性能的同時，實現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)作業(yè)能力。

4.4 無人機多參量高精度位置補償技術(shù)

該技術(shù)以提高無人機系統(tǒng)穩(wěn)定度為主要目的，以平臺多參量精度補償為核心手段，重點針對無人機平臺的穩(wěn)定性開展研究。

首先，對姿態(tài)感知技術(shù)和誤差補償技術(shù)進行研究：姿態(tài)集成通過多源數(shù)據(jù)融合降低單一陀螺數(shù)據(jù)姿態(tài)累積誤差對飛機姿態(tài)感知的影響，為無人機飛控提供可靠感知信息，用于獲取無人機的航姿信息；誤差補償技術(shù)基于三軸加速度、角速度數(shù)據(jù)的毫秒級響應(yīng)數(shù)據(jù)，采用多元數(shù)據(jù)融合技術(shù)，通過采集多源傳感器數(shù)據(jù)，經(jīng)過既定的優(yōu)先級排序傳感器讀數(shù)，除去讀數(shù)異常，選取最優(yōu)傳感器組合，通過融合信號比對單一陀螺數(shù)據(jù)姿態(tài)累積誤差，獲得無人機的飛行姿態(tài)誤差，實現(xiàn)姿態(tài)誤差的補償（橫滾角、俯仰角和航向角）。這2 項研究為無人機位置姿態(tài)糾偏提供了準確依據(jù)，是后續(xù)2 項研究的測試輸入。

其次，在先期研究具有一定實驗數(shù)據(jù)儲備的基礎(chǔ)上，對多軸主動穩(wěn)定技術(shù)和協(xié)調(diào)最優(yōu)控制技術(shù)進行研究。前者結(jié)合無人機的位置姿態(tài)和誤差信息，通過修正差異使無人機恢復(fù)到正確的航線和正確的姿態(tài)上；后者可以實現(xiàn)對外界微小擾動的精確負向補償，使系統(tǒng)參數(shù)自動達到最優(yōu)化狀態(tài)。最后，研制出一套毫米級精度的無人機飛行穩(wěn)定反饋控制平臺，并根據(jù)同級其他技術(shù)的進度，掛載相應(yīng)的真實或模擬配重進行外場試飛測試，為系統(tǒng)聯(lián)試與工程應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

5 結(jié)論

該文通過基于激光點云桿塔目標自動識別及結(jié)構(gòu)點位自動提取技術(shù)，創(chuàng)新地提出了基于激光點云桿塔傾斜參數(shù)自動測量技術(shù)的研究，實現(xiàn)基于無人機高精度激光雷達的輸電桿塔傾斜檢測，桿塔傾斜變形測量誤差小于1.5‰，同時給出了機載激光雷達的輸電桿塔檢測系統(tǒng)研制步驟和流程。該文的桿塔傾斜形變測量效果顯著，滿足電網(wǎng)對桿塔傾斜測量的標準要求，可在電網(wǎng)重點區(qū)域（地質(zhì)沉降區(qū)、采動區(qū)、地下抽水區(qū)和地質(zhì)脆弱區(qū)等）中進行應(yīng)用。