基于3D SLAM 算法的輸電線路激光雷達移動測量系統(tǒng)設計

歐發(fā)斌，韋 濤，楊 欽，張國永，朱開放

（1.廣西電網(wǎng)有限責任公司，廣西南寧 530000；2.廣西電網(wǎng)有限責任公司崇左供電局，廣西崇左 532200）

為保證輸電線路的穩(wěn)定運行，需要對工程質(zhì)量進行有效的監(jiān)督和驗收[1]。以往的輸電線路測量普遍采用人工測量方法，工作量大、檢測工序繁瑣，且耗時長，經(jīng)濟成本較高，無法滿足當今大規(guī)模智能化電網(wǎng)建設發(fā)展的需求[2]。基于此，文獻[3]依據(jù)潮流計算原理測量輸電線路零序阻抗參數(shù)，對所有存在互感耦合的輸電線路進行測量。然而，如果受到外界因素干擾，將會影響測量結(jié)果。文獻[4]采用微分環(huán)非接觸式測量方法，通過傳感器的自積分能夠準確反映被測電流波形，然而外界電流干擾會造成測量結(jié)果不精準。

針對上述問題，提出了基于3D SLAM 算法的輸電線路激光雷達移動測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過對輸電線路的探測和定位，結(jié)合3D SLAM 算法獲得點云數(shù)據(jù)，并以此作為系統(tǒng)測量的標準。該系統(tǒng)可以自動測量地面目標至線路的距離，快速發(fā)現(xiàn)隱患，實現(xiàn)對線路的智能化管理。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設計

基于3D SLAM 算法的輸電線路激光雷達移動測量系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)示意圖

由圖1 可知，該系統(tǒng)采用便攜式結(jié)構(gòu)移動小車測量故障點的方式，設置了中央處理裝置的采集模塊和存儲模塊，分別負責輸電線路數(shù)據(jù)的采集和存儲。數(shù)字化接收設備接收檢測結(jié)果，并結(jié)合全景相機，將接收到的輸電線路數(shù)據(jù)輸入三維激光雷達系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)分析，依次降低各設備的安裝位置，確保各設備之間的工作互不干擾[5-7]。

1.1 中央處理裝置

1.1.1 數(shù)據(jù)采集模塊

整個系統(tǒng)以AD7502 芯片為核心，以DSP 為輸電線路數(shù)據(jù)采集模塊[8-9]，該DSP 數(shù)據(jù)采集模塊可以將數(shù)據(jù)總線與地址總線并行，提高數(shù)據(jù)吞吐率，滿足實時性要求[10-11]。

1.1.2 數(shù)據(jù)存儲模塊

數(shù)據(jù)存儲模塊會通過主機掃描檢測器采集數(shù)據(jù)，通過主機實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲[12]。數(shù)據(jù)存儲模塊如圖2 所示。

[48] Sean P. Henseler, “Why We Need South China Sea Freedom of Navigation Patrols”, The Diplomat, October 6, 2015, https://thediplomat.com/2015/10/why-we-need-south-china-sea-freedom-of-navigation-patrols/.

圖2 數(shù)據(jù)存儲模塊

以統(tǒng)一的方式封裝存儲器資源，數(shù)據(jù)存儲后可與主機相關聯(lián)，從而為虛擬機創(chuàng)建多個虛擬磁盤[13]。

1.2 測量裝置安裝

采集小車的安裝支架上設有固定裝置，包括上下平面結(jié)構(gòu)和設置在上下平面結(jié)構(gòu)之間的斜面結(jié)構(gòu)[14]。單機采用斜面式，多機采用低面式，處理單元與單機雷達多線式相連接。平板及支架與采集車尾部平面傾斜度為45°，其夾角為掃描角，安裝方便。坡道結(jié)構(gòu)還配有慣性測量裝置(IMU)，用來連接處理器 模塊與CPU 電 氣[15]。

1.3 全景相機

基于3D SLAM 算法的輸電線路激光雷達移動測量系統(tǒng)還包括支撐全景相機的豎桿和支撐攝像機的豎桿，豎桿一端連接支架固定，另一端電源連接全景相機中央處理器的處理模塊，豎桿高度大于安裝座高度，以保證拍攝到輸電線路全貌。

1.4 三維激光雷達系統(tǒng)

三維激光雷達系統(tǒng)由航天器、GPS、激光掃描儀等組成，其結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 三維激光雷達系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

由圖3 可知，航行器的固定機翼與直升機構(gòu)成一個飛行平臺，慣導系統(tǒng)通過動態(tài)差分全球定位系統(tǒng)接收機提供飛行器的瞬時三維坐標，并能夠?qū)︼w行器的瞬時姿態(tài)參數(shù)進行測量，形成系統(tǒng)的定位和慣導測量系統(tǒng)。用激光掃描儀測得測量中心到地面采樣點的距離，該系統(tǒng)分為三個主要部分：控制、記錄和同步[16]。采用激光回波點的三維坐標，可建立高精度的模擬數(shù)字高程模型，實現(xiàn)地物地形的測量。

利用激光掃描儀從不同角度向輸電線路發(fā)射多線激光雷達光束，與掃描面形成傾斜的斜面。若激光掃描儀發(fā)射的多線激光雷達光束越多，則掃描平面上的傾角將在不同的光束方向上產(chǎn)生一定的傾斜，此時得到的點云數(shù)據(jù)越多，成像越清晰。以系統(tǒng)標定為基礎，采用多線激光雷達獲取道路兩側(cè)及以上交通標志高度，采用單線激光雷達站點云數(shù)據(jù)獲取高精度輸電線路故障數(shù)據(jù)，大大提高了輸電線路故障數(shù)據(jù)采集質(zhì)量。

2 系統(tǒng)軟件設計

輸電線路激光雷達移動測量步驟為：

步驟一：在測量傳輸線運動時，設置激光雷達與載體剛性相連。

步驟二：將激光雷達線與傳輸線之間的距離設為先驗高度，并設定閾值。

步驟三：采用3D SLAM 算法獲取點云數(shù)據(jù)。

實時3D 激光SLAM 算法流程如圖4 所示。

圖4 實時3D激光SLAM算法流程

從圖4 中可以看出，關鍵幀檢測負責把SLAM 過程表示成位姿圖，通過后縮非線性優(yōu)化利用非線性最小二乘法對位姿圖進行優(yōu)化。

1）位姿圖表示

以激光雷達為固定中心，極坐標系周圍分布著原始數(shù)據(jù)，如圖5 所示。

圖5 輸電線路三維激光雷達測量示意圖

由圖5 可知，假定載波坐標與激光雷達坐標重合，各坐標數(shù)據(jù)以(di,φi),i∈[0,n-1]符號表示，以逆時針方向增大，n表示激光束數(shù)、量角范圍和最大量距。在第一個激光器中，一個符號表示它被測量的距離，另一個符號表示它相對載體坐標的旋轉(zhuǎn)角度。

2）非線性最小二乘法優(yōu)化求解

以圖形為基礎的SLAM 過程一般可用非線性最小二乘法表示，如式（1）所示：

式（1）中，ei表示函數(shù)。Ωi表示誤差函數(shù)約束，x則表示若干信息量矩陣。采用非線性最小二乘法和泰勒展開法對誤差函數(shù)進行了線性化處理。

步驟四：利用SLAM 算法對各點的最近鄰點進行搜索，獲取最優(yōu)搜索結(jié)果。如果特征值的搜索結(jié)果接近，那么點就在球面上。如果搜索到的特征值差別很大，則說明這個點在平面上。當一個特征值的搜索結(jié)果與其余特征值有很大差異時，表明該特征值是故障點，以此獲取輸電線路故障點的準確位置，實現(xiàn)輸電線路測量。

3 實驗分析

由于強風、暴雨等自然因素的影響或人為破壞，造成傳輸線故障。施工驗收過程中發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)情況下造成電力中斷的原因都是在輸電線路通道外的樹木被自然災害或人為損壞等落到通道上造成的。在此背景下，對基于3D SLAM 算法的輸電線路激光雷達移動測量系統(tǒng)設計合理性進行實驗驗證分析。

3.1 實驗數(shù)據(jù)設置

在某輸電線路上突然出現(xiàn)故障，經(jīng)人工維修排查到故障情況如圖6 所示。

圖6 某條輸電線路故障情況分析

由圖6 可知，該線路上出現(xiàn)兩個故障點，采用所提激光雷達移動測量系統(tǒng)，以激光雷達為固定中心，確定故障點的坐標如圖7 所示。

圖7 激光雷達移動測量系統(tǒng)故障點坐標

如圖7 所示，故障點1 坐標為（-60，100，-30），故障點2 坐標為（100，-80，0）。

3.2 實驗結(jié)果與分析

分別使用傳統(tǒng)輸電線路零序阻抗參數(shù)測量方法、微分環(huán)非接觸式測量方法和所研究的3D SLAM算法測量方法對輸電線路故障點坐標進行測量，結(jié)果如圖8 所示。

由圖8 可知，使用輸電線路零序阻抗參數(shù)測量方法故障點1 坐標為（-50，100，-80），故障點2 坐標為（60，50，-75）；使用基于微分環(huán)輸電線路非接觸式測量方法故障點1 坐標為（20，100，0），故障點2 坐標為（100，-75，0）；使用基于3D SLAM 算法測量系統(tǒng)故障點1 坐標為（-60，100，-30），故障點2 坐標為（100，-80，0），實現(xiàn)結(jié)果證明了所設計系統(tǒng)的測量結(jié)果精準。

圖8 3種方式測量結(jié)果分析

4 結(jié)束語

采用3D SLAM 算法設計輸電線路激光雷達移動測量系統(tǒng)，采取以激光雷達固定中心為中心的極坐標系的方法，能夠快速獲得傳輸線區(qū)域的三維地形數(shù)據(jù)。實驗結(jié)果表明，該測量系統(tǒng)能夠準確定位輸電線路故障坐標點，提升輸電線路的檢修精度。該方法不僅在輸電線路的驗收中發(fā)揮了重要的作用，同時還可應用到數(shù)字化電網(wǎng)輸電線路中，進一步豐富所提方法的應用多樣性。