基于北斗星基增強(qiáng)技術(shù)的無(wú)人機(jī)電網(wǎng)全域覆蓋巡檢方法

楊嘉妮， 楊利波， 何婕， 劉昊

(1. 國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司輸電檢修分公司， 湖南， 衡陽(yáng) 421000；2. 智能帶電作業(yè)技術(shù)及裝備(機(jī)器人)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖南， 長(zhǎng)沙 410004；3. 國(guó)網(wǎng)帶電巡檢與智能作業(yè)技術(shù)公司實(shí)驗(yàn)室， 湖南， 長(zhǎng)沙 410100；4. 千尋位置網(wǎng)絡(luò)有限公司， 上海 200082)

0 引言

目前電力系統(tǒng)存在著許多安全隱患，如在雷雨天氣后，長(zhǎng)時(shí)間暴露在空氣中的桿塔和輸電線路將受到嚴(yán)重腐蝕；桿塔間的距離過大將使輸電線路承受較大拉力；遇強(qiáng)大風(fēng)，輸電線路承受的壓力更大，將導(dǎo)致輸電線路絕緣子磨損或缺失，最終導(dǎo)致導(dǎo)線斷股和自爆。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的興起，導(dǎo)航技術(shù)和圖像自動(dòng)識(shí)別技術(shù)發(fā)展迅速，利用無(wú)人機(jī)對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行安全巡查已成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。無(wú)人機(jī)電網(wǎng)全域覆蓋巡檢方法，首先利用導(dǎo)航技術(shù)計(jì)算好無(wú)人機(jī)的航線；在無(wú)人機(jī)飛行過程中再利用圖像自動(dòng)識(shí)別技術(shù)對(duì)電力設(shè)備進(jìn)行拍攝；回傳到計(jì)算機(jī)后，利用無(wú)人機(jī)對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行全覆蓋巡檢，其不僅能避免人為工作過程中的失誤，降低電網(wǎng)巡檢成本，而且大大地提高了電網(wǎng)巡檢的效率，研究無(wú)人機(jī)電網(wǎng)全域覆蓋巡檢方法對(duì)電力系統(tǒng)意義重大。

吳育武等[1]提出了利用多翼無(wú)人機(jī)對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行全域覆蓋巡檢的方法，此方法有效地解決了人為電網(wǎng)巡檢無(wú)法控制安全距離而導(dǎo)致巡查效率低的問題，成像效果好，巡檢效率高，但是其巡檢精度較低；羅隆福等[2]針對(duì)電力輸電線路復(fù)雜，不容易進(jìn)行巡檢軌道規(guī)劃等問題，提出了基于改進(jìn)RRT的無(wú)人機(jī)電力桿塔巡檢路徑規(guī)劃方法，但是其巡檢范圍較小。

綜合以上研究成果，總結(jié)以往研究經(jīng)驗(yàn)，提出了基于北斗星基增強(qiáng)技術(shù)的無(wú)人機(jī)電網(wǎng)全域覆蓋巡檢方法。該方法利用北斗星基增強(qiáng)技術(shù)結(jié)合RRT算法，計(jì)算出無(wú)人機(jī)巡檢時(shí)的最大航角，然后，考慮到無(wú)人機(jī)的機(jī)械特性，進(jìn)行無(wú)人機(jī)電網(wǎng)全域覆蓋巡檢，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

1 無(wú)人機(jī)電網(wǎng)全域覆蓋巡檢方法設(shè)計(jì)

1.1 提取無(wú)人機(jī)電網(wǎng)全域覆蓋圖像特征

無(wú)人機(jī)在對(duì)電網(wǎng)全域進(jìn)行覆蓋巡檢過程中，攝像機(jī)拍攝到的電網(wǎng)全域覆蓋圖像統(tǒng)一為RGB格式，需要將其轉(zhuǎn)化為灰度圖像[3]，才能有效減小電網(wǎng)全域覆蓋圖像在處理過程中的計(jì)算量，經(jīng)過灰度轉(zhuǎn)換的電網(wǎng)全域覆蓋圖像如圖1所示。

圖1 經(jīng)過灰度轉(zhuǎn)換的電網(wǎng)全域覆蓋圖像

無(wú)人機(jī)電網(wǎng)全域覆蓋圖像從RGB格式轉(zhuǎn)換到灰度圖像之后，需要對(duì)電網(wǎng)全域覆蓋圖像的閾值進(jìn)行分割。在閾值分割中，無(wú)人機(jī)電網(wǎng)全域覆蓋圖像的像素值為255，其他像素點(diǎn)值為0，從而得到一個(gè)無(wú)人機(jī)電網(wǎng)全域覆蓋的二值化圖像。

為了獲取到無(wú)人機(jī)電網(wǎng)全域覆蓋圖像中電網(wǎng)的數(shù)量和傾角信息，需要對(duì)無(wú)人機(jī)電網(wǎng)全域覆蓋的二值化圖像進(jìn)行直線變換[4]，其原理如下。

電網(wǎng)直線信息在二維圖像采用斜率和截距2個(gè)變量表示，即(k,b)；在極坐標(biāo)系中采用極徑和極角2個(gè)變量表示，即(ρ,θ)。利用直線變換可以提取出無(wú)人機(jī)電網(wǎng)全域覆蓋圖像特征，采用極坐標(biāo)的形式將電網(wǎng)全域覆蓋圖像的直線信息表示為[5]

(1)

式(1)經(jīng)過簡(jiǎn)化之后，可以得到：

r=xcosθ+ysinθ

(2)

定義經(jīng)過(x0,y0)的直線為

rθ=x0cosθ+y0sinθ

(3)

如果電網(wǎng)的全球覆蓋圖像中有兩點(diǎn)，則在極坐標(biāo)系中繪制通過兩點(diǎn)的所有直線。在設(shè)定閾值的基礎(chǔ)上，如果極坐標(biāo)系中某一點(diǎn)相交的曲線數(shù)量超過設(shè)定的閾值，則判斷該點(diǎn)是電網(wǎng)全球覆蓋圖像中的一條直線[6]。

由直線變換可以檢測(cè)到電網(wǎng)全域覆蓋圖像的直線數(shù)量以及斜率等信息，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)電網(wǎng)全域覆蓋圖像特征的提取。

由于電網(wǎng)全覆蓋圖像處理過程的復(fù)雜性，對(duì)電網(wǎng)全覆蓋圖像進(jìn)行灰度變換，用線變換的方式表示電網(wǎng)全覆蓋圖像的線信息，提取了無(wú)人機(jī)電網(wǎng)絡(luò)全覆蓋圖像的特征。

1.2 規(guī)劃無(wú)人機(jī)電網(wǎng)全域覆蓋巡檢航線

根據(jù)提取到的無(wú)人機(jī)電網(wǎng)全域覆蓋圖像特征可知，每一個(gè)電網(wǎng)的輸電桿塔都存在2個(gè)最佳拍攝點(diǎn)，無(wú)人機(jī)在進(jìn)行電網(wǎng)全域覆蓋巡檢過程中，依次在2個(gè)最佳拍攝點(diǎn)進(jìn)行電網(wǎng)全域覆蓋巡檢[7]。先計(jì)算2個(gè)最佳拍攝點(diǎn)的坐標(biāo)，每一個(gè)電網(wǎng)輸電桿塔都存在一個(gè)GPS坐標(biāo)，通常都是由當(dāng)?shù)氐碾娏痔峁?，根?jù)電網(wǎng)輸電桿塔坐標(biāo)和輸電桿塔所處的方位來計(jì)算GPS坐標(biāo)，如圖2所示。

圖2 無(wú)人機(jī)電網(wǎng)全域覆蓋巡檢的航點(diǎn)計(jì)算原理

在航點(diǎn)計(jì)算過程中，先計(jì)算角α的大小，根據(jù)邊長(zhǎng)OD和邊長(zhǎng)BD的大小，結(jié)合三角關(guān)系式[8]，可以得到：

(4)

(5)

β=90°-α-θ=40°-θ

(6)

假設(shè)在電網(wǎng)輸電桿塔絕緣子分布中心處，GPS的坐標(biāo)為(originlongti,originlati,h)。根據(jù)以下計(jì)算過程，可以得到無(wú)人機(jī)電網(wǎng)全域覆蓋巡檢的水平偏移坐標(biāo)，即：

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

航點(diǎn)計(jì)算采用弧度坐標(biāo)，CEARTH的值為6 378 137，lati和longti表示經(jīng)過偏移后的坐標(biāo)，x和y分別表示經(jīng)度方向偏移的距離和緯度方向上偏移的距離，θ表示電網(wǎng)輸電線路走向與緯度方向的夾角。

根據(jù)電網(wǎng)輸電桿塔坐標(biāo)和輸電桿塔所處的方位，計(jì)算電網(wǎng)輸電桿塔的GPS坐標(biāo)，基于無(wú)人機(jī)電網(wǎng)全域覆蓋巡檢的航點(diǎn)計(jì)算原理，計(jì)算了無(wú)人機(jī)電網(wǎng)全域覆蓋巡檢的水平偏移坐標(biāo)，規(guī)劃無(wú)人機(jī)電網(wǎng)全域覆蓋巡檢航線。

1.3 設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)電網(wǎng)全域覆蓋巡檢程序

無(wú)人機(jī)電網(wǎng)全域覆蓋巡檢程序的原理主要是利用導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)對(duì)全國(guó)地面區(qū)域基準(zhǔn)站進(jìn)行標(biāo)記，形成完整的信息錄入無(wú)人機(jī)系統(tǒng)，當(dāng)無(wú)人機(jī)在電網(wǎng)系統(tǒng)飛行過程中，通過地球同步衛(wèi)星對(duì)可用改正數(shù)據(jù)進(jìn)行服務(wù)平臺(tái)播放，利用各終端和無(wú)人機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，提供全域覆蓋的高精度位置糾錯(cuò)服務(wù)，厘米級(jí)修正無(wú)人機(jī)航向，保證無(wú)人機(jī)安全飛行。北斗地基增強(qiáng)技術(shù)原理如圖3所示。

圖3 北斗地基增強(qiáng)技術(shù)原理

圖3中，為了實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)厘米級(jí)位置服務(wù)，首先利用運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)連接衛(wèi)星通信信號(hào)，在北斗地基增強(qiáng)網(wǎng)站中進(jìn)行增強(qiáng)，得到抗干擾性能最優(yōu)的衛(wèi)星監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；然后將電網(wǎng)地面基準(zhǔn)站進(jìn)行網(wǎng)格化定位，獲得網(wǎng)格數(shù)據(jù)；通過數(shù)據(jù)推送后，經(jīng)過播發(fā)、監(jiān)控和用戶解算過程，在下發(fā)差分電文后，應(yīng)用無(wú)人機(jī)飛控與GNSS(全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng))，在復(fù)雜的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)精度定位，以確保無(wú)人機(jī)飛行的穩(wěn)定性。無(wú)人機(jī)電網(wǎng)全域覆蓋巡檢流程如圖4所示。

圖4 無(wú)人機(jī)電網(wǎng)全域覆蓋巡檢流程

利用無(wú)人機(jī)可實(shí)現(xiàn)三維空間飛行、空中懸停和云平臺(tái)遙控等功能，將其應(yīng)用于電網(wǎng)全域覆蓋巡檢，具有良好的穩(wěn)定性和安全性。利用云平臺(tái)遙控[9]，可以實(shí)時(shí)查看無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)飛行狀態(tài)和位置信息。電網(wǎng)全域覆蓋巡檢方案工作原理如下。

該無(wú)人機(jī)電網(wǎng)全域覆蓋巡檢程序基于北斗星基增強(qiáng)技術(shù)，利用無(wú)人機(jī)GPS信息對(duì)航線進(jìn)行組合導(dǎo)航，再利用無(wú)人機(jī)INS技術(shù)分析出差分GPS信息，最終實(shí)現(xiàn)差分GPS信息的組合導(dǎo)航，以此得出無(wú)人機(jī)在電網(wǎng)系統(tǒng)中的精準(zhǔn)位置[15]。利用區(qū)域基準(zhǔn)站對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行航點(diǎn)跟蹤，得知無(wú)人機(jī)的航線規(guī)劃，把無(wú)人機(jī)的實(shí)時(shí)位置與目標(biāo)位置信息進(jìn)行對(duì)比[10-12]。如果兩個(gè)位置接近重合且誤差在可控范圍內(nèi)，說明無(wú)人機(jī)已經(jīng)到達(dá)目標(biāo)桿塔位置，保持空中懸停，轉(zhuǎn)動(dòng)無(wú)人機(jī)云臺(tái)遠(yuǎn)程控制，對(duì)桿塔和絕緣子進(jìn)行掃描與拍照，拍照完成儲(chǔ)存后再飛向下一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)。如無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)位置不在目標(biāo)位置范圍內(nèi)，那么需要繼續(xù)利用導(dǎo)航信息尋找航點(diǎn)信息，直到發(fā)現(xiàn)目標(biāo)點(diǎn)再進(jìn)行上述操作。

綜上所述，根據(jù)北斗地基增強(qiáng)技術(shù)原理，將電網(wǎng)地面基準(zhǔn)站進(jìn)行網(wǎng)格化定位，設(shè)計(jì)了無(wú)人機(jī)電網(wǎng)全域覆蓋巡檢程序，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人機(jī)電網(wǎng)全域覆蓋的巡檢。

2 實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析

為了驗(yàn)證基于北斗星基增強(qiáng)技術(shù)的無(wú)人機(jī)電網(wǎng)全域覆蓋巡檢方法在精度和巡檢全面性方面的性能，采用文獻(xiàn)[1]方法和文獻(xiàn)[2]方法做對(duì)比，設(shè)置了如表1所示的仿真參數(shù)。

表1 仿真參數(shù)

三種巡檢方法的巡檢精度測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

受到實(shí)驗(yàn)樣本與實(shí)驗(yàn)環(huán)境的限制，測(cè)試次數(shù)最多為30次。由此，從圖5的測(cè)試結(jié)果可以看出，采用文獻(xiàn)[2]方法來對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行全域覆蓋巡檢時(shí)，巡檢精度達(dá)到了84.5%，并且在第10次實(shí)驗(yàn)到第20次實(shí)驗(yàn)過程中，巡檢精度出現(xiàn)了很明顯的下降，第20次試驗(yàn)之后，雖然有上升的趨勢(shì)，但是幅度很??；采用文獻(xiàn)[1]方法來對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行全域覆蓋巡檢時(shí)，巡檢精度只有76.8%，隨著實(shí)驗(yàn)測(cè)試次數(shù)的增加，實(shí)驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)了很大幅度的波動(dòng)；然而采用基于北斗星基增強(qiáng)技術(shù)的無(wú)人機(jī)電網(wǎng)全域覆蓋巡檢方法來對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行全域覆蓋巡檢時(shí)，巡檢精度高達(dá)93.4%，與其他兩種無(wú)人機(jī)電網(wǎng)全域覆蓋巡檢方法相比，無(wú)人機(jī)電網(wǎng)全域覆蓋巡檢的精度分別提高了8.9%和16.6%，具有一定的優(yōu)勢(shì)。

圖5 巡檢精度測(cè)試結(jié)果

三種巡檢方法的巡檢率測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

圖6 巡檢率測(cè)試結(jié)果

從圖6的結(jié)果可以看出，基于北斗星基增強(qiáng)技術(shù)的無(wú)人機(jī)電網(wǎng)全域覆蓋巡檢方法在對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行全域覆蓋巡檢時(shí)，全域覆蓋巡檢率始終高于其他兩種無(wú)人機(jī)電網(wǎng)全域覆蓋巡檢方法，說明該方法在巡檢過程中，可以提高電網(wǎng)巡檢的全面性，擴(kuò)大了電網(wǎng)全域覆蓋巡檢范圍，即可以實(shí)現(xiàn)全域覆蓋，從而大大提高了巡檢率。

3 總結(jié)

本文提出了基于北斗星基增強(qiáng)技術(shù)的無(wú)人機(jī)電網(wǎng)全域覆蓋巡檢方法，通過提取無(wú)人機(jī)電網(wǎng)全域覆蓋圖像特征，規(guī)劃了無(wú)人機(jī)電網(wǎng)全域覆蓋巡檢航線，結(jié)合北斗地基增強(qiáng)技術(shù)原理，設(shè)計(jì)了無(wú)人機(jī)電網(wǎng)全域覆蓋巡檢程序，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人機(jī)電網(wǎng)全域覆蓋的巡檢。結(jié)果顯示，該巡檢方法在精度和全面性方面具有很大優(yōu)勢(shì)。