基于緩沖算法的無人機電力線傾斜攝影航跡規劃研究

董選昌 曲烽瑞 張耿斌 李陸林 楊成城

摘 要：針對電力走廊進行巡視或傾斜攝影數據采集，需要離電力線保持一種安全側向距離和高度，進行按航跡沿線自主飛行和反航，航跡的規劃影響了數據覆蓋的范圍，決定了數據采集質量的好壞。文章基于緩沖算法和傾斜攝影的特點，提出一種新的航跡規劃方案，以保證單架次單相機傾斜攝影的數據能滿足電力桿塔和電力導線的數據采集任務。

關鍵詞：傾斜攝影；三維建模

由于傾斜影像為用戶提供了更豐富的地理信息、更友好的用戶體驗，該技術在歐美等發達國家已經廣泛應用于應急指揮、國土安全、城市管理、房產稅收等行業。但針對電力行業應用的傾斜攝影仍然存在的各種不足[1]，本文針對電力線進行傾斜攝影數據采集，設置規范的航拍路徑，確保一個架次往返飛行即可全覆蓋完成數據采集任務。

1 關鍵技術與流程

實現輸電線路的數據采集，其流程如圖1所示。

1.1 電力線緩沖算法

基于折線進行緩沖區的算法比較多，本文借鑒傳統的緩沖區常用算法[2 -3]，和傳統的雙線圓弧算法相同，在凸側加入圓弧，在凹側加入線段，同時記錄線段/弧段的前進方向，按順/逆時針順序最終生成一個線段/弧段混合數組，生成的初始緩沖區邊界如圖2所示。

交點的計算是整個緩沖區算法中最為耗時的操作。經過求交運算計算出來的交點有些可能位于整個緩沖區的內部，需要予以剔除。經過計算交點并剔除在緩沖區內部的交點后。剩下的交點均位于緩沖區的邊界上，為最終緩沖區上的點。此時構造緩沖區的策略借鑒采用兩多邊形求并的雙線算法。即從交點集合中選擇一點，沿著前進方向跟蹤，遇到交點則跳轉到交點所在的另外一個單元上，如此重復，直到回到該交點[4]。

1.2 相機參數分析

相機的參數決定了航跡的高度范圍，當相機足夠高的時候能覆蓋桿塔，但測量的精度又達不到應用的需求，如果相機離桿塔太近又會不滿足覆蓋線路走廊的條件，本文以RX1相機的參數為例子，其他相機參數可以以表1-2類推，根據需要的測繪精度，確定最佳的飛行高度。

RX1相機參數分析如下，航測可根據傾斜攝影測量的需要，從表1-2的分析中找到最佳的航拍航跡高度。

（2）覆蓋寬度的分析（見表3）。

（3）安全距離下不同飛行高度的傾斜角。

考慮500kv線路的安全距離（5m）和飛行不確定性（30m），即飛行旁向距離為35m，對不同飛行高度的傾斜角計算如表4所示。

根據dW=H·tg（dα）計算不同姿態變化下的側擺位移，如表5所示。

故：相機傾斜角按15°設計，當姿態變化為8°時，覆蓋降低到87m左右，中心偏移18m，有效覆蓋范圍為：87-18=69m，旁向重疊：69/75=92%。

2 實驗分析

以廣東某線路為例進行試驗飛行，采用零度的飛控控制的多懸翼無人機進行起飛降落，進行自主航跡飛行試驗。三維平臺上面，黃色的軌跡為規劃的實際的三維路線，黑色的軌跡為差分GPS處理后的軌跡信息。差分的高程比實際的高程高出10m左右，其他水平位置誤差基本可忽略。規劃軌跡如圖4所示，通過實拍的照片如圖5所示，照片位于相機的中心附近，說明該三維航線設計能滿足巡線的需求，減少飛控手人為的誤操作，實現傻瓜式自主飛行巡線和數據采集任務。

3 結語

本文利用折線緩沖區分析方法，通過相機參數設置，完整地生成了無人機三維航跡，確保巡視桿塔出現在相機的中心部位，很好地滿足了電力生產的維護的應用。

[參考文獻]

[1]毋河海.關于GIS緩沖區的建立問題[J].武漢測繪科技大學學報，1997（4）：358-366.

[2]呂杏兒，黃杏元.基于GIS的緩沖區生成模型理論和方法[J].科技通報，2000（5）： 12-14.

[3]王亮.GeoWindows中緩沖區生成的算法[J].遙感信息，1998（Z1）：26-29.

[4]郭達志，盛業華.地理信息系統原理與應用[M].徐州：中國礦業大學出版社，2002.

Research on UAV Route Planning for the Inclined Photography Collection Based on Buffer Algorithm

Dong Xuanchang1， Qu Fengrui1， Zhang Gengbin1， Li Lulin1， Yang Chengcheng2（1.Guangzhou Power Supply Bureau， Guangzhou 510315， China； 2.Wuhan Huzoho Technology Co.， Ltd.， Wuhan 430079， China）

Abstract： Inspections are carried out for the power corridors or tilt photography data acquisition， from power lines need to maintain a safe lateral distance and height， carried along by the track and anti-aircraft autonomous flight， trajectory planning affect the scope of data coverage， determines the data collection quality is good or bad. Based buffer algorithm and tilt photography， this paper proposes a new path planning programs to ensure that a single sortie single camera tilt photography data to meet the electricity tower and power conductor data acquisition tasks.

Key words： oblique photography； 3D modeling