無人機動態跟蹤展示系統設計

高妙仙++胡天碩

摘 要

本文從電力系統實際應用出發，利用無人機體積小、可執行高風險任務等特點，結合高分辨率遙感影像和輸電線路三維仿真，設計實現了無人機動態跟蹤展示系統，幫助地面工作人員很好地把握無人機飛行區域的總體狀況，并對無人機飛行進行監控，確保無人機飛行安全。

【關鍵詞】無人機 電線路動態 跟蹤展示 系統

1 引言

無人機（Unmanned Aerial Vehicle）簡稱UAV，又名無人空中飛行器或空中機器人（Aerial Robotics）。無人機因其體積小、隱蔽性好、可執行高風險任務的特點被越來越多的行業所應用，發展前景廣闊。

隨著超高壓、特高壓遠距離輸電技術的發展，輸電線路距離長、沿線地形復雜、輸電線路塔體高等因素導致常規的線路巡檢作業方法已難以滿足輸電線路的巡檢要求。無人機航巡輸電線路成為一種新的線路巡檢方法，它不受地形環境限制，具有效率高、作業范圍廣的優勢。無人機大范圍地參與巡線、帶電作業和線路施工，相應的無人機系統相關研究也隨即展開。

一套完整的無人機系統是由無人機和無人機地面站系統組成，無人機地面站作為整個無人機系統的“神經中樞”對整個無人機系統起到非常重要的作用。在無人機航巡輸電線路作業中，巡線無人機通過信號發射裝置將數據發送至地面工作站，從而實現對無人機的監視、導航和控制，完成既定巡線任務。這就需要一個適用于無人機的電子導航地圖，實時顯示無人機的位置和飛行路徑，方便操作人員對無人機進行監控，并將無人機的定位信息實時存儲到數據庫中，以便對數據進行分析與處理并實現軌跡回放再現功能。圖1所示的流程圖概括了無人機動態跟蹤展示系統的設計過程。

2 無人機動態跟蹤展示實現

采用無人機航巡輸電線路，可以對輸電線路本體缺陷、通道隱患進行快速探測，在各種復雜地形、惡劣氣候、災害天氣下，可做到及時、準確、高效地獲取現場資料。

本文設計實現的無人機動態跟蹤展示系統采用GIS、RS和虛擬現實技術，集成了多源（包括影像數據、DEM、三維模型數據）海量數據，客戶端可實現三維影像數據快速瀏覽和電網三維模型高速渲染。系統通過串口數據對接技術，能夠實時接收地面工作站發送的報文數據，在三維系統中實時顯示無人機飛行位置，及相關飛行姿態信息，輔助工作人員進行無人機飛行監控，并通過高分辨率遙感影像和高精度電力設備模型把握無人機飛行區域的總體狀況，控制無人機的飛行線路，確保無人機飛行安全。

2.1 基于高清晰度遙感影像的飛行監控環境

無人機動態跟蹤展示系統通過使用實驗區0.5米分辨率遙感影像數據、高精DEM數據，對電網設備所在區域進行仿真，再現電網設備所在區域的自然環境，建立系統所需要的輸電運行監控區域。同時，在三維場景中，實現基于鼠標、鍵盤的場景縮放、移動、翻轉等交互操作。

2.2 高精度電力設備仿真

建立桿塔、電線、變電站等電力設備的三維模型，并植入三維場景中，對輸電區域內的電力設備進行仿真再現，如圖2。

2.3 無人機實時動態跟蹤展示

無人機動態跟蹤展示基于高清晰度遙感影像的飛行監控環境和桿塔線路數據、電力設施數據，采用串口形式實現與地面工作站的信號接收裝置對接，實現無人機實時動態跟蹤展示。

根據通訊規約，系統對接收到的加密報文數據進行解析，并將其編譯為EV-Globe平臺支持的數據格式。

通訊規約報文通訊格式如表1。

表1

AA 功能碼 數據 FF

其中AA為開始位，FF為結束位。解析的數據內容包括轉動角、俯仰角、偏航角、經度、緯度、高度、速度等信息。解析后的數據內容能夠在系統中進行實時顯示。

2.4 軌跡飛行模擬

無人機地面工作站將設計好的飛行路徑文件（kml格式，數據內容主要是路徑關鍵點坐標信息），導入三維GIS系統中，實現無人機模擬飛行，如圖3。

2.5 與三維數字地理信息系統無縫集成

無人機動態跟蹤展示系統能夠無縫集成到已有的三維數字地理信息系統中，沿輸電線路進行模擬巡線。無人機上裝備穩定的可見光檢測儀與成像儀等載荷，對輸電線路進行檢查和錄像，具有高科技、高效率，不受地域影響等優點。巡線無人機通過懸停、定點拍照，將設備狀況、線路通道等畫面實時傳送至地面控制臺，如圖4。

三維數字地理信息系統集成地面控制臺接收到的設備多媒體信息，并通過查詢線路詳細信息，對獲得的資料進行查詢、顯示。

3 總結

無人機智能巡線廣泛應用于高山、河流地區的輸電線路巡線，以此降低電力行業的直接投資成本、勞動強度和人力資源消耗，大量節省輸電線路巡檢和電路故障解決時間，提高電力行業在自然災害發生后的應急搶險速度，有助于提高電網運行的穩定性。

無人機實時動態跟蹤展示與導航是無人機完成各項任務的重要前提。通過開發本系統，在規劃航跡、動態監視、組合導航定位過程中，結合高分辨率遙感影像和輸電線路三維仿真，可以更加直觀、更加精確、更加人性化，因此具有較好的應用價值和前景。

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作者單位

1.地理空間信息技術國家地方聯合工程研究中心，福建省空間信息工程研究中心，福州大學 福建省福州市 350002

2.北京國遙新天地信息技術有限公司 北京市 100101