輸電線路無人機自動駕駛技術的實現與應用

毛軼凡 朱偉杰

摘要：目前，多旋翼無人機在輸電線路中有著廣泛應用，承擔著線路本體和通道環境的遠程監控和拍攝任務，人機協同工作運行，大大提升了電網運行和維護效率。然而培訓一名無人機飛行員從取證到實戰飛行需要6至12個月的時間，每人大約花費數萬元，而且培訓的時間和成本太多還不足以保證其飛行的技術穩定，常常由于人為操作失誤使得無人機有墜機的風險。新興的無人機自動駕駛系統正解決這一難題，由于輸電線路的相對靜止性使得自主巡檢并沒有像機動車在道路上行駛時那么復雜，從而可以更加輕松地實現自動駕駛。此外一旦我們在輸電線路中采用無人機自動駕駛系統后，照片的清晰性和完整度會變得更高，消除了人為操控無人機時拍攝照片的不穩定性和盲區，使得運維效率明顯得到了提高。

關鍵詞：輸電線路;無人機;自動駕駛

為了有效保證各類輸電線路本體設備的連接穩定和安全運行，有必要對各類輸電線路的金具、絕緣子、導地線、桿塔、附屬裝置等進行定期檢測，及時發現各類設備的緊急情況或嚴重缺陷，防止各類輸電設備事故或外力損害事故。近年來，國家電網大力推進無人機巡檢技術，通過近5年的發展，已逐步實現了空、塔、地協同巡視的立體巡檢模式，隨著線路不斷擴張，電壓等級不斷加大，無人機自動駕駛系統技術的實現正是滿足如今輸電智能化巡檢的需求。

1.輸電巡檢實現無人機自動駕駛的條件

1.1線路點云數據采集設備

線路點云數據庫主要是指輸電線路通過各種激光雷達等裝置和各類測量儀表進行掃描，以點的方式進行掃描信息記錄和分析。每個點都已經包含了三維坐標，由這幾個點組合構建的點云模型，它們就是可以實時、準確地記錄一條直線上各個點的位移情況。然而，線路周圍環境復雜或者特別是設備本身的各種因素會造成數據采集的誤差，如果我們直接運用未校準的激光雷達掃描測得出來的點云飛行，無人機很可能因為誤差觸碰鐵塔或者導線。

這就必然要求后期我們通過點云編輯器對數據進行校準，從而降低信息傳遞中的誤差。激光點云編輯器的處理內容包括點云分類、降噪濾波、提取目標物以及三維模型重建等。其基本流程如下：首先將非電力線線點及電力線點云候選點從原始三維點云的海量數據中分離出來，在完成線路的分離之后，為有效降低產生的噪聲，在精確提取電力線之前還需要進行濾波處理;其次通過電力線所處的空間位置與線路走向來判斷識別單根電力線點;最后一步是對電力線點的三維立體模型重建。

無人機自動駕駛和激光點云之間是一對彼此形影不離的系統，唯有掌握了精確的激光點云計算模型，才能夠使自動駕駛具備良好的可操作性。為后期自動駕駛工作開展提供大量數據的安全性和穩定性提供了保障。

1.2帶有RTK定位系統的無人機

隨著我國衛星定位技術的進步和迅猛發展，人們對于快速、準確地獲取位置信息的要求也越來越高。RTK定位技術（real-time kinematic）就是一種高精度的GPS測量，它是基于載波相位觀測值的實時動態定位技術，能夠實時地提供測站點在指定坐標系中的三維定位結果，將RTK定位技術搭載于無人機，可以達到厘米級精度。

而目前我們輸電線路巡檢所需要運用RTK技術中面臨的一個主要問題之一是各參照電站之間的有效距離影響了數據的矯正。GPS誤差時間的相關性會隨著一個參考站與一個移動基站之間時空距離的縮短而逐步地喪失時間線性，而且目前傳統單機 RTK的各種時空和作業距離都很有限（小于500m）。

因此為了能夠使得輸電系統能夠真正實現一個全程自動化駕駛，主要就是通過將網絡運用到RTK技術中，通過多個參考站所建立的GPS網絡模型，來精確地估計某一特定位置或者地區內的GPS誤差模型，并為其提供了一個所涵蓋范圍，向用戶提供校正的數據。網絡RTK技術已經突破了傳統的距離約束和延時錯開誤差，可以被更好的應用于線路自動巡檢。

2.無人機自動駕駛在輸電線路中的應用

2.1線路通道樹障精細化巡視

傳統的線路通道樹障的精細化巡航需要無人機駕駛員具備嫻熟的專業技術并且對于線路設備十分了解和熟悉。為了避免無人機云臺鏡頭在飛行中所出現的距離與角度之間有所偏差，我們還需要盡量適應操作員對于作業角度的嚴格要求。相比以往我們所采用的人工操作，自動駕駛這種技術會有非常大的改善和實現， 基于無人機影像解算出的點云數據，針對電力線提取與擬合的難點對算法進行了改進，實現了點云數據自動分類和精準自動擬合電力線，并進一步將研究算法用于后期樹障隱患缺陷分析，對降低相關工作人員的作業風險、保障作業安全以及提高電力線巡檢效率具有重要意義。

2.2線路故障夜間特巡與勘災

對于夜間輸電線路跳閘特巡，一般采用人工攜帶照明設備巡視，對于重點桿塔甚至要登桿檢查，這樣既耗時費力又很難發現故障點。利用自動駕駛的夜視式的無人機，不用再過分擔心是否能夠清晰看得見導線或桿塔，還能降低夜視式的無人機在空中與輸電設備碰撞的危險。此外，可以直接實現一鍵起飛，讓夜視式的無人機快速地準確到達所要指點的操作位置并對其進行了拍照，不會因受夜間操作環境條件的作用，實現了對發生事件情況的快速查找。通過利用無人機自動駕駛監控系統，能夠輕松地完成對故障原因的巡視，為整個應急搶修任務的部署和運行提供了關鍵的數據支持。

2.3線路設備隱患臺賬的建立與更新

通過自動導航飛行線路的規劃，利用各個控制點的不同視野進行對線路和設備的拍照，再將所有準確和角度的拍攝結果從網絡上獲取并傳輸到相應的圖像，利用計算機和軟件進行綜合繪制線路和設備的全景圖，可以方便地使用者在線路的交叉上進行對跨越安全距離的測量。例如違法建筑物或線路下方大型施工機械與線路安全距離的測量和多工況下的線路狀態檢查等，將數據進行采集、組合，構建一套真正的實時、自動化的輸電線路。另外重點針對我國跨境高速公路、鐵路、重要輸電交叉跨越的三跨地區和重要部位進行了大幅度且自動化的飛機起降和拍攝，目的就是及時發現輸電裝置中存在的安全隱患，提高輸電裝置的安全和運營技術水平，及時掌握輸電設備的動態情況，實現輸電設備的智能化運檢。

3.小結

近年來，隨著我國各輸電線路電壓等級的不斷升高，輸電設備建造規模不斷擴大，線路的總里程每年都呈現井噴式地增長，尤其是特高壓輸電電壓等級，鐵塔高度高，其內部結構也愈加復雜。為了有效地緩解各種輸電線路的正常運維管理上的壓力，本文主要介紹了實現無人機自動駕駛兩大核心技術和在輸電線路中的三種具體應用案例。無人機自動駕駛技術的實現和應用提升了輸電線路巡檢的工作質量與管理效率，保證了輸電線路的安全與穩定，成為現在和未來輸電線路運維不可或缺的關鍵技術。

參考文獻

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