無人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)在輸電線路巡線中的應(yīng)用

吳雨鍇

摘要：現(xiàn)有的電力系統(tǒng)主要由四個(gè)部分組成，分別是發(fā)電、輸電、配電和用電，任意一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都會(huì)影響整個(gè)電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。輸電部分的線路主要有電纜線路和架空線路兩種，不同于電纜線路主要分布在城市企業(yè)、醫(yī)院等地，檢修起來較為方便，架空線路通常分布在野外、山區(qū)等人跡罕至的地方，甚至分布在峭壁、雪山等惡劣的自然環(huán)境中，若是出現(xiàn)輸電線老化、斷股或絕緣子損壞等情況，則經(jīng)常會(huì)因?yàn)闊o法及時(shí)檢修而導(dǎo)致電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障，從而造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)機(jī);輸電線路;巡線應(yīng)用

引言

當(dāng)前在我國電力企業(yè)的發(fā)展過程中，由于供電負(fù)荷量不斷上漲，為保證電網(wǎng)供電穩(wěn)定，供電單位對(duì)線路巡視工作的重視程度也在不斷提升。通過線路巡視工作的開展，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)供電線路當(dāng)中存在的各種問題和故障，并且做好必要的處理措施，保證供輸電線路安全穩(wěn)定運(yùn)行。傳統(tǒng)的電力線路巡視工作中，主要是通過人工巡視排查線路的運(yùn)行缺陷和隱患，工作效率以及效果上都有所欠缺，消耗大量人力物力。隨著無人機(jī)技術(shù)的不斷成熟和應(yīng)用，無人機(jī)在輸電線路巡視工作中發(fā)揮出了重要的作用，無人機(jī)的使用有效打破空間方面的限制，搭載多種云臺(tái)負(fù)載可以代替大部分線路巡視和測量工作，提高電力線路巡視工作的效率和質(zhì)量。

1機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)

1.1機(jī)系統(tǒng)

無人機(jī)是一種可自主飛行或遠(yuǎn)程引導(dǎo)、不搭載人員的動(dòng)力飛行器。無人機(jī)因可以搭載相機(jī)、定位系統(tǒng)、信息傳輸系統(tǒng)等硬件而廣泛應(yīng)用于緊急救災(zāi)、農(nóng)業(yè)、測繪等領(lǐng)域。通常情況下，無人機(jī)系統(tǒng)除了無人機(jī)本體外，還包括飛行控制系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、能源系統(tǒng)、任務(wù)荷載設(shè)備、通信系統(tǒng)、地面監(jiān)控站。（1）飛行控制系統(tǒng)作為整個(gè)系統(tǒng)的核心部位，用于控制無人機(jī)的起飛、降落等各種工作狀態(tài)。（2）動(dòng)力系統(tǒng)即發(fā)動(dòng)機(jī)及相關(guān)附件設(shè)施。（3）能源系統(tǒng)即為無人機(jī)系統(tǒng)提供電能的相關(guān)部件。（4）任務(wù)荷載設(shè)備即根據(jù)業(yè)務(wù)需求搭載的相關(guān)軟硬件設(shè)備，如氣象設(shè)備、農(nóng)藥噴灑設(shè)備、相機(jī)等。（5）通信系統(tǒng)即數(shù)據(jù)傳輸軟硬件。（6）地面監(jiān)測站用于控制并調(diào)整無人機(jī)飛行的路線、高度、角度等參數(shù)。

1.2巡線及避障技術(shù)

無人機(jī)在執(zhí)行既定電力巡檢任務(wù)時(shí)，需要準(zhǔn)確地按照任務(wù)路線進(jìn)行飛行，躲避線路上可能存在或突然出現(xiàn)的障礙物，并在躲避結(jié)束后及時(shí)回歸到任務(wù)路線上繼續(xù)巡檢。目前的無人機(jī)巡線技術(shù)主要通過GPS定位及導(dǎo)航技術(shù)、基于攝像的視覺技術(shù)等結(jié)合應(yīng)用實(shí)現(xiàn)，但在飛行過程中易受到如惡劣天氣造成無人機(jī)姿態(tài)異常等因素影響，導(dǎo)致視覺技術(shù)的識(shí)別率下降。避障技術(shù)主要通過視覺技術(shù)、紅外探測技術(shù)和聲吶探測技術(shù)等結(jié)合應(yīng)用實(shí)現(xiàn)，但對(duì)于較大或者移動(dòng)速度較快的障礙物，無人機(jī)可能會(huì)因?yàn)閬聿患岸惚芏鴵p壞。因此，無人機(jī)自身以及掛載設(shè)備的硬件品質(zhì)和各種軟件技術(shù)都需要進(jìn)一步提升，以保證無人機(jī)在巡檢任務(wù)中的安全性和穩(wěn)定性。

1.3激光雷達(dá)

機(jī)載激光雷達(dá)包含了激光掃描儀、GPS、IMU、數(shù)碼相機(jī)等光譜成像設(shè)備。激光掃描儀可以主動(dòng)獲取輸電線路通道的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，結(jié)合GPS定位經(jīng)坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換獲得通道內(nèi)地物的三維坐標(biāo)信息。點(diǎn)云數(shù)據(jù)是離散不規(guī)則的點(diǎn)，其格式主要有兩種，ASCII碼純文本和LAS格式。由于地物復(fù)雜多樣[3]，因此需要對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分類處理以區(qū)別不同的地物。機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)獲得的地物精度準(zhǔn)確，操作快捷迅速，在測繪行業(yè)具有重要的作用，隨著軟硬件技術(shù)的迅速發(fā)展，其已逐步用于地物的自動(dòng)化分類。

2無人機(jī)技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢

當(dāng)前隨著我國電力產(chǎn)業(yè)的快速建設(shè)和發(fā)展，在供電過程中對(duì)供電線路的供電狀態(tài)提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)。由于不同區(qū)域范圍內(nèi)供電量以及供電狀況存在一定的差異，因此需要在供電管理過程中充分做好供電線路的巡視工作，對(duì)供電線路當(dāng)中存在的各種缺陷和故障問題進(jìn)行及時(shí)發(fā)現(xiàn)，并且提出針對(duì)性的處理措施來加以解決，有效提高整個(gè)供電工作的質(zhì)量和效果。無人機(jī)代替人工登桿檢查桿塔上的部件，搭載見光相機(jī)拍攝桿塔照片，在整個(gè)巡視工作的效果和質(zhì)量方面得到了明顯的提升，也避免了人工檢查的安全風(fēng)險(xiǎn)。在具體的巡視過程中，人工巡視和無人機(jī)技術(shù)之間進(jìn)行有效結(jié)合，可以最大限度上保證電力線路在最短的時(shí)間范圍內(nèi)完成全面的巡視和檢查，為整個(gè)供電工作的安全性和穩(wěn)定性提供重要的保障[1]。因此，作為供電單位，在線路巡視工作中需要對(duì)無人機(jī)技術(shù)的應(yīng)用加以充分重視，對(duì)線路巡視工作中存在的不足進(jìn)行改進(jìn)和完善，充分發(fā)揮出無人機(jī)技術(shù)在電力線路巡視工作中的工作優(yōu)勢，有效提高供電工作的整體質(zhì)量和效率。

3輸電路激光點(diǎn)云的采集及數(shù)據(jù)處理

3.1光點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

（1）點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集的前期準(zhǔn)備工作包括實(shí)地踏勘、航線設(shè)計(jì)等。1）實(shí)地踏勘的目的是詳細(xì)了解測區(qū)的情況，如測區(qū)邊界、地形地貌、交通情況等。2）航線設(shè)計(jì)遵循高效、經(jīng)濟(jì)的原則，在實(shí)地踏勘的基礎(chǔ)上，根據(jù)已有地形圖并按照需求方的要求、行業(yè)規(guī)范及實(shí)地具體天氣情況，制定詳細(xì)的航飛路線、航飛計(jì)劃及人員安排計(jì)劃。隨著點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集的進(jìn)行，航飛設(shè)計(jì)要不斷變化更新，以保質(zhì)保量地完成數(shù)據(jù)采集工作。（2）點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集包括控制測量、數(shù)據(jù)采集、補(bǔ)測等。

3.2無線通信技術(shù)

執(zhí)行巡檢任務(wù)時(shí)，無人機(jī)需要與地面服務(wù)器保持實(shí)時(shí)的無線連接，以保證可以實(shí)時(shí)回傳無人機(jī)的狀態(tài)信息、任務(wù)信息和所拍攝的圖像、視頻等數(shù)據(jù)文件，以及接收地面服務(wù)器發(fā)送的控制信號(hào)并給予反饋等。但電力巡檢的環(huán)境往往十分復(fù)雜，且充滿變化和不確定因素，系統(tǒng)的無線通信技術(shù)需要具備很強(qiáng)的抗干擾能力，以及足夠的傳輸速度和帶寬來支撐實(shí)時(shí)信息傳輸甚至巡視高清視頻的直播，以保證整個(gè)電力巡檢任務(wù)完成的及時(shí)性和穩(wěn)定性。

3.3巡檢機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)

作為本研究的一部分，設(shè)計(jì)了一種橋式結(jié)構(gòu)，用于克服輸電線路的障礙。深入比較研究后，保證更高的可靠性，因?yàn)樵诟邏簜鬏斁€位于下方的面積，從而無法穿過頭部與塔的一個(gè)飛躍搖擺手臂，機(jī)器人必須配備安全帶。為了提高穩(wěn)定性和業(yè)務(wù)連續(xù)性的齒輪之間的協(xié)作機(jī)器人，不僅可以適應(yīng)現(xiàn)有電網(wǎng)的鋼制輪結(jié)構(gòu)，重量也相對(duì)加強(qiáng)機(jī)器人電池組和解決問題的能力。在某種程度上而言，電池的壽命也會(huì)相應(yīng)的得到提高。此外，結(jié)構(gòu)成本低，安裝和維護(hù)方便。由于本文的研究對(duì)象是未來的多傳感器機(jī)器人，所以它在不同距離的導(dǎo)線上進(jìn)行合作。首先要考慮的不僅是機(jī)器人自身姿態(tài)角的實(shí)時(shí)計(jì)算，還要考慮基于機(jī)器人GPS位置信息的自主運(yùn)動(dòng)規(guī)劃。主控制平臺(tái)配有專用的機(jī)器人控制軟件。對(duì)于需要人工干預(yù)的復(fù)雜任務(wù)，操作者可以通過自動(dòng)檢測或使用人機(jī)界面實(shí)時(shí)手動(dòng)控制來設(shè)置和切換機(jī)器人。

結(jié)束語

利用無人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)對(duì)輸電線路進(jìn)行外業(yè)巡檢，根據(jù)數(shù)據(jù)的處理分析實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分析、危險(xiǎn)點(diǎn)分析、工況模擬分析，可實(shí)現(xiàn)對(duì)輸電線路通道的快速巡檢。此技術(shù)解決了復(fù)雜地區(qū)巡檢難的問題，大幅度降低了人力勞動(dòng)成本，提高了巡檢效率。同時(shí)，激光雷達(dá)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了輸電線路的三維坐標(biāo)測量，且精度較高，實(shí)踐證明，輕量化、成本低的無人機(jī)在電力巡檢中具有重要作用。

參考文獻(xiàn)

[1]付繼紅.電力線路巡視中無人機(jī)技術(shù)的應(yīng)用[J].電子技術(shù)與軟件工程，2019（23）：213-214.

[2]葉方舟，劉曉冬，李良，崔淑娟，張?jiān)溃_中良，王晨.無人機(jī)在輸變電設(shè)備巡檢巡視中的應(yīng)用[J].河北電力技術(shù)，2019，38（04）：20-22.

[3]蔣澤峰.無人機(jī)巡線圖像管理與圖像查重系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].電子科技大學(xué)，2019.

[4]吳昊.無人機(jī)在輸電線路巡視方面的應(yīng)用探討[J].通訊世界，2019，26（07）：250-251.

[5]張潔.圖像處理技術(shù)在無人機(jī)電力線路巡檢中的應(yīng)用[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2019，37（06）：59+61.

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