基于北斗星基增強技術的無人機電網全域覆蓋巡檢方法

楊嘉妮， 楊利波， 何婕， 劉昊

(1. 國網湖南省電力有限公司輸電檢修分公司， 湖南， 衡陽 421000；2. 智能帶電作業技術及裝備(機器人)湖南省重點實驗室， 湖南， 長沙 410004；3. 國網帶電巡檢與智能作業技術公司實驗室， 湖南， 長沙 410100；4. 千尋位置網絡有限公司， 上海 200082)

0 引言

目前電力系統存在著許多安全隱患，如在雷雨天氣后，長時間暴露在空氣中的桿塔和輸電線路將受到嚴重腐蝕；桿塔間的距離過大將使輸電線路承受較大拉力；遇強大風，輸電線路承受的壓力更大，將導致輸電線路絕緣子磨損或缺失，最終導致導線斷股和自爆。隨著計算機技術的興起，導航技術和圖像自動識別技術發展迅速，利用無人機對電力系統進行安全巡查已成為人們關注的焦點。無人機電網全域覆蓋巡檢方法，首先利用導航技術計算好無人機的航線；在無人機飛行過程中再利用圖像自動識別技術對電力設備進行拍攝；回傳到計算機后，利用無人機對電網進行全覆蓋巡檢，其不僅能避免人為工作過程中的失誤，降低電網巡檢成本，而且大大地提高了電網巡檢的效率，研究無人機電網全域覆蓋巡檢方法對電力系統意義重大。

吳育武等[1]提出了利用多翼無人機對電網進行全域覆蓋巡檢的方法，此方法有效地解決了人為電網巡檢無法控制安全距離而導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]針對電力輸電線路復雜，不容易進行巡檢軌道規劃等問題，提出了基于改進RRT的無人機電力桿塔巡檢路徑規劃方法，但是其巡檢范圍較小。

綜合以上研究成果，總結以往研究經驗，提出了基于北斗星基增強技術的無人機電網全域覆蓋巡檢方法。該方法利用北斗星基增強技術結合RRT算法，計算出無人機巡檢時的最大航角，然后，考慮到無人機的機械特性，進行無人機電網全域覆蓋巡檢，具有一定的實用價值。

1 無人機電網全域覆蓋巡檢方法設計

1.1 提取無人機電網全域覆蓋圖像特征

無人機在對電網全域進行覆蓋巡檢過程中，攝像機拍攝到的電網全域覆蓋圖像統一為RGB格式，需要將其轉化為灰度圖像[3]，才能有效減小電網全域覆蓋圖像在處理過程中的計算量，經過灰度轉換的電網全域覆蓋圖像如圖1所示。

圖1 經過灰度轉換的電網全域覆蓋圖像

無人機電網全域覆蓋圖像從RGB格式轉換到灰度圖像之后，需要對電網全域覆蓋圖像的閾值進行分割。在閾值分割中，無人機電網全域覆蓋圖像的像素值為255，其他像素點值為0，從而得到一個無人機電網全域覆蓋的二值化圖像。

為了獲取到無人機電網全域覆蓋圖像中電網的數量和傾角信息，需要對無人機電網全域覆蓋的二值化圖像進行直線變換[4]，其原理如下。

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

(1)

式(1)經過簡化之后，可以得到：

r=xcosθ+ysinθ

(2)

定義經過(x0,y0)的直線為

rθ=x0cosθ+y0sinθ

(3)

如果電網的全球覆蓋圖像中有兩點，則在極坐標系中繪制通過兩點的所有直線。在設定閾值的基礎上，如果極坐標系中某一點相交的曲線數量超過設定的閾值，則判斷該點是電網全球覆蓋圖像中的一條直線[6]。

由直線變換可以檢測到電網全域覆蓋圖像的直線數量以及斜率等信息，實現無人機電網全域覆蓋圖像特征的提取。

由于電網全覆蓋圖像處理過程的復雜性，對電網全覆蓋圖像進行灰度變換，用線變換的方式表示電網全覆蓋圖像的線信息，提取了無人機電網絡全覆蓋圖像的特征。

1.2 規劃無人機電網全域覆蓋巡檢航線

根據提取到的無人機電網全域覆蓋圖像特征可知，每一個電網的輸電桿塔都存在2個最佳拍攝點，無人機在進行電網全域覆蓋巡檢過程中，依次在2個最佳拍攝點進行電網全域覆蓋巡檢[7]。先計算2個最佳拍攝點的坐標，每一個電網輸電桿塔都存在一個GPS坐標，通常都是由當地的電力局提供，根據電網輸電桿塔坐標和輸電桿塔所處的方位來計算GPS坐標，如圖2所示。

圖2 無人機電網全域覆蓋巡檢的航點計算原理

在航點計算過程中，先計算角α的大小，根據邊長OD和邊長BD的大小，結合三角關系式[8]，可以得到：

(4)

(5)

β=90°-α-θ=40°-θ

(6)

假設在電網輸電桿塔絕緣子分布中心處，GPS的坐標為(originlongti,originlati,h)。根據以下計算過程，可以得到無人機電網全域覆蓋巡檢的水平偏移坐標，即：

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

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

根據電網輸電桿塔坐標和輸電桿塔所處的方位，計算電網輸電桿塔的GPS坐標，基于無人機電網全域覆蓋巡檢的航點計算原理，計算了無人機電網全域覆蓋巡檢的水平偏移坐標，規劃無人機電網全域覆蓋巡檢航線。

1.3 設計無人機電網全域覆蓋巡檢程序

無人機電網全域覆蓋巡檢程序的原理主要是利用導航衛星信號對全國地面區域基準站進行標記，形成完整的信息錄入無人機系統，當無人機在電網系統飛行過程中，通過地球同步衛星對可用改正數據進行服務平臺播放，利用各終端和無人機應用系統，提供全域覆蓋的高精度位置糾錯服務，厘米級修正無人機航向，保證無人機安全飛行。北斗地基增強技術原理如圖3所示。

圖3 北斗地基增強技術原理

圖3中，為了實現無人機厘米級位置服務，首先利用運營商網絡連接衛星通信信號，在北斗地基增強網站中進行增強，得到抗干擾性能最優的衛星監測數據；然后將電網地面基準站進行網格化定位，獲得網格數據；通過數據推送后，經過播發、監控和用戶解算過程，在下發差分電文后，應用無人機飛控與GNSS(全球導航衛星系統)，在復雜的環境下實現厘米級精度定位，以確保無人機飛行的穩定性。無人機電網全域覆蓋巡檢流程如圖4所示。

圖4 無人機電網全域覆蓋巡檢流程

利用無人機可實現三維空間飛行、空中懸停和云平臺遙控等功能，將其應用于電網全域覆蓋巡檢，具有良好的穩定性和安全性。利用云平臺遙控[9]，可以實時查看無人機實時飛行狀態和位置信息。電網全域覆蓋巡檢方案工作原理如下。

該無人機電網全域覆蓋巡檢程序基于北斗星基增強技術，利用無人機GPS信息對航線進行組合導航，再利用無人機INS技術分析出差分GPS信息，最終實現差分GPS信息的組合導航，以此得出無人機在電網系統中的精準位置[15]。利用區域基準站對無人機進行航點跟蹤，得知無人機的航線規劃，把無人機的實時位置與目標位置信息進行對比[10-12]。如果兩個位置接近重合且誤差在可控范圍內，說明無人機已經到達目標桿塔位置，保持空中懸停，轉動無人機云臺遠程控制，對桿塔和絕緣子進行掃描與拍照，拍照完成儲存后再飛向下一個目標點。如無人機實時位置不在目標位置范圍內，那么需要繼續利用導航信息尋找航點信息，直到發現目標點再進行上述操作。

綜上所述，根據北斗地基增強技術原理，將電網地面基準站進行網格化定位，設計了無人機電網全域覆蓋巡檢程序，實現了無人機電網全域覆蓋的巡檢。

2 實驗對比分析

為了驗證基于北斗星基增強技術的無人機電網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[1]方法和文獻[2]方法做對比，設置了如表1所示的仿真參數。

表1 仿真參數

三種巡檢方法的巡檢精度測試結果如圖5所示。

受到實驗樣本與實驗環境的限制，測試次數最多為30次。由此，從圖5的測試結果可以看出，采用文獻[2]方法來對電網進行全域覆蓋巡檢時，巡檢精度達到了84.5%，并且在第10次實驗到第20次實驗過程中，巡檢精度出現了很明顯的下降，第20次試驗之后，雖然有上升的趨勢，但是幅度很小；采用文獻[1]方法來對電網進行全域覆蓋巡檢時，巡檢精度只有76.8%，隨著實驗測試次數的增加，實驗結果出現了很大幅度的波動；然而采用基于北斗星基增強技術的無人機電網全域覆蓋巡檢方法來對電網進行全域覆蓋巡檢時，巡檢精度高達93.4%，與其他兩種無人機電網全域覆蓋巡檢方法相比，無人機電網全域覆蓋巡檢的精度分別提高了8.9%和16.6%，具有一定的優勢。

圖5 巡檢精度測試結果

三種巡檢方法的巡檢率測試結果如圖6所示。

圖6 巡檢率測試結果

從圖6的結果可以看出，基于北斗星基增強技術的無人機電網全域覆蓋巡檢方法在對電網進行全域覆蓋巡檢時，全域覆蓋巡檢率始終高于其他兩種無人機電網全域覆蓋巡檢方法，說明該方法在巡檢過程中，可以提高電網巡檢的全面性，擴大了電網全域覆蓋巡檢范圍，即可以實現全域覆蓋，從而大大提高了巡檢率。

3 總結

本文提出了基于北斗星基增強技術的無人機電網全域覆蓋巡檢方法，通過提取無人機電網全域覆蓋圖像特征，規劃了無人機電網全域覆蓋巡檢航線，結合北斗地基增強技術原理，設計了無人機電網全域覆蓋巡檢程序，實現了無人機電網全域覆蓋的巡檢。結果顯示，該巡檢方法在精度和全面性方面具有很大優勢。