CN107479059A - 一种基于无人机的架空线与植被距离测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无人机的架空线与植被距离测量装置及方法，包括无人机机体和地面监控中心；无人机机体上设有飞行控制系统和传感检测集成系统；其中飞行控制系统与GPS测量仪、气压高度计、无刷电机驱动模块和机载第一通讯模块连接；飞行控制系统通过各模块实现对无人机的飞行控制和信息采集，并通过机载第一通讯模块反馈到地面监控中心；传感检测集成系统与三轴云台增稳系统、成像装置、二维360°激光扫描仪、大容量信息存储单元和机载第二通讯模块连接；传感检测集成系统通过机载第二通讯模块与地面监控中心通信。本发明采用无人机进行线路巡检，可有效降低系统风险，降低作业成本，有利于在生产领域的应用推广。

Description

一种基于无人机的架空线与植被距离测量装置及方法

技术领域

本发明涉及无人机电力巡线技术领域，特别涉及一种基于无人机的架空线与植被距离测量装置及方法。

背景技术

十二五期间，我国的电网建设经历了高速发展的阶段，输电线路总长度超过了115万千米，我国国民经济的持续快速发展对我国电力工业提出了越来越高的要求。截至2012年，全国110千伏以上输电线路已超过70万公里。传统的巡线方式已经满足不了现代电力系统的广泛需求，针对高压电网线路的检测和周围物体对其危害的预防迫在眉睫。

由于我国南方植被环境的特殊性，输电线路需要穿越各种复杂的地形，树木的迅速生长给高压电网线路的电力输送带来了不少的安全隐患。根据超高电压电网线的相关规定：在超高压电网线的直径8米的范围内，若有与地面直接接触的物体都有可能会出现漏电放电等安全事故。目前，高空中电网与周边物体的距离检测是超高压电网线安全检测的一项重要指标。电力线长期暴露在野外，树木生长可能会引起输电线放电，也必须及时处理。因此对高压电力线路以及树木之间的距离进行检测是一项非常重要的任务。

传统的架空线与树木间距离检测方法是地面检测人员应用手持式激光测距仪对架空线路和树木进行取点检测。由于手持式激光测距仪的基本原理是测距原理基本可以归结为测量光往返目标所需要时间，然后通过光速c＝299792458m/s和大气折射系数n计算出距离D。该检测方案具有如下缺陷：

(1)空中高压电线距离地面的距离较远，并且高压电线的直径大小仅仅为3cm，而激光测距的是通过发射点光束去瞄准电线的。因此，手持式激光测距仪难以瞄准待测的电线采样点。并且，即使发射的激光点光束能够射到电线上，地面的检测人员也不能通过肉眼能够观测到，因此对于架空线的取点检测的有效性难以保证。

(2)由于传统的检测方式仅能够在地面上进行观测，对于树木的采样点难以做到有效性。由于对于树木的采样检测点一般是树木的顶部，手持式激光测距仪发射的点光束无法穿透树荫射到树木的顶部进行有效的测量。

(3)该检测方式受到人为以及环境因素的干扰影响较大。由于南方的晴天较多，阳光猛烈，并且阳光里也含有大量的红外射线，因此在户外使用手持式激光测距仪会使测量的误差放大，精度大大下降。同时，在数据的处理上，由于传统的激光测距方式仅仅能或许电线与地面检查人员的距离以及树木和地面检测人员的距离信息，若要测量出树和电线之间的有效距离还需要获取两个距离向量之间的夹角关系。这个夹角关系由检测人员估摸处理，这样测量误差会成几何倍数放大。

云南电网公司普洱供电局201120156363.6号专利、重庆市电力公司超高压局200920127031.8号专利以及阳锋、王滋政和黄勇于2009年发表于《红水河》第28卷第1期77-80页的论文分别对固定翼无人机输电线路巡检和直升机搭载三维激光扫描系统对输电线路巡检进行了描述。

近几年国内有人直升机电力巡检系统逐渐发展起来，利用有人直升机搭载三维激光扫描仪对输电线路进行巡视，使用成本高，不利于生产实际中推广使用。直升机及其维护费用昂贵、安全问题突出等。特别是其安全问题，这是一个涉及人身及设备(包括飞机和电网)安全的严重问题。

面对庞大的输电网络，要完成高效率的输电线路的巡检任务，急需要大航程、远距离的无人驾驶巡检飞机对电网系统进行全天候、全地貌巡检，以提高巡检效率和巡检精度。

现有的固定翼无人机电力巡检系统只采用可见光图像和视频对输电线路走廊进行巡视，检测手段单一，对于输电线路交跨线间距离、导线与地面建筑物(植被)间距离、输电线路弧垂和输电线路风偏等参数则无法测量。并且固定翼无人机无法进行精确的定点悬停实现精确检测。

同时对于固定翼无人机，现阶段国内大载荷固定翼无人机技术还不成熟，国外成熟产品又处于对华禁售的状态。固定翼无人机要进行空间定点巡航的输电线路巡查还存在技术难度。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于无人机的架空线与植被距离测量装置，采用无人机进行线路巡检，可有效降低系统风险，降低作业成本。

本发明的另一目的在于提供一种基于上述装置的架空线与植被距离测量方法。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：

一种基于无人机的架空线与植被距离测量装置，包括无人机机体和地面监控中心，两者间通过无线传输系统通信；无人机机体上设有飞行控制系统和传感检测集成系统；

其中飞行控制系统与GPS测量仪、气压高度计、无刷电机驱动模块和机载第一通讯模块连接；无刷电机驱动模块连接相关电机从而控制无人机的旋翼；飞行控制系统通过各模块实现对无人机的飞行控制和信息采集，并通过机载第一通讯模块反馈到地面监控中心；

传感检测集成系统与三轴云台增稳系统、成像装置、二维360°激光扫描仪、大容量信息存储单元和机载第二通讯模块连接；三轴云台增稳系统与成像装置机械连接，成像装置随云台运动；传感检测集成系统通过机载第二通讯模块与地面监控中心通信；传感检测集成系统将成像装置获得的机载视频和二维360°激光扫描仪的扫描数据实时传回地面监控中心。

优选的，成像装置为可见光高清摄像机。

优选的，飞行控制系统与视觉避障模块连接。视觉避障模块包括摄像头以及对应的数据处理模块。

优选的，飞行控制系统还包括一存储单元，将保存检测到的危险区域对应的地理位置以及存在安全隐患点的高度。

优选的，所述大容量信息存储单元包扩成像装置的存储单元，将保存检测到的危险区域对应的图片以及视频数据。

优选的，地面监控中心包括：地面第一通讯模块、地面第二通讯模块、地面控制计算机、地面检测计算机和数据计算中心；地面控制计算机通过地面第一通讯模块实现对飞行控制系统信息的采集和遥控指令的发送；地面检测计算机通过地面第二通讯模块实现对机载视频实时显示；数据计算中心负责对二维360°激光扫描仪获得的扫描数据进行集中处理计算；数据计算中心载有包含输电线路空间三维模型的数据库以及植被与架空线距离大小所引发安全隐患的危险指数数据库；其中，输电线路空间三维模型由连接杆塔之导线的高度、长度、弧垂度以及数量密度描述。

优选的，无人机机体采用四旋翼无人机机体。

优选的，本装置的通讯模块均为频段为433MHz的COFDM编码正交频分复用无线通信装置。

一种基于上述装置的架空线与植被距离测量方法，包括以下步骤：

S1、针对输电线路的特点，对无人机的作业区域进行规划，建立无人机作业的安全约束区域；

S2、无人机飞行至架空线的水平高度，并且保持机头正对着架空线；此时无人机应该工作在相邻两个电线塔之间架空线束的外侧某一位置，并且移动到距线束的一定范围内，保证激光雷达能够有效检测到架空线束；

S3、保持无人机位置不变，启动二维360°激光扫描仪进行扫描；收集以无人机为坐标原点的二维平面坐标系上架空线线束点的点集合J；

S4、保持无人机位置不变，启动二维360°激光扫描仪进行扫描；收集以无人机为坐标原点的二维平面坐标系上植被点的集合K；

S5、将点集合J和集合K进行计算，计算出两个点集合的最短距离，并且把这个距离通过机载第二通讯模块发送到地面监控中心；

地面监控中心利用植被与架空线距离大小所引发安全隐患的危险指数数据库对该最短距离进行引发安全隐患的危险指数评估，并把危险指数反映在软件交互界面上，同时供操作者实时观察当前无人机与输电线路之间的距离，以及记录当前区域的危险等级；

若危险指数超过最大的危险等级，则地面监控中心发出警报指令到飞行控制系统以及成像装置；飞行控制系统把当前的危险区域的坐标发回给地面监控中心记录保存，并且该地理坐标能够实时在地图界面上标识为危险坐标点；

若危险指数在安全范围之内，则无人机按照预先设定的检测路径对需要检测的区域进行检测，在移动的时候不断地反复执行步骤S2-S5。

优选的，若无人机为自主飞行模式，采用前置视觉避障方案；若无人机为手动操作模式，通过地面监控中心观察成像装置传回的实时图像数据，手动操作无人机飞行。

优选的，步骤S3具体为：

在垂直于架空线的竖直方向，沿无人机机头方向的预设角度0°～α内对架空线束进行激光测距，搜索到距离无人机距离最短的点P(x,y)作为架空线束最偏外侧的位置；根据地面监控中心的输电线路空间三维模型的数据库，可以判断当前的线束内任意两线的最大距离为d；因此以最短的距离点P(x,y)为圆心，d为半径，在垂直于线束的平面内，划出圆形区域，作为激光扫描仪的索搜区域；利用二维360°激光雷达对此搜索区域进行扫描，此区域内所有的点作为以无人机为坐标原点的二维平面坐标系上线束点的点集合J。

优选的，步骤S4具体为：

在垂直于架空线的竖直方向，沿无人机机头方向的预设角度0°～α内对架空线束进行激光测距，搜索到距离无人机距离最短的点P(x,y)作为架空线束最偏外侧的位置；根据地面监控中心的输电线路空间三维模型的数据库，可以判断当前的线束内任意两线的最大距离为d；

垂直于架空线，在无人机机头方向的预设角度0°～α内进行激光测距，其中以P(x,y)为圆心、2d为半径的弧线与0°～α激光边界范围外面的区域作为植被的索搜区域；此区域内所有的点作为植被的点集合K1；

垂直于架空线，在无人机机头方向的α～180°角度内进行激光测距；此区域内所有的点作为植被的点集合K2；点集合K2与点集合K1合并形成整个以无人机为坐标原点的二维平面坐标系上植被点的集合K。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、相比于有人直升机机，本发明采用无人机进行线路巡检，可有效降低系统风险，降低作业成本，有利于在生产领域的应用推广。

2、相比固定翼无人机，本发明的多旋翼无人机具有灵活性高，精准检测的特点，起降灵活，可自由悬停并且可长时间滞空，能够进行高精度定点检测的特点，达到对输电线路走廊的大面积、长距离的检测，提高巡检效率。

3、本发明采用的是无人机搭载激光雷达的空间测距技术应用到日常高压电网线路检测当中，综合了激光雷达扫描测量范围广以及无人机的高机动性的优势。

附图说明

图1为实施例1装置的结构图。

图2为实施例2检测方法示意图。

图3为约束区域示意图。

图4为二维360°激光扫描仪扫描范围示意图。

图5为实施例2无人机移动扫描示意图。

图1中：1-四旋翼无人机机体，2-地面监控中心，3-433MHz无线传输系统，4-飞行控制系统，5-传感检测集成系统，6-GPS测量仪，7-气压高度计，8-无刷电机驱动模块，9-视觉避障模块，10-机载第一通讯模块，11-三轴云台增稳系统，12-成像装置，13-二维360°激光扫描仪，14-大容量信息存储单元，15-机载第二通讯模块，16-地面第一通讯模块，17-地面控制计算机，18-地面第二通讯模块，19-地面检测计算机，20-数据计算中心。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

一种基于无人机的架空线与植被距离测量装置，图1为本装置的结构简图，包括四旋翼无人机机体1和地面监控中心2，两者间通过433MHz无线传输系统3通信。

四旋翼无人机机体1上设有飞行控制系统4和传感检测集成系统5；其中飞行控制系统4与GPS测量仪6、气压高度计7、无刷电机驱动模块8、视觉避障模块9和机载第一通讯模块10连接。无刷电机驱动模块8连接相关电机从而控制无人机的旋翼。视觉避障模块9包括摄像头以及对应的数据处理模块。飞行控制系统4通过各模块实现对无人机的飞行控制和信息采集，并通过机载第一通讯模块反馈到地面监控中心。

传感检测集成系统5与三轴云台增稳系统11、成像装置12、二维360°激光扫描仪13、大容量信息存储单元14和机载第二通讯模块15连接；三轴云台增稳系统11与成像装置12机械连接，成像装置随云台运动；所述成像装置12为可见光高清摄像机。传感检测集成系统5通过机载第二通讯模块15与地面监控中心2通信，将成像装置获得的机载视频和激光扫描仪13扫描的采样数据实时传回地面监控中心2，实时图像视频使地面站操作人员实时了解飞机飞行状态和飞机前方状态，起到导引飞机飞行的作用。二维360°激光扫描仪13执行连续的扫描工作，并将扫描数据通过机载第二通讯模块15送回地面监控中心2。

所述大容量信息存储单元14包扩成像装置的存储单元，将保存检测到的危险区域对应的图片以及视频数据。

另外飞行控制系统4还包括一存储单元，将保存检测到的危险区域对应的地理位置以及存在安全隐患点的高度。

地面监控中心2包括：地面第一通讯模块16、地面第二通讯模块18、地面控制计算机17、地面检测计算机19和数据计算中心20。地面控制计算机17通过地面第一通讯模块16实现对飞行控制系统4信息的采集和遥控指令的发送；地面检测计算机19通过地面第二通讯模块18实现对机载视频实时显示。数据计算中心20负责对机载二维360°激光扫描仪13获得的二维数据进行集中处理计算。数据计算中心20载有包含输电线路空间三维模型的数据库以及植被与架空线距离大小所引发安全隐患的危险指数数据库。其中，输电线路空间三维模型由连接杆塔之导线的高度、长度、弧垂度以及数量密度描述。

本装置的通讯模块均为频段为433MHz的COFDM编码正交频分复用无线通信装置。

地面站的监控计算机上，对无人机的作业区域进行规划，建立无人机作业的安全约束区域。通过计算无人机的飞行时间和续航能力，从而计算出一次性能够巡检的输电线路区域。

实施例2

图2是基于无人机的架空线与植被距离检测方法示意图。下面结合附图对检测方法做进一步说明。

①针对输电线路的特点，在地面站的监控计算机上，对无人机的作业区域进行规划，建立无人机作业的安全约束区域。如图3所示，确定需要巡检的输电线路区域，对输电线路区域内的铁塔逐一编号，假设共编号了M个电力杆塔，M≥1，通过计算无人机的飞行时间和续航能力限制M的上限，从而计算出一次性能够巡检的输电线路区域，在所述M个电力杆塔的输电线路区域外侧一定范围内，即是约束区域。

②手动操作无人机飞行至架空线的水平高度，并且保持机头正对着架空线。此时无人机应该工作在相邻两个电线塔之间架空线束的外侧某一位置，并且移动到距线束的一定范围内，保证激光雷达能够有效检测到架空线束。此过程可以通过地面监控中心观察成像装置传回的实时图像数据手动操作完成。

③保持无人机位置不变，启动二维360°激光扫描仪进行扫描。在垂直于架空线的竖直方向，沿无人机机头方向的预设角度0°～α内对架空线束进行激光测距，搜索到距离无人机距离最短的点P(x,y)作为架空线束最偏外侧的位置。根据地面监控中心的输电线路空间三维模型的数据库，可以判断当前的线束内任意两线的最大距离为d。因此以最短的距离点P(x,y)为圆心，d为半径，在垂直于线束的平面内，划出圆形区域，作为激光扫描仪的索搜区域，如图4。利用二维360°激光雷达对此搜索区域进行扫描，此区域内所有的点作为以无人机为坐标原点的二维平面坐标系上线束点的点集合J。

④垂直于架空线(竖直方向)，在无人机机头方向的预设角度0°～α内进行激光测距，其中以P(x,y)为圆心、2d为半径的弧线与0°～α激光边界范围外面的区域作为植被的索搜区域。此区域内所有的点作为植被的点集合K1。

⑤垂直于架空线(竖直方向)，在无人机机头方向的角度内α～180°(除0°～α之外)进行激光测距。此区域内所有的点作为植被的点集合K2。点集合K2与点集合K1合并形成整个以无人机为坐标原点的二维平面坐标系上植被点的集合K。

⑥传感检测集成系统5将点集合J和集合K进行计算，计算出两个点集合的最短距离(先计算集合中任意两个点之间的距离，然后再从这些距离中统计出最短的距离)，并且把这个距离通过机载第二通讯模块发送到地面监控中心。地面监控中心将数据进行解析后通过监控中心的上位机软件将其实时反映成采样最短曲线上的最短距离采样数据点。地面监控中心利用植被与架空线距离大小所引发安全隐患的危险指数数据库对该最短距离进行引发安全隐患的危险指数评估，并把危险指数反映在软件交互界面上，同时供操作者实时观察当前无人机与输电线路之间的距离，以及记录当前区域的危险等级。

⑦若危险指数超过最大的危险等级，则地面监控中心发出警报指令到飞行控制系统以及成像装置。飞行控制系统把当前的危险区域的坐标发回给地面监控中心记录保存，并且该地理坐标能够实时在地图界面上标识为危险坐标点。

⑧若危险指数在安全范围之内，则无人机按照预先设定的检测路径对需要检测的区域进行检测，在移动的时候不断地反复执行上述过程，如图5。

若无人机为自主飞行模式，采用前置视觉避障方案。若无人机为手动操作模式，将无人机当前的位置信息通过无线数据链的机载端发送到地面站子系统。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于无人机的架空线与植被距离测量装置，其特征在于，包括无人机机体和地面监控中心，两者间通过无线传输系统通信；无人机机体上设有飞行控制系统和传感检测集成系统；

其中飞行控制系统与GPS测量仪、气压高度计、无刷电机驱动模块和机载第一通讯模块连接；无刷电机驱动模块连接相关电机从而控制无人机的旋翼；飞行控制系统通过各模块实现对无人机的飞行控制和信息采集，并通过机载第一通讯模块反馈到地面监控中心；

传感检测集成系统与三轴云台增稳系统、成像装置、二维360°激光扫描仪、大容量信息存储单元和机载第二通讯模块连接；三轴云台增稳系统与成像装置机械连接，成像装置随云台运动；传感检测集成系统通过机载第二通讯模块与地面监控中心通信；传感检测集成系统将成像装置获得的机载视频和二维360°激光扫描仪的扫描数据实时传回地面监控中心。

2.根据权利要求1所述的基于无人机的架空线与植被距离测量装置，其特征在于，飞行控制系统与视觉避障模块连接，视觉避障模块包括摄像头以及对应的数据处理模块。

3.根据权利要求1所述的基于无人机的架空线与植被距离测量装置，其特征在于，飞行控制系统还包括一存储单元，将保存检测到的危险区域对应的地理位置以及存在安全隐患点的高度；大容量信息存储单元包扩成像装置的存储单元，将保存检测到的危险区域对应的图片以及视频数据。

4.根据权利要求1所述的基于无人机的架空线与植被距离测量装置，其特征在于，地面监控中心包括：地面第一通讯模块、地面第二通讯模块、地面控制计算机、地面检测计算机和数据计算中心；地面控制计算机通过地面第一通讯模块实现对飞行控制系统信息的采集和遥控指令的发送；地面检测计算机通过地面第二通讯模块实现对机载视频实时显示；数据计算中心负责对二维360°激光扫描仪获得的扫描数据进行集中处理计算；数据计算中心载有包含输电线路空间三维模型的数据库以及植被与架空线距离大小所引发安全隐患的危险指数数据库；其中，输电线路空间三维模型由连接杆塔之导线的高度、长度、弧垂度以及数量密度描述。

5.根据权利要求1所述的基于无人机的架空线与植被距离测量装置，其特征在于，无人机机体采用四旋翼无人机机体。

6.根据权利要求1或4所述的基于无人机的架空线与植被距离测量装置，其特征在于，本装置的通讯模块均为频段为433MHz的COFDM编码正交频分复用无线通信装置。

7.一种基于权利要求1所述的装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、针对输电线路的特点，对无人机的作业区域进行规划，建立无人机作业的安全约束区域；

S2、无人机飞行至架空线的水平高度，并且保持机头正对着架空线；此时无人机应该工作在相邻两个电线塔之间架空线束的外侧某一位置，并且移动到距线束的一定范围内，保证激光雷达能够有效检测到架空线束；

S3、保持无人机位置不变，启动二维360°激光扫描仪进行扫描；收集以无人机为坐标原点的二维平面坐标系上架空线线束点的点集合J；

S4、保持无人机位置不变，启动二维360°激光扫描仪进行扫描；收集以无人机为坐标原点的二维平面坐标系上植被点的集合K；

S5、对点集合J和集合K进行计算，计算出两个点集合点之间的最短距离，并且把这个距离通过机载第二通讯模块发送到地面监控中心；

地面监控中心利用植被与架空线距离大小所引发安全隐患的危险指数数据库对该最短距离进行引发安全隐患的危险指数评估，并把危险指数反映在软件交互界面上，同时供操作者实时观察当前无人机与输电线路之间的距离，以及记录当前区域的危险等级；

若危险指数超过最大的危险等级，则地面监控中心发出警报指令到飞行控制系统以及成像装置；飞行控制系统把当前的危险区域的坐标发回给地面监控中心记录保存，并且该地理坐标能够实时在地图界面上标识为危险坐标点；

若危险指数在安全范围之内，则无人机按照预先设定的检测路径对需要检测的区域进行检测，在移动的时候不断地反复执行步骤S2-S5。

8.根据权利要求7所述的测量方法，其特征在于，若无人机为自主飞行模式，采用前置视觉避障方案；若无人机为手动操作模式，通过地面监控中心观察成像装置传回的实时图像数据，手动操作无人机飞行。

9.根据权利要求7所述的测量方法，其特征在于，步骤S3具体为：

在垂直于架空线的竖直方向，沿无人机机头方向的预设角度0°～α内对架空线束进行激光测距，搜索到距离无人机距离最短的点P(x,y)作为架空线束最偏外侧的位置；根据地面监控中心的输电线路空间三维模型的数据库，可以判断当前的线束内任意两线的最大距离为d；因此以最短的距离点P(x,y)为圆心，d为半径，在垂直于线束的平面内，划出圆形区域，作为激光扫描仪的索搜区域；利用二维360°激光雷达对此搜索区域进行扫描，此区域内所有的点作为以无人机为坐标原点的二维平面坐标系上线束点的点集合J。

10.根据权利要求7所述的测量方法，其特征在于，步骤S4具体为：

在垂直于架空线的竖直方向，沿无人机机头方向的预设角度0°～α内对架空线束进行激光测距，搜索到距离无人机距离最短的点P(x,y)作为架空线束最偏外侧的位置；根据地面监控中心的输电线路空间三维模型的数据库，可以判断当前的线束内任意两线的最大距离为d；

垂直于架空线，在无人机机头方向的预设角度0°～α内进行激光测距，其中以P(x,y)为圆心、2d为半径的弧线与0°～α激光边界范围外面的区域作为植被的索搜区域；此区域内所有的点作为植被的点集合K1；

垂直于架空线，在无人机机头方向的α～180°角度内进行激光测距；此区域内所有的点作为植被的点集合K2；点集合K2与点集合K1合并形成整个以无人机为坐标原点的二维平面坐标系上植被点的集合K。