CN109885083A - 基于激光雷达的输电线路精细化巡检飞行平台及巡检方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光雷达的输电线路精细化巡检飞行平台，包括飞行器、三维激光测距模块、地面控制终端与云端服务器，在巡检时，摄像模块获取输电线路所在平面位置，然后三维激光测距模块对准输电线路发射激光信号，同时接收线路反射回传的信号；摄像模块对飞行器周边进行拍摄，根据拍摄的图像在地面控制终端构建三维实景影像，根据激光反射回传的信号在地面控制终端建立三维点云图；在地面控制终端根据上述三维实景影像和三维点云图，判断是否存在障碍物、障碍物与线路的距离是否超过预设的安全距离，调整飞行器飞行姿态，使飞行器保持固定距离沿输电线路自主巡航飞行。本发明具有成本低、操作智能化、效率高、维护电网运维人员安全的优点。

Description

基于激光雷达的输电线路精细化巡检飞行平台及巡检方法

技术领域

本发明涉及电力巡线检修领域，特别涉及一种基于激光雷达的输电线路精细化巡检飞行平台及巡检方法。

背景技术

随着建设步伐的不断加快，高压线覆盖的区域逐步增多，对高压线路的巡检任务也越来越重。目前对输电线路的查勘监测都是巡检工人沿着线路进行人为检查，由于高压输电线路较长，线路间距较大，多线路并行作业时需人工多点投放和回收无人机，影响巡线成本。这种巡检方式劳动强度大、效率低下，有些线路受制于地形因素造成线路巡视异常困难和危险。再者，为了维持人们工作生活的正常运行，线路上是一直带有高压电的，所以给巡检工人的生命安全也带来了潜在威胁。

随着无人机技术的飞速发展，无人机已经用于多种行业中，在电力行业中，无人机也开始大规模使用，目前多采用人工操控旋翼无人机的方式进行上线，然而这种方式存在太大随机性，一方面无人机距离地面太高，人的肉眼无法准确判断旋翼无人机与导线的距离，另一方面由于人的操控有一定的误差，因而这种方法很容易造成时间的浪费，更严重的会导致旋翼无人机与导线距离过近，从而引发导线与机身或设备之间感应放电，会造成设备损坏和电磁波干扰影响通信系统。因此需要一种基于激光雷达架空输电线路智能精细化巡检飞行平台，以解决行业中面临的问题。

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，提供一种基于激光雷达的输电线路精细化巡检飞行平台及巡检方法，该发明可远距离操控、全覆盖式的对输电线路进行自主飞行巡航拍摄，同时根据激光雷达回传数据实时调整无人机与输电线路之间的安全距离，具有成本低、操作智能化、效率高、维护电网运维人员安全的优点。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：基于激光雷达的输电线路精细化巡检飞行平台，包括飞行器、搭载在飞行器上的三维激光测距模块、设置在地面的地面控制终端与远程控制的云端服务器，其中三维激光测距模块与地面控制终端以无线的方式进行数据连接，地面控制终端与云端服务器无线数据连接；地面控制终端与飞行器无线数据连接。本发明通过设置三维激光测距模块，可以通过地面控制终端调整飞行器飞行姿态，同时通过设置云端服务器，可以实时存储巡检过程中产生的各种参数数据。

优选的，所述飞行器上还搭载有摄像模块，摄像模块与地面控制终端通过无线方式数据连接。摄像模块可采集当前巡检过程中的图像，在地面控制终端中构建三维实景影像，便于地面工作人员进行实时监控，并进行实时调整。

优选的，所述摄像模块和三维激光测距模块分别通过一个云台搭载在飞行器下方。通过云台可实现任意角度的拍摄。

优选的，所述飞行器的上下前后部分均安装有避障传感器，同时飞行器上安装有测量飞行器悬停位置的RTK(Real Time Kinematic，载波相位差分技术)信号处理装置。采用避障传感器可实现安全飞行，采用RTK信号处理装置可实现厘米级的定位精度。

优选的，所述三维激光测距模块采用三维激光雷达。该雷达能够精准点云建模，与摄像模块拍摄到的三维实景影像相结合，进行空间数据分析、预警。

更进一步的，所述三维激光雷达包括激光发射器、激光接收器、激光信号处理器和激光测距电路；激光测距电路连接激光发射器和激光接收器，用于控制脉冲激光的激发，激光发射器发射的激光扫描飞行器周围区域，如果碰到障碍物或输电线路，则返回激光信号由激光接收器接收，激光信号处理器接收激光接收器接收的数据，经处理后发送到地面控制终端。这里激光信号处理器对数据的处理可以包括计算得出飞行器与障碍物或输电线路之间的距离等。

优选的，所述地面控制终端包括通讯控制器、移动终端和遥控器，移动终端通过通讯控制器与三维激光测距模块、云端服务器、飞行器建立起数据连接，遥控器通过通讯控制器与移动终端、飞行器建立起数据连接。

基于激光雷达的输电线路精细化巡检飞行平台的巡检方法，包括步骤：巡检过程中，摄像模块获取输电线路所在平面位置，然后三维激光测距模块对准输电线路发射激光信号，同时接收线路反射回传的信号；摄像模块对飞行器周边进行拍摄，根据拍摄的图像在地面控制终端构建三维实景影像，根据激光反射回传的信号在地面控制终端建立三维点云图；在地面控制终端根据上述三维实景影像和三维点云图，判断是否存在障碍物、障碍物与线路的距离是否超过预设的安全距离，调整飞行器飞行姿态，使飞行器保持固定距离沿输电线路自主巡航飞行。

优选的，在巡检过程中或者巡检结束后，地面控制终端将巡检过程中采集的数据上传到云端服务器进行备份；在巡航结束后根据巡检过程中采集的数据生成巡检报告。

优选的，巡检过程中对线路进行拍摄，拍摄周边的情况，避障传感器判断周边是否存在障碍物，如果存在，驱动三维激光测距模块对障碍物进行测距；

根据上述三维实景影像和三维点云图，利用余弦定理计算出当前障碍物与输电线路之间的距离，并判断当前障碍物与输电线路之间的距离是否超过预设安全距离，如果超过，则标注该巡检点位置，继续巡检，如果没有超过，则继续巡检。

优选的，采用PID控制器对飞行器高度进行控制，其传递函数如下列式子所示：

其中，k_p为比例控制系数、T_I为积分控制系数，T_D为微分控制系数，s表示积分环节个数。

通过对上述比例控制系数、积分控制系数、微分控制系数进行调整，得出避障传感器高度控制的响应情况；

同理，通过对比例控制系数、积分控制系数、微分控制系数进行调整，对飞行器的俯仰和横滚两个动作情况的PID控制的响应情况进行仿真分析。

通过采用基于PID控制的避障传感器能够在很短的时间内达到稳定状态，且在稳定后系统不会出现震荡情况。

优选的，地面控制终端向飞行器上的RTK信号处理装置发送观测数据、基准坐标以及控制信号；RTK信号处理装置实时获取参考坐标，并分析处理参考坐标、接收到的观测数据和基准坐标及控制信号以生成飞行控制信号。本发明中，通过RTK技术进行高精度定位，实时对航向进行计算使无人机在飞行过程中能够精准的确定航向，按照预定的航线飞行，避免无人机计算航向受到干扰。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明采用多旋翼无人飞行器实现了基于激光雷达架空输电线路智能精细化巡检飞行平台在输电线上自主巡检，不需要设置其他的辅助装置，并且上下方便快速。配备飞行控制系统后，其稳定性和操控性良好，可高速机动飞行也可空中悬停凝视；携带摄像模块和三维激光测距模块，可对各种线路缺陷实施高效的检测，具有效率高、检测准确的优点。

2、本发明快速的通过输电线上的障碍物，在巡检中不需要停止进行越障，同时不需要增加其他的工具辅助越障，能够快速的通过障碍物。

3、本发明实现输电线的近距离检测，既能保证检测装置的稳定性，不易受环境的影响，同时提高检测的效果。

4、本发明能够用于局部输电线路的巡检，当需要检测局部导线路段时，无人机能够不受环境的限制进行检测，从而实现精细化巡检。

附图说明

图1是本实施例的整体结构示意图。

图2是无人机避障高度控制流程图。

其中：1-激光信号处理器，2-摄像模块，3-三维激光雷达，4-移动终端，5-遥控器，6-飞行器，7-起落架。

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

如图1所示，本实施例一种基于激光雷达的输电线路精细化巡检飞行平台，包括飞行器6、搭载在飞行器6上的三维激光测距模块、设置在地面的地面控制终端与远程控制的云端服务器，其中三维激光测距模块与地面控制终端以无线的方式进行数据连接，地面控制终端与云端服务器无线数据连接；地面控制终端与飞行器无线数据连接。

本发明中飞行器6采用多旋翼无人飞行器，该类型飞行器是一类具有多个电动旋翼的新型飞行器，体积小巧、易于运输、无环境污染；配备飞行控制系统后，其稳定性和操控性良好，可高速机动飞行也可空中悬停凝视；携带微型影像采集设备和机载特种维修设备后，可对各种线路缺陷实施高效的检测和维护。

本发明中，主要应用飞行器6搭载三维激光测距模块飞行到需要进行输电线路障碍检测的位置进行测距，测到的数据会传输至地面控制终端，供技术人员进行参考，同时地面控制终端会将测到的数据上传到云端服务器进行备份；在具体应用的时候技术人员可通过控制地面控制终端来控制飞行器6的飞行轨迹，从而使其飞行到需要进行输电线路障碍测距的位置。

本发明通过设置三维激光测距模块，可以通过地面控制终端调整飞行器飞行姿态，同时通过设置云端服务器，可以实时存储巡检过程中产生的各种参数数据。本发明通过飞行器搭载三维激光测距模块，三维激光测距模块测量数据控制调整飞行器飞行姿态，使飞行器保持固定距离沿输电线路自主巡航飞行，巡航过程中自主完成对线路拍摄及测量导线与线行树木(障碍物)距离等数据采集并在巡航结束后生成巡检报告，实现输电线路精细化巡检，从而达到输电线路线路信息化、智能化、安全化。

本发明中飞行器上还搭载有摄像模块2，摄像模块2与地面控制终端通过无线方式数据连接。摄像模块2可采集当前巡检过程中的图像，在地面控制终端中构建三维实景影像，便于地面工作人员进行实时监控，并进行实时调整。摄像模块2和三维激光测距模块分别通过一个云台搭载在飞行器下方，三维激光测距模块所在云台固定在起落架7上。通过云台可实现任意角度的拍摄。

本发明中的三维激光测距模块采用三维激光雷达3。三维激光雷达3包括激光发射器8、激光接收器9、激光信号处理器1和激光测距电路；激光测距电路连接激光发射器8和激光接收器9，用于控制脉冲激光的激发，激光发射器8发射的激光扫描飞行器周围区域，如果碰到障碍物或输电线路，则返回激光信号由激光接收器9接收，激光信号处理器1接收激光接收器9接收的数据，经处理后发送到地面控制终端。

三维激光雷达3能够精准点云建模，与三维实景影像相结合的空间数据分析、预警；面向时空多维度的无人机飞控与智能巡检信息大数据快速、高效的点云数据分析；能够有效避免树木生长导致线路跳闸，甄别线路周边违建，覆冰线路灾情评估技术，以及直观的分析保电通道中重点三跨线路。采用在依托激光雷达快速化采集和实景三维重建技术的基础上，利用无人机滞空性、快速性、载荷性的特点优势，将激光雷达快速勘测技术、输电线路实景采集、处理技术与无人机技术有机结合，实现超视距、高空性、快速性、数字化的重点线路通道信息化数据采集。

本实施例中，飞行器6的上下前后部分均安装有避障传感器，同时飞行器6上安装有提高悬停精度的RTK信号处理装置，实现在复杂环境中无人机能够精准得悬停，保障飞行器的安全。

所述的无人机避障传感器主要是对无人机的运行位置进行控制，且可以将对无人机的控制分为无人机高度和水平位置的控制。此外，由于无人机高度和水平位置的控制不存在干扰。故，可以采用PID控制器对无人机高度进行控制，其控制算法及其传递函数如下列式子所示：

其中，k_p为比例控制系数、T_I为积分控制系数，T_D为微分控制系数，s表示积分环节个数。

设置仿真参数：取比例控制系数为-127，积分控制系数为-13，微分控制系数为-37。得出无人机避障传感器高度控制的响应情况。同理，对无人机的俯仰和横滚两个动作情况的PID控制的响应情况进行仿真分析，且两种情况下的仿真参数设置情况如下：

俯仰动作控制参数设置：比例控制系数为-1.4，积分控制系数为-0.125，微分控制系数为-0.468；横滚动作控制参数设置：比例控制系数为1.4，积分控制系数为0.125，微分控制系数为0.468。基于PID控制的避障传感器能够在很短的时间内达到稳定状态，且在稳定后系统均未出现震荡情况。

本发明中，RTK信号处理装置采用RTK技术进行高精度定位，它能够实时对航向进行计算使无人机在飞行过程中能够精准的确定航向，按照预定的航线飞行，避免无人机计算航向受到干扰。

本发明中，地面控制端向飞行器上的RTK信号装置发送观测数据和基准坐标，以及控制信号；RTK信号装置实时获取参考坐标，并分析处理参考坐标、接收到的观测数据和基准坐标及控制信号以生成飞行控制信号。

本实施例中，地面控制终端包括通讯控制器、移动终端4和遥控器5，移动终端4通过通讯控制器与三维激光测距模块、云端服务器、飞行器建立起数据连接。遥控器5通过通讯控制器与移动终端和飞行器数据连接，其中与飞行器通过无线连接方式，与移动终端可通过有线连接方式。

下面对本实施例的巡检方法说明如下：

(1)将电池装配到飞行器6上，组装并检查无人机飞行状态；组装检查无误后遥控无人机起飞；

(2)摄像模块2获取输电线路所在平面位置，然后三维激光雷达3对准输电线路发射激光信号，然后接收线路反射回传的信号，根据信号建立三维点云图。

同时，摄像模块2拍摄周边的情况，然后建立三维实景影像，避障传感器可以由此判断周边是否存在障碍物，如果存在，驱动三维激光雷达3对障碍物进行测距。

根据上述三维实景影像和三维点云图，激光信号处理器1利用余弦定理计算出当前障碍物与输电线路之间的距离，并判断当前障碍物与输电线路之间的距离是否超过预设安全距离，如果超过，则标注该巡检点位置，继续巡检，如果没有超过，则继续巡检。

(3)通过移动终端4观察三维激光雷达3回传的数据，调试飞行器6与输电线路之间的最优距离；观察摄像模块2回传的画面，调整飞行器6飞行方向，使飞行器6贴着高压输电线飞行；巡航过程中摄像模块2和三维激光测距模块自主完成对线路拍摄及测量输电线路与线行树木(障碍物)距离等数据采集。

(4)巡检完预设的输电线路之后结束，停止巡航，然后返航；

(5)操作遥控器5使飞行器降落，结束作业；

(6)一键生成巡检报告。

在巡检过程中或者巡检结束后，地面控制终端将巡检过程中采集的数据上传到云端服务器进行备份。

本发明所述的移动终端包括但不限于移动电话、口袋计算机(Pocket PersonalComputer，PPC)、掌上电脑、计算机、笔记本电脑、个人数字助理(PersonalDigitalAssistant，PDA)等。为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分。

可通过各种手段实施本发明描述的技术。举例来说，这些技术可实施在硬件、固件、软件或其组合中。对于硬件实施方案，处理模块可实施在一个或一个以上专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、可编程逻辑装置(PLD)、现场可编辑逻辑门阵列(FPGA)、处理器、控制器、微控制器、电子装置、其他经设计以执行本发明所描述的功能的电子单元或其组合内。

对于固件和/或软件实施方案，可用执行本文描述的功能的模块(例如，过程、步骤、流程等)来实施所述技术。固件和/或软件代码可存储在存储器中并由处理器执行。存储器可实施在处理器内或处理器外部。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储在一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

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.基于激光雷达的输电线路精细化巡检飞行平台，其特征在于，包括飞行器、搭载在飞行器上的三维激光测距模块、设置在地面的地面控制终端与远程控制的云端服务器，其中三维激光测距模块与地面控制终端以无线的方式进行数据连接，地面控制终端与云端服务器无线数据连接；地面控制终端与飞行器无线数据连接。

2.根据权利要求1所述的基于激光雷达的输电线路精细化巡检飞行平台，其特征在于，所述飞行器上还搭载有摄像模块，摄像模块与地面控制终端通过无线方式数据连接；所述摄像模块和三维激光测距模块分别通过一个云台搭载在飞行器下方。

3.根据权利要求1所述的基于激光雷达的输电线路精细化巡检飞行平台，其特征在于，所述飞行器的上下前后部分均安装有避障传感器，同时飞行器上安装有测量飞行器悬停位置的RTK信号处理装置。

4.根据权利要求1所述的基于激光雷达的输电线路精细化巡检飞行平台，其特征在于，所述三维激光测距模块采用三维激光雷达；

所述三维激光雷达包括激光发射器、激光接收器、激光信号处理器和激光测距电路；激光测距电路连接激光发射器和激光接收器，用于控制脉冲激光的激发，激光发射器发射的激光扫描飞行器周围区域，如果碰到障碍物或输电线路，则返回激光信号由激光接收器接收，激光信号处理器接收激光接收器接收的数据，经处理后发送到地面控制终端。

5.根据权利要求1所述的基于激光雷达的输电线路精细化巡检飞行平台，其特征在于，所述地面控制终端包括通讯控制器、移动终端和遥控器，移动终端通过通讯控制器与三维激光测距模块、云端服务器、飞行器建立起数据连接，遥控器通过通讯控制器与移动终端、飞行器建立起数据连接。

6.根据权利要求1-5任一项所述输电线路精细化巡检飞行平台的巡检方法，其特征在于，包括步骤：巡检过程中，摄像模块获取输电线路所在平面位置，然后三维激光测距模块对准输电线路发射激光信号，同时接收线路反射回传的信号；摄像模块对飞行器周边进行拍摄，根据拍摄的图像在地面控制终端构建三维实景影像，根据激光反射回传的信号在地面控制终端建立三维点云图；在地面控制终端根据上述三维实景影像和三维点云图，判断是否存在障碍物、障碍物与线路的距离是否超过预设的安全距离，调整飞行器飞行姿态，使飞行器保持固定距离沿输电线路自主巡航飞行。

7.根据权利要求6所述的巡检方法，其特征在于，在巡检过程中或者巡检结束后，地面控制终端将巡检过程中采集的数据上传到云端服务器进行备份；在巡航结束后根据巡检过程中采集的数据生成巡检报告。

8.根据权利要求6所述的巡检方法，其特征在于，巡检过程中对线路进行拍摄，拍摄周边的情况，避障传感器判断周边是否存在障碍物，如果存在，驱动三维激光测距模块对障碍物进行测距；

根据上述三维实景影像和三维点云图，利用余弦定理计算出当前障碍物与输电线路之间的距离，并判断当前障碍物与输电线路之间的距离是否超过预设安全距离，如果超过，则标注该巡检点位置，继续巡检，如果没有超过，则继续巡检。

9.根据权利要求6所述的巡检方法，其特征在于，采用PID控制器对飞行器高度进行控制，其传递函数如下列式子所示：

其中，k_p为比例控制系数、T_I为积分控制系数，T_D为微分控制系数，s表示积分环节个数；

通过对上述比例控制系数、积分控制系数、微分控制系数进行调整，得出避障传感器高度控制的响应情况；

同理，通过对比例控制系数、积分控制系数、微分控制系数进行调整，对飞行器的俯仰和横滚两个动作情况的PID控制的响应情况进行仿真分析。

10.根据权利要求6所述的巡检方法，其特征在于，地面控制终端向飞行器上的RTK信号处理装置发送观测数据、基准坐标以及控制信号；RTK信号处理装置实时获取参考坐标，并分析处理参考坐标、接收到的观测数据和基准坐标及控制信号以生成飞行控制信号。