CN110794260A - 一种基于双rtk无人机的架空输电线路定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种架空输电线路中桩位的定位技术，特别是一种基于双RTK无人机的架空输电线路定位方法，其要点在于，采用双RTK无人机高精度位置与航向角，保证了线路桩位中心的定位精度满足规范要求；采用双头激光测距装置，利用同一航道正向、反向两次飞行激光投影点与无人机中心水平位置共线原理，于地面快速确定桩位中心位置，简单快捷，易于野外现场操作，同时避免了因无人机姿态变化、测距模块安装位置系统偏差对定位目标点水平位置的影响；可以显著减少或避免桩位附近树木的砍伐，保护生态环境，显著节约现场作业时间，节约人力物力。

Description

一种基于双RTK无人机的架空输电线路定位方法

技术领域

本发明涉及一种架空输电线路中桩位的定位技术，特别是一种基于双RTK无人机的架空输电线路定位方法。

背景技术

架空输电线路定线测量：将选线方案确定的线路路径标定到实地位置，包括转角桩和直线桩的放样标定，同时需测定桩间距离及高差，或直接测量桩位坐标（即平面位置与高程）。按架空输电线路勘测标准，平面坐标中误差不大于5cm，高程中误差不大于30cm。定线测量通常采用全站仪或RTK技术。全站仪需要目标与测站通视，在山区使用困难较多。RTK作业不需要点间通视，可以大大提高线路测量效率。但传统RTK（实时动态载波相位差分技术）移动站属于手持式，信号容易受地表障碍物干扰，影响定位精度。

在山区，由于林木遮挡并干扰低角度的卫星信号，使得GNSS-RTK难以取得固定解，达不到厘米级定位精度，树木越高、越密，信号受干扰的卫星越多，RTK获取固定解越困难。为了使RTK取得固定解，通常需要升高GPS天线高度或者砍伐定位点周围树木。由于RTK移动站设备的对中杆高度有限，且高度越高越难以保持对中（铅锤）状态，与实际定位点位置偏差越大，因此大多采取砍伐树木的方式，树木越高越密，砍伐数量越大；而树木砍伐不仅耗费了大量人力物力，耽误了作业时间，同时也对山区生态环境造成了破坏。现有的线路桩位定位方法如下：

1）手持RTK导航至桩位附近，非固定解状态下平面误差约1-10米；

2）升高RTK对中杆高度等待固定解，若无法固定则继续升高直至对中杆最大高度；

3.）对中杆处于最大高度时RTK仍然无法获得固定解，砍伐桩位附近约5-10米范围内较高树木；

4）砍伐部分树木后检查RTK是否获得固定解，若无法固定，扩大砍伐范围直至RTK获得固定解；

5）RTK获得固定解状态下放样直线或转角桩位置，实地标定桩位，测量桩位坐标。

现有技术还采用自带GPS模块定位的无人机进行桩位标定，为了获取无人机飞行的准确性，采用磁罗盘广泛用于小型旋翼无人机进行航向角的计算，但是磁罗盘在确定航向角度过程中，由于地磁偏角、软/硬磁场罗差、标度因数误差、三轴磁场分量耦合误差以及量化误差等干扰而出现航向误差，进而影响无人机飞行的安全性能。除此之外，为了使无人机的数据采集更加准确，无人机还需要携带摄像机进行数据采集，但由于环境复杂、电磁干扰等问题，仍无法实现足够准确的桩位标定。

发明内容

本发明的目的在于根据现有技术的不足之处而提供一种有效避免电磁干扰、确保无人机高精度的位置和航向、获得高精度桩位标定的基于双RTK无人机的架空输电线路定位方法。

本发明所述技术目的是通过以下途径来实现的：

一种基于双RTK无人机的架空输电线路定位方法，其要点在于，包括如下步骤：

1）提供一种带双RTK的无人机，两根RTK天线对称于无人机机身中轴线并于机身中轴线两侧上方安装，机身中轴线下方以中轴线为对称轴的两侧各安装有一激光测距装置，激光测距装置的发射方向垂直向下；

2）测定无人机中心与两激光测距装置中心的垂直偏差值∆z₁和∆z₂，具体如下：

A、在开阔场地设置一水平台面，使用手持RTK测量台面高程Z_t；

B、将无人机放置于水平台面上，然后操作无人机垂直上升20m悬停，并通过两激光测距装置进行测距；

C、读取双RTK测得的无人机中心当前的位置高程Z_h，通过两激光测距装置获得各自相对水平台面的垂直距离H₁和H₂，则第一次测得的垂直偏差值为：∆z₁₁₌Z_h-Z_t -H₁，∆z₂₁₌Z_h-Z_t - H₂；

D、重复上述B、C步骤，分别操作无人机离水平台面约30m和40m悬停，操作后获得∆z₁₂和∆z₂₂，以及∆z₁₃和∆z₂₃，取平均值作为∆z₁与∆z₂最终值，即∆z₁=（∆z₁₁+∆z₁₂+∆z₁₃）/3；∆z₂=（∆z₂₁+∆z₂₂+∆z₂₃）/3；

3）测量人员于桩位Z1附近，利用手持测距仪估测附近30米范围内最大树高；

4）以路径Z1小号方向约30米处J1′为起点，大号方向约30米处J2′为终点设计规划航线J1′—J2′，航高取桩位30米范围内最大树高的1.5倍，高程记为Z_h；

5）以J2′为起点，J1′为终点设计规划航线J2′—J1′，航高与上述航线J1′-J2′相同，高程记为Z_h；

6）无人机按航线J1′—J2′方向飞行，飞至Z1平面位置时悬停，控制两激光测距装置垂直地面向下发射红外光，地面作业人员根据红外光指示位置于地面放置平面反射板并固定，使得两激光测距装置发射的红外光点能够在平面反射板上对应形成两个红光点；然后于反射板上根据两红光点标定记号点D1、D2，同时通过两激光测距装置采集此时各自的高度距离h1、h2；

7）无人机继续向J1′—J2′方向飞行10m以上，然后调转航向180度，以航线J2′—J1′方向飞行，飞至Z1位置时悬停，控制两激光测距装置垂直地面向下发射红外光，此时发射的红外光在平面反射板上形成对应的两红光点，地面作业人员根据两红光点指示位置于平面反射板上标定记号点D3、D4，同时通过两激光测距装置采集此时各自的高度距离h3、h4；

8）在平面反射板上连线D1、D3和D2、D4，取其交点标定为D；点D即为目标桩位Z1水平位置；

9）量取标定点D分别与D1、D2、D3、D4之间水平距离S₁、S₂、S₃、S₄，并读取激光测距装置所测得的垂直距离h₁、h₂、h₃、h₄，利用反距离权插值法计算D与无人机中心垂直距离H，即H=[(h₁+∆Z₁)*S₁ ^-1/∑(S₁ ^-1+ S₂ ^-1+ S₃ ^-1+ S₄ ^-1)]+ [( h₂+∆Z₂)*S₂ ^-1/∑(S₁ ^-1+ S₂ ^-1+ S₃ ^-1+ S₄ ^-1)]+[( h₃+∆Z₁)*S₃ ^-1/∑(S₁ ^-1+ S₂ ^-1+ S₃ ^-1+ S₄ ^-1)]+ [( h₄+∆Z₂)*S₄ ^-1/∑(S₁ ^-1+ S₂ ^-1+ S₃ ^-1+ S₄ ^-1)]；由此可得目标桩位标定点D点的高程Z_D=Z_h-H；

10）根据D实地标定桩位，桩位平面坐标取无人机中心坐标。

所述无人机上或者设置单云台，单云台上安装双头激光测距装置；或者设置双云台，每个云台上分别安装相同的激光测距装置。无论是单云台布置还是双云台布置，两激光测距装置均应以无人机纵向中轴线为对称中心线对称布置。

激光测距装置具有普通测距仪具备的测角功能，可通过测距和测角获取垂直距离（高度），本发明还利用了其测距同时能够发射红光点以做标识的作用。由于激光测距装置安装位置无法与无人机中心位置（RTK相位中心或理论相位中心）重合，因此2个测距中心(F1，F2)与无人机中心存在位置偏差（∆x₁, ∆y₁, ∆z₁）和（∆x₂, ∆y₂, ∆z₂），而由于云台中心与无人机中心存在偏差且安装偏移的不确定性，（∆x₁, ∆y₁, ∆z₁）和（∆x₂, ∆y₂,∆z₂）可能各不相同，因此本发明在进行测试前，结合地面已知点坐标对系统偏差进行校测，获得无人机中心与两激光测距装置中心的垂直偏差值∆z₁和∆z₂。

本发明采用了双天线RTK无人机技术，借助RTK技术，无人机可以实现厘米级的高精度定位，按照预先设置的航线实现厘米级的自主飞行：流动站分别将两路信号（双RTK）接收解算后，以其中一路接收天线的数据做基准，向另一路接收天线发送解算修正信息，完成天线 2 跟天线 1 的相对精准定位，从而获得两根天线之间的相对矢量，该矢量经过数据处理后可为无人机提供航向信息，使无人机获得高精度的二维信息，即位置与航向信息。与传统的磁罗盘定向相比，双天线定向可以消除磁干扰的影响，保障飞行器在高压线、矿区等强磁干扰环境下的飞行安全；另外，无人机可以轻松上升至树木等障碍物之上，避开其对卫星信号的遮挡干扰，使得RTK快速获取固定解。

综上所述，本发明提供了一种基于双RTK无人机的架空输电线路定位方法，采用双RTK无人机技术与双头激光测距、投影定点相结合，可以显著减少或避免桩位附近树木的砍伐，保护生态环境，显著节约现场作业时间，节约人力物力；利用双RTK（D-RTK）无人机正反同航向飞行激光投影点与无人机中心水平位置共线原理，于地面快速确定桩位中心位置，简单快捷，易于野外现场操作，同时避免了因无人机姿态变化、测距模块安装位置系统偏差对定位目标点水平位置的影响；保证了线路桩位中心的定位精度满足规范要求。

附图说明

图1为本发明所述基于双RTK无人机的架空输电线路定位方法中双RTK单云台无人机的立面结构示意图。

图2为本发明所述基于双RTK无人机的架空输电线路定位方法中双RTK双云台无人机的立面结构示意图。

图3为本发明所述基于双RTK无人机的架空输电线路定位方法的原理描述示意图。

图4为本发明所述基于双RTK无人机的架空输电线路定位方法的桩位标定的原理描述示意图。

图5及图6分别为基于双RTK无人机的架空输电线路定位方法中同一激光测距装置在正反航向中的投影示意图。

下面结合实施例对本发明做进一步描述。

具体实施方式

最佳实施例：

为进一步描述本发明，就本发明的设计原理进行描述如下：

参照附图3，当双天线RTK无人机前进方向为J1-J2，无人机悬停于Z1，激光测距中心平面位置为F1；当无人机前进方向为J2-J1，无人机悬停于Z1，激光测距中心平面位置为F1′；在无人机能够保持水平姿态的理想状态下，航向改变180度，F1与F1′关于Z1对称，即F1、Z1、F1′水平位置共线且Z1为直线F1-F1′中点。然而，由于受外力特别是风力以及无人机姿态误差的影响，无人机无法保证处于水平姿态。无人机正向与反向飞行或悬停时，其姿态不一定相同，因此，F1与F1′并不一定关于Z1对称（无人机姿态倾斜，F1与F1′可能高度不同，Z1不一定为直线F1-F1′中点），但水平位置共线条件成立。F1、Z1、F1′水平位置共线，则其垂线共面，其地面投影点水平位置共线，即Z1水平位置一定在F1、F1′地面投影点连线上。因此引入第二个激光测距装置，以同样方式获得F2-F2′，由于F2、Z1、F2′水平位置共线，Z1水平位置一定在F2、F2′地面投影点连线上。所以可知F2-F2′地面投影线与F1-F1′地面投影线交点即为Z1地面投影点。该方法同时抵消了无人机姿态变化以及无人机中心与测距模块中心的水平位置偏差（∆x₁, ∆y₁）和（∆x₂, ∆y₂）对目标点平面定位精度的影响。

上述原理具体应用到本发明，一种基于双RTK无人机的架空输电线路定位方法，包括如下步骤：

1）提供一种带双RTK的无人机，两根RTK天线对称于无人机机身中轴线并于机身中轴线两侧上方安装，机身中轴线下方以中轴线为对称轴的两侧各安装有一激光测距装置，激光测距装置的发射方向垂直向下；参照附图1和附图2，所述无人机上或者设置单云台，单云台上安装双头激光测距装置；或者设置双云台，每个云台上分别安装相同的激光测距装置。

2）测定无人机中心与两激光测距装置中心的垂直偏差值∆z₁和∆z₂，具体如下：

A、在开阔场地设置一水平台面，使用手持RTK测量台面高程Z_t；

B、将无人机放置于水平台面上，然后操作无人机垂直上升20m悬停，并通过两激光测距装置进行测距；

C、读取双RTK测得的无人机中心当前的位置高程Z_h，通过两激光测距装置获得各自相对水平台面的垂直距离H₁和H₂，则第一次测得的垂直偏差值为：∆z₁₁₌Z_h-Z_t -H₁，∆z₂₁₌Z_h-Z_t - H₂；

D、重复上述B、C步骤，分别操作无人机离水平台面约30m和40m悬停，操作后获得∆z₁₂和∆z₂₂，以及∆z₁₃和∆z₂₃，取平均值作为∆z₁与∆z₂最终值，即∆z₁=（∆z₁₁+∆z₁₂+∆z₁₃）/3；∆z₂=（∆z₂₁+∆z₂₂+∆z₂₃）/3。

3）测量人员于桩位Z1附近，利用手持测距仪估测附近30米范围内最大树高。

4）参照附图4-6，以路径Z1小号方向约30米处J1′为起点，大号方向约30米处J2′为终点设计规划航线J1′—J2′，航高取桩位30米范围内最大树高的1.5倍，航高高程记为Z_h；

5）以J2′为起点，J1′为终点设计规划航线J2′—J1′，航高与上述航线J1′-J2′相同，高程记为Z_h；

6）无人机按航线J1′—J2′方向飞行，飞至Z1平面位置时悬停，控制两激光测距装置垂直地面向下发射红外光，地面作业人员根据红外光指示位置于地面放置平面反射板并固定，使得两激光测距装置发射的红外光点能够在平面反射板上对应形成两个红光点；然后于反射板上根据两红光点标定记号点D1、D2，同时通过两激光测距装置采集此时各自的高度距离h1、h2；

7）无人机继续向J1′—J2′方向飞行10m以上，然后调转航向180度，以航线J2′—J1′方向飞行，飞至Z1位置时悬停，控制两激光测距装置垂直地面向下发射红外光，此时发射的红外光在平面反射板上形成对应的两红光点，地面作业人员根据两红光点指示位置于平面反射板上标定记号点D3、D4，同时通过两激光测距装置采集此时各自的高度距离h3、h4；

8）在平面反射板上连线D1、D3和D2、D4，取其交点标定为D；点D即为目标桩位Z1水平位置；

9）量取标定点D分别与D1、D2、D3、D4之间水平距离S₁、S₂、S₃、S₄，并读取激光测距装置所测得的垂直距离h₁、h₂、h₃、h₄，利用反距离权插值法计算D与无人机中心垂直距离H，即H=[(h₁+∆Z₁)*S₁ ^-1/∑(S₁ ^-1+ S₂ ^-1+ S₃ ^-1+ S₄ ^-1)]+ [( h₂+∆Z₂)*S₂ ^-1/∑(S₁ ^-1+ S₂ ^-1+ S₃ ^-1+ S₄ ^-1)]+[( h₃+∆Z₁)*S₃ ^-1/∑(S₁ ^-1+ S₂ ^-1+ S₃ ^-1+ S₄ ^-1)]+ [( h₄+∆Z₂)*S₄ ^-1/∑(S₁ ^-1+ S₂ ^-1+ S₃ ^-1+ S₄ ^-1)]；由此可得目标桩位标定点D点的高程Z_D=Z_h-H；

10）根据D实地标定桩位，桩位平面坐标取无人机中心坐标，高程取D点高程；若标定桩有露出高度，桩位高程为D点高程加上该高度。

本发明的优点在于：

1.对于林区的架空输电线路定线测量，相对于传统手持RTK移动站，可以显著减少或避免桩位附近树木的砍伐，保护生态环境，显著节约现场作业时间，节约人力物力。

2.该方法利用双RTK（D-RTK）无人机正反飞行激光投影点与无人机中心水平位置共线原理，于地面快速确定桩位中心位置，简单快捷，易于野外现场操作，同时避免了因无人机姿态变化、测距模块安装位置系统偏差对定位目标点水平位置的影响。

3. 利用双RTK（D-RTK）无人机高精度位置与航向角，保证了线路桩位中心的定位精度满足规范要求。

本发明未述部分与现有技术相同。

Claims (2)

1.一种基于双RTK无人机的架空输电线路定位方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）提供一种带双RTK的无人机，两根RTK天线对称于无人机机身中轴线并于机身中轴线两侧上方安装，机身中轴线下方以中轴线为对称轴的两侧各安装有一激光测距装置，激光测距装置的发射方向垂直向下；

2）测定无人机中心与两激光测距装置中心的垂直偏差值∆z₁和∆z₂ ，具体如下：

A、在开阔场地设置一水平台面，使用手持RTK测量台面高程Z_t；

B、将无人机放置于水平台面上，然后操作无人机垂直上升20m悬停，并通过两激光测距装置进行测距；

C、读取双RTK测得的无人机中心当前的位置高程Z_h，通过两激光测距装置获得各自相对水平台面的垂直距离H₁和H₂，则第一次测得的垂直偏差值为：

∆z₁₁₌Z_h-Z_t -H₁， ∆z₂₁₌Z_h- Z_t - H₂；

D、重复上述B、C步骤，分别操作无人机离水平台面约30m和40m悬停，操作后获得∆z₁₂和∆z₂₂ ，以及∆z₁₃和∆z₂₃，取平均值作为∆z₁与∆z₂最终值，即：

∆z₁=（∆z₁₁+∆z₁₂+∆z₁₃）/3；∆z₂=（∆z₂₁+∆z₂₂+∆z₂₃）/3；

3）测量人员于桩位Z1附近，利用手持测距仪估测附近30米范围内最大树高；

4）以路径Z1小号方向约30米处J1′为起点，大号方向约30米处J2′为终点设计规划航线J1′—J2′，航高取桩位30米范围内最大树高的1.5倍，高程记为Z_h；

5）以J2′为起点，J1′为终点设计规划航线J2′—J1′，航高与上述航线J1′-J2′相同，高程记为Z_h；

6）无人机按航线J1′—J2′方向飞行，飞至Z1平面位置时悬停，控制两激光测距装置垂直地面向下发射红外光，地面作业人员根据红外光指示位置于地面放置平面反射板并固定，使得两激光测距装置发射的红外光点能够在平面反射板上对应形成两个红光点；然后于反射板上根据两红光点标定记号点D1、D2，同时通过两激光测距装置采集此时各自的高度距离h1、h2；

7）无人机继续向J1′—J2′方向飞行10m以上，然后调转航向180度，以航线J2′—J1′方向飞行，飞至Z1位置时悬停，控制两激光测距装置垂直地面向下发射红外光，此时发射的红外光在平面反射板上形成对应的两红光点，地面作业人员根据两红光点指示位置于平面反射板上标定记号点D3、D4，同时通过两激光测距装置采集此时各自的高度距离h3、h4；

8）在平面反射板上连线D1、D3和D2、D4，取两线交点标定为D；点D即为目标桩位Z1水平位置；

9）量取标定点D分别与D1、D2、D3、D4之间水平距离S₁、S₂、S₃、S₄，并读取激光测距装置所测得的垂直距离h₁、h₂、h₃、h₄，利用反距离权插值法计算D与无人机中心垂直距离H，即：

H=[( h₁+∆Z₁)*S₁ ^-1/∑(S₁ ^-1+ S₂ ^-1+ S₃ ^-1+ S₄ ^-1)]+ [( h₂+∆Z₂)*S₂ ^-1/∑(S₁ ^-1+ S₂ ^-1+ S₃ ^-1+ S₄ ^-1)]+ [( h₃+∆Z₁)*S₃ ^-1/∑(S₁ ^-1+ S₂ ^-1+ S₃ ^-1+ S₄ ^-1)]+ [( h₄+∆Z₂)*S₄ ^-1/∑(S₁ ^-1+ S₂ ^-1+S₃ ^-1+ S₄ ^-1)]；

由此可得目标桩位标定点D点的高程Z_D=Z_h-H；

10）根据D实地标定桩位，桩位平面坐标取无人机中心坐标。

2.根据权利要求1所述的一种基于双RTK无人机的架空输电线路定位方法，其特征在于，所述无人机上或者设置单云台，单云台上安装双头激光测距装置；或者设置双云台，每个云台上分别安装相同的激光测距装置。

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