CN112260131B - 一种输电线路巡检多源数据高效采集方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种输电线路巡检多源数据高效采集方法及装置，所述装置包括：无人机，以及通过挂接结构挂接在无人机上的巡线多源数据采集设备；所述巡线多源数据采集设备包括控制与存储器，以及和控制与存储器电性连接的红外图像和可见光图像集成传感器、激光雷达和位置姿态测量单元。本发明利用无人机挂接巡线多源数据采集设备对电塔的塔杆和导线进行数据采集，通过一次飞行，即可同步获取电塔的塔杆和导线的红外图像与可见光图像，以及三维激光点云数据、设备三维空间位置和姿态数据，而不用分别进行航飞采集，因此至少节约了三分之二的数据采集时间，同时飞行的安全风险也降低了三分之二。

Description

一种输电线路巡检多源数据高效采集方法及装置

技术领域

本发明涉及输电线路巡检技术领域，尤其是一种输电线路巡检多源数据高效采集方法及装置。

背景技术

输电线路巡检，除了需要获得三维点云数据用于分析净空安全距离、杆塔倾斜、杆塔位移，以及塔基地形变化外，还要通过高清影像数据分析金具缺陷、杆塔及导线上异物和短路打火痕迹等，以及需要通过红外图像分析导线断股等，并对这些缺陷进行定位，现有线路巡检方法是对三维激光点云数据、高清影像数据和红外图像数据分别进行航飞采集，并进行各自独立分析，不仅采集的效率低、飞行安全系数高，而且缺陷AI分析的冗余数量大，使得实际巡检的成本高，效率低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种输电线路巡检多源数据高效采集方法及装置。

本发明采用的一种输电线路巡检多源数据高效采集装置，包括：无人机，以及通过挂接结构挂接在无人机上的巡线多源数据采集设备；

所述挂接结构包括巡线多源数据采集设备无人机挂接架、巡线多源数据采集设备安装架和巡线多源数据采集设备挂接转轴；所述巡线多源数据采集设备安装架通过巡线多源数据采集设备挂接转轴与巡线多源数据采集设备无人机挂接架的一端转动连接；所述巡线多源数据采集设备无人机挂接架的另一端与无人机连接；

所述巡线多源数据采集设备包括控制与存储器，以及和控制与存储器电性连接的红外图像和可见光图像集成传感器、激光雷达和位置姿态测量单元；所述控制与存储器固定安装在巡线多源数据采集设备安装架上方；所述红外图像和可见光图像集成传感器、激光雷达和位置姿态测量单元固定连接后，再固定安装在巡线多源数据采集设备安装架下方；

所述控制与存储器也和巡线多源数据采集设备挂接转轴电性连接，用于通过控制巡线多源数据采集设备挂接转轴带动巡线多源数据采集设备转动到所需指定方向。

进一步的，所述巡线多源数据采集设备无人机挂接架的另一端与无人机可拆卸连接。

本发明还提供一种采用上述输电线路巡检多源数据高效采集装置实现的输电线路巡检多源数据高效采集方法，包括：

设定数据采集航线；

使无人机搭载巡线多源数据采集设备沿数据采集航线移动；

控制与存储器对红外图像与可见光图像传感器、激光雷达、位置姿态测量单元进行同步控制，以对电塔的塔杆和导线进行数据采集；其中，红外图像与可见光图像传感器采集塔杆和导线的红外图像与可见光图像，激光雷达和位置姿态测量单元采集塔杆和导线的三维激光点云数据、设备三维空间位置和姿态数据。

进一步的，所述控制与存储器进行同步控制是指：将激光雷达与位置姿态测量单元之间的时间同步精度控制在1μs以内，将红外图像和可见光图像集成传感器与位置姿态测量单元之间的时间同步精度控制在5ms以内。

进一步的，所述设定数据采集航线为：

设定采集航线参数，包括电塔的坐标和呼高；

对塔杆采用对角2升2降航线，对导线采用一去一回航线。

进一步的，所述红外图像和可见光图像集成传感器采用高清数码相机实现。

进一步的，采用高清数码相机拍摄红外图像和可见光图像时，需要通过设定拍摄的时间间隔，使获得的红外图像和可见光图像具有重叠区。

作为优选方式，所述重叠区的重叠率ζ＝30％。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明利用无人机带着巡线多源数据采集设备对电塔的塔杆和导线进行数据采集，通过一次飞行，即可同步获取电塔的塔杆和导线的红外图像与可见光图像，以及三维激光点云数据、设备三维空间位置和姿态数据，而不用分别进行航飞采集，因此至少节约了三分之二的数据采集时间，同时飞行的安全风险也降低了三分之二。

2、本发明通过同步控制，可以使得在一次飞行中，同步采集的三维激光点云数据与红外图像和可见光图像相匹配，可以大幅减少后续AI图像分析的冗余影像，提高识别结果精度。

3、本发明设计的航线能够避免绕塔螺旋上升航线、易碰到高压线或杆塔造成坠机事故的问题，从而大大减少巡线过程中飞行事故的发生，而且还大幅缩减了数据采集航线，进一步提高数据采集效率。

4、本发明采用高清数码相机获取红外图像和可见光图像，相比视频流可以使得采集的数据量大幅度下降。

5、本发明获取的红外图像和可见光图像有重叠区，在在线/事后分析处理时可提高数据分析精度，提高计算效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例的输电线路巡检多源数据高效采集装置的结构示意图。

图中标记：41-无人机、42-红外图像和可见光图像集成传感器、43-激光雷达、49-巡线多源数据采集设备挂接转轴、50-位置姿态测量单元、51-控制与存储器、52-巡线多源数据采集设备安装架、53-巡线多源数据采集设备无人机挂接架。

图2为本发明实施例的数据采集航线示意图。

图3为本发明实施例的数据采集航线中AC对角线示意图。

图4为本发明实施例的数据采集航线中BD对角线示意图。

图5为本发明实施例的塔杆的激光扫描以及红外图像与可见光采集示意图。

图中标记：40-塔杆的激光雷达扫描线、44-塔杆的红外图像与可见光采集线。

图6为本发明实施例的导线的激光扫描以及红外图像与可见光采集示意图。

图中标记：47-导线的激光雷达扫描线、48-导线的红外图像与可见光采集线.

图7为本发明实施例的塔杆的红外图像与可见光图像覆盖区域示意图。

图中标记：1,2,3分别为塔杆的红外图像与可见光图像覆盖区域、4,5分别为区域1和区域2、区域2和区域3的重叠区。

图8为本发明实施例的导线的红外图像与可见光图像覆盖区域示意图。

图中标记：17、18、19分别为塔杆的红外图像与可见光图像覆盖区域；20、55分别为区域17和区域18、区域18和区域19的重叠区。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

如图1所示，一种输电线路巡检多源数据高效采集装置，包括：无人机41，以及通过挂接结构挂接在无人机41上的巡线多源数据采集设备；

所述挂接结构包括巡线多源数据采集设备无人机41挂接架、巡线多源数据采集设备安装架52和巡线多源数据采集设备挂接转轴49；所述巡线多源数据采集设备安装架52通过巡线多源数据采集设备挂接转轴49与巡线多源数据采集设备无人机41挂接架的一端转动连接；所述巡线多源数据采集设备无人机41挂接架的另一端与无人机41连接；

所述巡线多源数据采集设备包括控制与存储器51，以及和控制与存储器51电性连接的红外图像和可见光图像集成传感器42、激光雷达43和位置姿态测量单元50；所述控制与存储器51固定安装在巡线多源数据采集设备安装架52上方；所述红外图像和可见光图像集成传感器42、激光雷达43和位置姿态测量单元50固定连接后，再固定安装在巡线多源数据采集设备安装架52下方；

所述控制与存储器51也和巡线多源数据采集设备挂接转轴49电性连接，用于通过控制巡线多源数据采集设备挂接转轴49带动巡线多源数据采集设备转动到所需指向。

也就是说，本发明实现的输电线路巡检多源数据高效采集装置，是利用无人机41带着巡线多源数据采集设备对电塔的塔杆和导线进行数据采集，通过一次飞行，即可同步获取电塔的塔杆和导线的红外图像与可见光图像(高清影像数据)，以及三维激光点云数据，而不用分别进行航飞采集，因此至少节约了三分之二的数据采集时间，同时飞行的安全风险也降低了三分之二。其中，为了便于使用和运输，所述巡线多源数据采集设备无人机41挂接架的另一端与无人机41可拆卸连接。

基于上述的输电线路巡检多源数据高效采集装置，可以实现一种输电线路巡检多源数据高效采集方法，包括：

设定数据采集航线；

使无人机41搭载巡线多源数据采集设备沿数据采集航线移动飞行；

控制与存储器51对红外图像与可见光图像传感器、激光雷达43、位置姿态测量单元50进行同步控制，以对电塔的塔杆和导线进行数据采集；其中，红外图像与可见光图像传感器采集塔杆和导线的红外图像与可见光图像，激光雷达43和位置姿态测量单元50采集塔杆和导线的三维激光点云数据、设备三维空间位置和姿态数据。

在一些实施例中，所述控制与存储器51进行同步控制是指：将激光雷达43与位置姿态测量单元50之间的时间同步精度控制在1μs以内，将红外图像和可见光图像集成传感器42与位置姿态测量单元50之间的时间同步精度控制在5ms以内，通过这种同步控制，可以使得在一次飞行中，同步采集的三维激光点云数据、设备三维空间位置和姿态数据与红外图像和可见光图像相匹配。

在一些实施例中，所述设定数据采集航线为：

设定采集航线参数，包括电塔的坐标和呼高；根据这两个参数，能够自动设计最短的数据采集航线，进一步压缩空中飞行的航程，提高数据采集效率；

对塔杆采用对角2升2降航线，对导线采用一去一回航线。通过此种航线设计，能够避免绕塔螺旋上升航线，容易因碰到高压线或杆塔造成坠机事故的问题，从而大大减少巡线过程中飞行事故的发生，而且还大幅缩减了数据采集航线，进一步提高数据采集效率。

如图2、3、4所示的一种数据采集航线示例，图中，(A/A’)、(B/B’)、(C/C’)、(D/D’)分别为塔杆的塔基四角顶点以及与塔基四角顶点垂直高度对应的顶点。(F/F’)为导线与塔杆的连接点；N为下一个电塔的区域；(S/E)分别为巡检的起点和终点。

此时，使无人机搭载巡线多源数据采集设备沿数据采集航线移动的数据采集航线为：S->A->A’->B’->B->D->D’->C’->C->F->N->F’->E，在无人机移动的同时，红外图像与可见光图像传感器采集塔杆和导线的红外图像与可见光图像，激光雷达和位置姿态测量单元采集塔杆和导线的三维激光点云数据。具体过程如下：

(1)N表示的下一个电塔的区域中，无人机搭载巡线多源数据采集设备的运动数据采集航线类似A->A’->B’->B->D->D’->C’->C->F->N->F’的轨迹移动，直到巡检完所有电塔的杆塔和导线；

(2)在A->A’->B’->B、D->D’->C’->C移动过程中，激光雷达对杆塔的三维扫描线如图5中40所示，红外图像与可见光图像传感器42采集杆塔的高分辨率图像和高清影像数据如图5中的44所示。

(3)在F->N->F’移动过程中，激光雷达对杆塔的三维扫描线如图6中47所示，红外图像与可见光图像传感器采集杆塔的高分辨率图像和高清影像数据如图6中的48所示。

(4)在A->A’->B’->B和D->D’->C’->C，与F->N->F’移动过程中，所述控制与存储器通过控制巡线多源数据采集设备挂接转轴带动巡线多源数据采集设备转动到所需指定方向，一般设置为可转向90°即可实现。

在一些实施例中，所述红外图像和可见光图像集成传感器采用高清数码相机实现。也就是说，本发明获取的红外图像和可见光图像不是通过视频流获得，而是采用高清数码相机获得，可以使得采集的数据量大幅度下降，一般来说，采用分辨率在1280×1024的高分辨率数码相机即可。

在一些实施例中，由于采用高清数码相机拍摄红外图像和可见光图像，不像是视频流那样能够获取连续的视频帧，因此为了获得完整的图像数据，采用高清数码相机拍摄红外图像和可见光图像时，需要通过设定拍摄的时间间隔或者拍摄的间距，使获得的红外图像和可见光图像具有一定重叠区，以确保在无人机飞行过程中因受到气流、地形起伏、航线稳定精度、飞机抖动等不可控因素时，不会对需要拍摄输电线路及其周边地物存在漏拍的情况。

如图7所示，在垂直方向巡检塔杆时，区域1、区域2和区域3分别是红外图像或可见光图像拍摄的塔杆区域，区域4和区域5分别是区域1和区域2、区域2和区域3的重叠区，一般所述重叠区的重叠率ζ＝30％，当然也可以根据具体需求将重叠率设置为其他比例。在实际对单帧AI图像分析时，重叠区图像进行了重复计算，而非重叠区图像是区域4和区域5之间的空白区，空白区所占整幅图像比例的计算公式如下：

重叠区图像的区域高度范围H∈[H_min，H_max]，按照如下公式计算：

最终可得空白区的高度为(1-2ζ)H，在后续进行图像处理时，根据该值可以裁剪不需要区域的图像数据，例如重复计算的重叠区。因此用于电塔的图像AI分析区域为宽度W、高度为(n-1)·(1-2ξ)H，这里n是巡检铁塔的4次上下中，其中一次所需要的拍摄图像的张数，但是第一张进行AI分析的区域为宽度W、长度H，并不存在重叠区的问题。

如图8所示，在水平方向巡检导线时，区域17、区域18和区域19分别是红外图像或可见光图像拍摄的导线区域，区域20和区域55分别是区域17和区域18、区域18和区域19的重叠区，一般所述重叠区的重叠率ξ＝30％，当然也可以根据需求重叠率为其他比例。在实际对单帧AI图像分析时，重叠区图像进行了重复计算，而非重叠区图像是区域20和区域55之间的空白区，空白区所占整幅图像比例的计算公式如下：

重叠区图像的区域长度范围L∈[L_min，L_max]，按照如下公式计算：

实际导线所占宽度W根据不同电压等级取值，比如500kV输电线路每束中每根导线之间间距一般为0.5m。因此用于一根导线的图像AI分析区域为宽度W、长度(n-1)·(1-2ξ)L，这里n是巡检一根导线所需要的拍摄图像的张数。但是第一张进行AI分析的区域为宽度W、长度L，并不存在重叠区的问题。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种输电线路巡检多源数据高效采集方法，其特征在于，所述方法采用一种输电线路巡检多源数据高效采集装置实现，所述装置包括无人机，以及通过挂接结构挂接在无人机上的巡线多源数据采集设备；

所述挂接结构包括巡线多源数据采集设备无人机挂接架、巡线多源数据采集设备安装架和巡线多源数据采集设备挂接转轴；所述巡线多源数据采集设备安装架通过巡线多源数据采集设备挂接转轴与巡线多源数据采集设备无人机挂接架的一端转动连接；所述巡线多源数据采集设备无人机挂接架的另一端与无人机连接；

所述巡线多源数据采集设备包括控制与存储器，以及和控制与存储器电性连接的红外图像和可见光图像集成传感器、激光雷达和位置姿态测量单元；所述控制与存储器固定安装在巡线多源数据采集设备安装架上方；所述红外图像和可见光图像集成传感器、激光雷达和位置姿态测量单元固定连接后，再固定安装在巡线多源数据采集设备安装架下方；

所述控制与存储器也和巡线多源数据采集设备挂接转轴电性连接，用于通过控制巡线多源数据采集设备挂接转轴带动巡线多源数据采集设备转动到所需指定方向；

所述方法包括：

设定数据采集航线；

使无人机搭载巡线多源数据采集设备沿数据采集航线移动飞行；

控制与存储器对红外图像与可见光图像传感器、激光雷达、位置姿态测量单元进行同步控制，以对电塔的塔杆和导线进行数据采集；其中，红外图像与可见光图像传感器采集塔杆和导线的红外图像与可见光图像，激光雷达和位置姿态测量单元采集塔杆和导线的三维激光点云数据、设备三维空间位置及姿态数据；

所述控制与存储器进行同步控制是指：将激光雷达与位置姿态测量单元之间的时间同步精度控制在1μs以内，将红外图像和可见光图像集成传感器与位置姿态测量单元之间的时间同步精度控制在5ms以内；

所述设定数据采集航线为：

设定采集航线参数，包括电塔的坐标和呼高；

对塔杆采用对角2升2降航线，对导线采用一去一回航线；(A/A’)、(B/B’)、(C/C’)、(D/D’)分别为塔杆的塔基四角顶点以及与塔基四角顶点垂直高度对应的顶点。(F/F’)为导线与塔杆的连接点；N为下一个电塔的区域；(S/E)分别为巡检的起点和终点；此时，使无人机搭载巡线多源数据采集设备沿数据采集航线移动的数据采集航线为：S->A->A’->B’->B->D->D’->C’->C->F->N->F’->E，在无人机移动的同时，红外图像与可见光图像传感器采集塔杆和导线的红外图像与可见光图像，激光雷达和位置姿态测量单元采集塔杆和导线的三维激光点云数据；具体过程如下：

(1)N表示的下一个电塔的区域中，无人机搭载巡线多源数据采集设备的运动数据采集航线类似A->A’->B’->B->D->D’->C’->C->F->N->F’的轨迹移动，直到巡检完所有电塔的杆塔和导线；

(2)在A->A’->B’->B、D->D’->C’->C移动过程中，激光雷达获取对杆塔的三维扫描线，红外图像与可见光图像传感器采集杆塔的高分辨率图像和高清影像数据；

(3)在F->N->F’移动过程中，激光雷达获取对杆塔的三维扫描线，红外图像与可见光图像传感器采集杆塔的高分辨率图像和高清影像数据；

(4)在A->A’->B’->B和D->D’->C’->C，与F->N->F’移动过程中，所述控制与存储器通过控制巡线多源数据采集设备挂接转轴带动巡线多源数据采集设备转动到所需指定方向；

所述红外图像和可见光图像集成传感器采用高清数码相机实现；采用高清数码相机拍摄红外图像和可见光图像时，需要通过设定拍摄的时间间隔，使获得的红外图像和可见光图像具有重叠区；

在垂直方向巡检塔杆时，用于电塔的图像AI分析区域为宽度W、高度为(n-1)·(1-2ζ)H，这里n是巡检铁塔的4次上下中，其中一次所需要的拍摄图像的张数，但是第一张进行AI分析的区域为宽度W、长度H，并不存在重叠区的问题；其中，重叠区图像的区域高度范围H∈[H_min，H_max]，按照如下公式计算：

在水平方向巡检导线时，用于一根导线的图像AI分析区域为宽度W、长度(n-1)·(1-2ζ)L，这里n是巡检一根导线所需要的拍摄图像的张数；但是第一张进行AI分析的区域为宽度W、长度L，并不存在重叠区的问题；其中，重叠区图像的区域长度范围L∈[L_min，L_max]，按照如下公式计算：

其中，ζ表示重叠区的重叠率。

2.根据权利要求1所述的输电线路巡检多源数据高效采集方法，其特征在于，所述重叠区的重叠率ζ＝30％。

3.根据权利要求1所述的输电线路巡检多源数据高效采集方法，其特征在于，所述巡线多源数据采集设备无人机挂接架的另一端与无人机可拆卸连接。

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