CN113189615A - 一种使用垂直起降固定翼无人机对输电线路进行巡检的方法 - Google Patents

Abstract

一种使用垂直起降固定翼无人机对输电线路进行巡检的方法，包括以下步骤：检校试验；垂直起降固定翼作业数据采集和数据处理；根据输电线路安全距离的要求，分析线路走廊内导线与地表、植被、建筑、交叉跨越等的净空距离，寻找输电线路设施设备异常和隐患，以及线路走廊中被跨越物对线路的威胁等；本发明的使用垂直起降固定翼无人机对输电线路进行巡检的方法，可以直接采集线路走廊高精度三维激光点云和高分辨率数码影像，进而获得高精度三维线路走廊地形、地貌、地物和线路设施设备空间信息，如杆塔、挂线点位置、导线弧垂等；激光雷达点云数据能够自动提取电力线点，并对电力线点进行曲线拟合，形成连续、完整的电力线路走廊。

Description

一种使用垂直起降固定翼无人机对输电线路进行巡检的方法

技术领域

本发明涉及电力线路巡检技术领域，具体说是一种使用垂直起降固定翼无人机对输电线路进行巡检的方法。

背景技术

我国已建成南方、西北、华东、华中、华北和东北六大跨省区电网，输电线路总长度超过115万平米，500kv及以上的输电线路已成为各区电网输电主力。我国国土幅员辽阔，地形复杂，丘陵较多，平原较少，加上气象条件复杂多变，给跨区电网和超高压输电线路工程建设带来一定难度；另一方面，建成之后的维护和保养，如果仅仅依靠现有的检查手段和常规测试并不能满足高效快速的要求，也不能起到很好的效果。

无人机机载激光雷达在电力中应用广泛，以前主要是用于灾害性普查和故障点巡查等，将将技术运用到电力线路巡检中，完成整条线路精细化作业的较少，由于电网输电线路通道内障碍众多，尤其是树林植物、违章建筑等，以及输电线路由于本身的物理性质变化(如线路弧垂变化)影响输电安全，种种因素直接影响输电线路的安全进行，上述的缺陷是日常输电线路巡检的重点巡检对象。

国内相关研究较多的大多是针对基于铁塔的多层次电力线，研究的输电线路高度较低，电力线周围内有同高的植被点，也给输电线路能道的提取造成了困难。此外，由于现有设备的性能的影响，采集回来的数据缺乏精确的空间距离，或者是搭载了激光雷达的飞行平台为保证精度速度偏慢，达不到提高效率的目的，导致巡检工作中存在人的劳动量大、人工成本高的缺点。另外，由于巡检中主要采取图像采集方式，存在数据功能单一、不可重复使用的缺陷，尚未研究出快速有效的采集输电线路空间位置数据用于三维建模的方法，因此线路巡检工作的效率不高。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的是提供一种使用垂直起降固定翼无人机对输电线路进行巡检的方法。

本发明为实现上述目的，通过以下技术方案实现：

一种使用垂直起降固定翼无人机对输电线路进行巡检的方法，包括对垂直起降固定翼无人机搭载激光雷达检校试验，具体的：

①飞行前准备工作：分析飞行当天的气候情况、人员安排情况、申请空域、确定激光雷达系统；

②布设基站：

按照GB/T 18314规定的GPS基站选址原则，结合大地测量控制成果，选择适合布设控制点的点位作为初选基站候选站址；

③设计航线：

a.根据要求设置检校场，检校激光雷达和相机；

b.综合考虑测区形状、基站位置及数量，飞机起飞降落位置，充分考虑繁忙空域和战斗飞行管制的要求；

c.根据测区形状确定航线铺设方向，根据要求设计航向、旁向重叠，形成测绘作业形式的一千米宽的网格图作为扫描航线；

d.飞行速度根据点云密度、精度要求、地形起伏及激光频率确定，飞行速度尽可能保持一致；

④校验参数的获得：

确定激光雷达系统通过无人机地面控制站启动正常，基站接收数据正常；

检查激光雷达系统中存储设备容量是否满足架次飞机存储要求，检查激光雷达系统中各项参数设置是否正确；如激光雷达系统中存储设备容量满足架次飞机存储要求，并且激光雷达系统中各项参数设置正确，则进行下一步数据采集操作，具体的：

飞机起飞后开启雷达进行扫描，扫描完毕后，飞机降落至停机位停稳，等候至少5分钟确保IMU数据及GPS数据记录完整，关掉航摄系统设备电源，关闭基站；

拷贝原始数据并删除激光雷达上的原始数据，激光雷达数据POS轨迹结算完后进行检校测算，经过反复修正，得到稳定的校验参数，用于后期点云数据解算；所述校验参数包括经度×、纬度Y、高度z、横滚ROLL、偏航角YAW和俯仰角PITCH的校验参数。

优选的，还包括垂直起降固定翼无人机搭载激光雷达系统进行作业数据采集和数据处理，具体的：

(1)飞行前准备工作：分析飞行当天的气候情况、人员安排情况、申请空域、确定激光雷达系统；

(2)布设基站：按照GB/T 18314规定的GPS基站选址原则，结合大地测量控制成果，选择适合布设控制点的电位作为初选基站候选站址；

(3)设计航线：结合作业设备进行航线设计，并确定项目相关参数，如飞行高度、飞行速度、架次划分、航线布设方向、航向重叠、整体覆盖和姿势保持；

(4)数据采集：

确定激光雷达系统通过无人机地面控制站启动正常，基站接收数据正常；

检查激光雷达系统中存储设备容量是否满足架次飞机存储要求，检查激光雷达系统中各项参数设置是否正确；如激光雷达系统中存储设备容量满足架次飞机存储要求，并且激光雷达系统中各项参数设置正确，则进行下一步数据采集操作，具体的：

飞机起飞后开启雷达进行扫描，扫描完毕后，飞机降落至停机位停稳，等候至少5分钟确保IMU数据及GPS数据记录完整，然后关掉航摄系统设备电源，关闭基站；

(5)对激光雷达系统数据处理，生成基于点云的数字正摄影像图DOM。

优选的，步骤(5)对激光雷达系统数据处理的过程为：

飞行结束后，从激光雷达系统里拷贝出原始数据，进行以下处理：

A.POS轨迹数据处理：将基站GPS和机载/车载GPS计算差分GPS，然后所得差分GPS与IMU数据联合处理后得到航迹文件，所述航迹文件包括影像航迹和激光航迹；

B.点云数据处理：将原始激光点云与激光航迹结合，得到每个激光脚点的大地坐标值，形成激光点云LAS文件；

C.激光点云分类：根据需要建模的对象类别，将激光点云分为地表、植被、建筑、杆塔、输电导线类别；

D.确认点云数据的精度达标，标准为：点云密度大于25个/平方米，地面幅宽大于360米；

E.危险源分析，同时处理得到数字高程模型DEM；

F.原始影像结合影像航迹进行比对处理后，与数字高程模型DEM进行正射纠正后，得到基于点云的数字正射影像图DOM。

优选的，步骤(5)对激光雷达系统数据处理，生成基于点云的数字正摄影像图DOM后，还包括以下步骤：

以电力线和电力塔为核心，根据输电线路安全距离的要求，分析线路走廊内导线与地表、植被、建筑、交叉跨越等的净空距离，寻找输电线路设施设备异常和隐患，以及线路走廊中被跨越物对线路的威胁；

标识关注地物，分析相互之间的拓扑关系与相互作用，输出图表报文提示危险排查区域，检测建筑物、植被及交叉跨越等对线路的距离是否符合运行规范；所述关注地物为高大植被、高层建筑和穿越线路。

本发明相比现有技术具有以下优点：

本发明的使用垂直起降固定翼无人机对输电线路进行巡检的方法，通过在无人机上搭载激光雷达设备及高分辨相机，可以直接采集线路走廊高精度三维激光点云和高分辨率数码影像，进而获得高精度三维线路走廊地形、地貌、地物和线路设施设备空间信息，如杆塔、挂线点位置、导线弧垂等；激光雷达点云数据能够自动提取电力线点，并对电力线点进行曲线拟合，形成连续、完整的电力线路走廊。

本发明的使用垂直起降固定翼无人机对输电线路进行巡检的方法，可以精确、快速地测量线路走廊地物(特别是树木、房屋、交叉跨越)到导线的距离是否满足安全运行要求；高分辨率数码影像可以供巡检人员判读输电线路和走廊安全隐患、异常；利用机载激光雷达测量技术对线路走廊进行数据采集和三维建模，巡检人员可以对造成线路安全问题的隐患和异常进行分析，精确确定线和树的距离，进而确定如何进行砍伐和障碍清除；利用三维建模图，恢复电力线沿线地表形态、地表附着物(建筑、树木等)，线路杆塔三维位置和模型等，并将线路的属性参数录入实现线路资产管理。

附图说明

图1为数据处理流程示意图。

具体实施方式

本发明的目的是提供一种使用垂直起降固定翼无人机对输电线路进行巡检的方法，通过以下技术方案实现：

本发明的垂直起降固定翼无人机系统的飞行平台是一种采用四组小型电动螺选桨作为飞机起降动力、小型油动发动机作为飞行推力的无人驾驶飞机，是一种多旋翼和固定翼气动布局相结合的飞行器。

当该机垂直起飞升空后，手动控制进行巡飞(或按预先设定的程序控制进行自主导航飞行)，到达工作区域上空时，开启激光雷达，机载激光雷达将捕捉到的地面目标，进行扫描并记录原始数据。

任务完成后返航，到达起飞点上空原地降落回收，更换动力电池、加油和进行短时间维护后可再次起飞执行任务。

本发明的垂直起降固定翼无人机主要技术指标如下：

本发明的垂直起降固定翼无人机型号可以选择北京天峋科技的油动鸭式垂直起降无人机，该机型除了具备多旋翼垂直起降，不需要特殊起降场地、长续航低噪音的优点，还采用鸭式布局，优选翼型，解决了上仰发散，可以有效的避免失速，提高飞行安全性。

本发明的激光雷达可选择测瑞格的RIEGL VUX-1系列激光雷达，最远有效扫描距离可达1350米，同时配备高精度的惯导系统，可满足山地密林、大高差等困难地形的数据获取。

以下结合具体实施例来对本发明作进一步的描述。

实施例1

一种使用垂直起降固定翼无人机对输电线路进行巡检的方法，包括以下步骤：

一、对垂直起降固定翼无人机搭载激光雷达检校试验；

二、垂直起降固定翼无人机搭载激光雷达系统进行作业数据采集和数据处理；

三、以电力线和电力塔为核心，根据输电线路安全距离的要求，分析线路走廊内导线与地表、植被、建筑、交叉跨越等的净空距离，寻找输电线路设施设备异常和隐患，以及线路走廊中被跨越物对线路的威胁；

标识关注地物，分析相互之间的拓扑关系与相互作用，输出图表报文提示危险排查区域，检测建筑物、植被及交叉跨越等对线路的距离是否符合运行规范；所述关注地物为高大植被、高层建筑和穿越线路。

步骤一中对垂直起降固定翼无人机搭载激光雷达检校试验，具体包括：

①飞行前准备工作：分析飞行当天的气候情况、人员安排情况、申请空域、确定激光雷达系统；

②布设基站：

按照GB/T 18314规定的GPS基站选址原则，结合大地测量控制成果，选择适合布设控制点的点位作为初选基站候选站址；

对基站候选站站址进行实地选择，选址原则如下：

位于开阔处，附近无电波干扰；站点附近交通、通讯条件良好，便于联络和数据传输；人员稀少或不易到达的地点，避免闲杂人滋扰；点位需要设立在稳定的、易于保存的地点(如房顶等)；应具有可靠电源，以保障设备充电；充分利用符合要求的高精度的已知控制点；

③设计航线：根据项目要求结合作业设备进行航线设计，并确定项目相关参数，如飞行高度、飞行速度、架次划分、航线布设方向、航向重叠情况、整体覆盖情况和姿态保持等；

设计航线的基本原则：

a.根据要求设置检校场，检校激光雷达和相机；

b.综合考虑测区形状、基站位置及数量，飞机起飞降落位置，充分考虑繁忙空域和战斗飞行管制的要求；

c.根据测区形状确定航线铺设方向，根据要求设计航向、旁向重叠，形成测绘作业形式的一千米宽的网格图作为扫描航线；

d.飞行速度根据点云密度、精度要求、地形起伏及激光频率确定，飞行速度尽可能保持一致；

④校验参数的获得：

激光雷达系统、基站等就位后，确定激光雷达系统通过无人机地面控制站启动正常，基站接收数据正常；

检查激光雷达系统中存储设备容量是否满足架次飞机存储要求，检查激光雷达系统中各项参数设置是否正确；如激光雷达系统中存储设备容量满足架次飞机存储要求，并且激光雷达系统中各项参数设置正确，则进行下一步数据采集操作，具体的：

飞机起飞后开启雷达进行扫描，扫描完毕后，飞机降落至停机位停稳，等候至少5分钟确保IMU数据及GPS数据记录完整，关掉航摄系统设备电源，关闭基站；

拷贝原始数据并删除激光雷达上的原始数据，激光雷达数据POS轨迹结算完后进行检校测算，经过反复修正，得到稳定的校验参数，用于后期点云数据解算；所述校验参数包括经度×、纬度Y、高度Z、横滚ROLL、偏航角YAW和俯仰角PITCH的校验参数。

步骤一的检校试验工作仅在激光雷达安装到垂直起降固定翼无人机后进行，后期不进行拆换可以长期使用检校完的经度×、纬度Y、高度Z、横滚ROLL、偏航角YAW和俯仰角PITCH的校验参数，如果发现点云数据精度偏差变大时，需重新进行检校飞行计算检校参数。

步骤二中垂直起降固定翼无人机搭载激光雷达系统进行作业数据采集和数据处理，具体包括：

(1)飞行前准备工作：分析飞行当天的气候情况、人员安排情况、申请空域、确定激光雷达系统；

(2)布设基站：按照GB/T 18314规定的GPS基站选址原则，结合大地测量控制成果，选择适合布设控制点的电位作为初选基站候选站址；对基站候选站站址进行实地选择，其选址原则与校验飞行相一致，在步骤一中有详细介绍可以参考。

(3)设计航线：结合作业设备进行航线设计，并确定项目相关参数，如飞行高度、飞行速度、架次划分、航线布设方向、航向重叠、整体覆盖和姿势保持；

(4)数据采集：

激光雷达系统和基站等就位后，确定激光雷达系统通过无人机地面控制站启动正常，基站接收数据正常；

检查激光雷达系统中存储设备容量是否满足架次飞机存储要求，检查激光雷达系统中各项参数设置是否正确；如激光雷达系统中存储设备容量满足架次飞机存储要求，并且激光雷达系统中各项参数设置正确，则进行下一步数据采集操作，具体的：

飞机起飞后开启雷达进行扫描，扫描完毕后，飞机降落至停机位停稳，等候至少5分钟确保IMU数据及GPS数据记录完整，然后关掉航摄系统设备电源，关闭基站；

其中飞行作业过程中应注意以下事项：

飞机飞行期间应避免进入有高大树木或建筑物遮挡处，以免造成GPS卫星信号丢失；飞机上升、下降速率不宜过大，爬升下降率须在飞机巡航性能范围内，且飞行过程中转弯坡度不宜过大；飞行过程中应及时观察系统工作情况，重点观察GPS信号丢失现象，根据实际情况及时处理出现的问题。

(5)对激光雷达系统数据处理，生成基于点云的数字正摄影像图DOM：具体的，如图1所示，

飞行结束后，从激光雷达系统里拷贝出原始数据，进行以下处理：

A.POS轨迹数据处理：将基站GPS和机载/车载GPS计算差分GPS，然后所得差分GPS与IMU数据联合处理后得到航迹文件，所述航迹文件包括影像航迹和激光航迹；

B.点云数据处理：将原始激光点云与激光航迹结合，得到每个激光脚点的大地坐标值，形成激光点云LAS文件；

C.激光点云分类：根据需要建模的对象类别，将激光点云分为地表、植被、建筑、杆塔、输电导线类别；

D.确认点云数据的精度达标，标准为：点云密度大于25个/平方米，地面幅宽大于360米；

E.危险源分析，同时处理得到数字高程模型DEM；

F.原始影像结合影像航迹进行比对处理后，与数字高程模型DEM进行正射纠正后，得到基于点云的数字正射影像图DOM。

Claims (4)

1.一种使用垂直起降固定翼无人机对输电线路进行巡检的方法，其特征在于：包括对垂直起降固定翼无人机搭载激光雷达检校试验，具体的：

①飞行前准备工作：分析飞行当天的气候情况、人员安排情况、申请空域、确定激光雷达系统；

②布设基站：

按照GB/T 18314规定的GPS基站选址原则，结合大地测量控制成果，选择适合布设控制点的点位作为初选基站候选站址；

③设计航线：

a.根据要求设置检校场，检校激光雷达和相机；

b.综合考虑测区形状、基站位置及数量，飞机起飞降落位置，充分考虑繁忙空域和战斗飞行管制的要求；

c.根据测区形状确定航线铺设方向，根据要求设计航向、旁向重叠，形成测绘作业形式的一千米宽的网格图作为扫描航线；

d.飞行速度根据点云密度、精度要求、地形起伏及激光频率确定，飞行速度尽可能保持一致；

④校验参数的获得：

确定激光雷达系统通过无人机地面控制站启动正常，基站接收数据正常；

检查激光雷达系统中存储设备容量是否满足架次飞机存储要求，检查激光雷达系统中各项参数设置是否正确；如激光雷达系统中存储设备容量满足架次飞机存储要求，并且激光雷达系统中各项参数设置正确，则进行下一步数据采集操作，具体的：

飞机起飞后开启雷达进行扫描，扫描完毕后，飞机降落至停机位停稳，等候至少5分钟确保IMU数据及GPS数据记录完整，关掉航摄系统设备电源，关闭基站；

拷贝原始数据并删除激光雷达上的原始数据，激光雷达数据POS轨迹结算完后进行检校测算，经过反复修正，得到稳定的校验参数，用于后期点云数据解算；所述校验参数包括经度×、纬度Y、高度z、横滚ROLL、偏航角YAW和俯仰角PITCH的校验参数。

2.根据权利要求1所述的使用垂直起降固定翼无人机对输电线路进行巡检的方法，其特征在于：还包括垂直起降固定翼无人机搭载激光雷达系统进行作业数据采集和数据处理，具体的：

(1)飞行前准备工作：分析飞行当天的气候情况、人员安排情况、申请空域、确定激光雷达系统；

(2)布设基站：按照GB/T 18314规定的GPS基站选址原则，结合大地测量控制成果，选择适合布设控制点的电位作为初选基站候选站址；

(3)设计航线：结合作业设备进行航线设计，并确定项目相关参数，如飞行高度、飞行速度、架次划分、航线布设方向、航向重叠、整体覆盖和姿势保持；

(4)数据采集：

确定激光雷达系统通过无人机地面控制站启动正常，基站接收数据正常；

检查激光雷达系统中存储设备容量是否满足架次飞机存储要求，检查激光雷达系统中各项参数设置是否正确；如激光雷达系统中存储设备容量满足架次飞机存储要求，并且激光雷达系统中各项参数设置正确，则进行下一步数据采集操作，具体的：

飞机起飞后开启雷达进行扫描，扫描完毕后，飞机降落至停机位停稳，等候至少5分钟确保IMU数据及GPS数据记录完整，然后关掉航摄系统设备电源，关闭基站；

(5)对激光雷达系统数据处理，生成基于点云的数字正摄影像图DOM。

3.根据权利要求2所述的使用垂直起降固定翼无人机对输电线路进行巡检的方法，其特征在于：步骤(5)对激光雷达系统数据处理的过程为：

飞行结束后，从激光雷达系统里拷贝出原始数据，进行以下处理：

A.POS轨迹数据处理：将基站GPS和机载/车载GPS计算差分GPS，然后所得差分GPS与IMU数据联合处理后得到航迹文件，所述航迹文件包括影像航迹和激光航迹；

B.点云数据处理：将原始激光点云与激光航迹结合，得到每个激光脚点的大地坐标值，形成激光点云LAS文件；

C.激光点云分类：根据需要建模的对象类别，将激光点云分为地表、植被、建筑、杆塔、输电导线类别；

D.确认点云数据的精度达标，标准为：点云密度大于25个/平方米，地面幅宽大于360米；

E.危险源分析，同时处理得到数字高程模型DEM；

F.原始影像结合影像航迹进行比对处理后，与数字高程模型DEM进行正射纠正后，得到基于点云的数字正射影像图DOM。

4.根据权利要求2或3所述的任一种使用垂直起降固定翼无人机对输电线路进行巡检的方法，其特征在于：步骤(5)对激光雷达系统数据处理，生成基于点云的数字正摄影像图DOM后，还包括以下步骤：

以电力线和电力塔为核心，根据输电线路安全距离的要求，分析线路走廊内导线与地表、植被、建筑、交叉跨越等的净空距离，寻找输电线路设施设备异常和隐患，以及线路走廊中被跨越物对线路的威胁；

标识关注地物，分析相互之间的拓扑关系与相互作用，输出图表报文提示危险排查区域，检测建筑物、植被及交叉跨越等对线路的距离是否符合运行规范；所述关注地物为高大植被、高层建筑和穿越线路。

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