CN114898234B - 搭载激光雷达热成像技术的无人机电网巡检三维成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种搭载激光雷达热成像技术的无人机电网巡检三维成像方法，所述方法包括：无人机飞控平台响应于接收到管理员的飞行指令，控制无人机按照预定航线飞行至电网区域，并控制数据采集装置对电网区域的数据进行采集；无人机将数据采集装置采集到的数据通过无线网络发送至基于GIS的地面导航控制系统；地面导航控制系统对数据进行像控处理和空三加密处理，并对电网区域中的不同环境场景进行分类，生成基础地理信息数据；地面导航控制系统对基础地理信息数据进行三维建模，以模拟电网区域的实际三维场景，并将实际三维场景与电网区域的标准三维场景进行对比，以确定电网区域中的故障位置。如此，大幅度提升了电网巡线检测的水平和质量。
Description
技术领域
本发明涉及电网巡检领域，具体地，涉及一种搭载激光雷达热成像技术的无人机电网巡检三维成像方法。
背景技术
长期以来，不管输电线路位于何处，均需电力巡检员定期巡视检查，以随时掌握和了解电力线路的运行情况，以及线路周围环境和线路保护区的变化情况，从而能够及时发现和消除隐患，预防电网事故的发生。传统的巡视工作方式依靠人工排查，效率低下，周期漫长，给电网安全管理带来许多隐患，巡线作业每年多都要进行多次，工作量浩大，耗费大量的人力、物力和财力，其效果和效率难以提升，且人工巡视检查容易出现漏检或误检的情况，巡视结果可能不够准确，对于保证电网的安全运行不利。
发明内容
本发明的目的是提供一种搭载激光雷达热成像技术的无人机电网巡检三维成像方法，提升巡线检测的水平和质量，保证电网的安全运行。
为了实现上述目的，本发明提供一种搭载激光雷达热成像技术的无人机电网巡检三维成像方法，所述方法包括：
无人机飞控平台响应于接收到管理员的飞行指令，控制无人机按照预定航线飞行至待巡检的电网区域，并控制所述无人机上集成的数据采集装置对所述电网区域的数据进行采集，其中，所述数据采集装置包括激光雷达、可见光高清相机、红外成像设备、紫外成像设备，所述数据采集装置采集到的数据包括三维点云数据、影像数据、电网巡检数据和违章取证数据；
所述无人机将所述数据采集装置采集到的数据通过无线网络发送至基于GIS的地面导航控制系统；
所述地面导航控制系统获取所述数据采集装置采集到的数据，对数据进行像控处理和空三加密处理，并对所述电网区域中的不同环境场景进行分类，生成基础地理信息数据，所述基础地理信息数据包括数据高程模型、数据正射影像图、激光点云数据、电子沙盘；
所述地面导航控制系统对所述基础地理信息数据进行三维建模，以模拟所述电网区域的实际三维场景，并将所述实际三维场景与所述电网区域的标准三维场景进行对比，以确定所述电网区域中的故障位置。
可选地，所述预定航线为电网线路巡视模式航线或电网防灾减灾模式航线，其中，所述电网线路巡视模式航线是根据飞行线路的三维坐标、水平缓冲半径、竖直缓冲半径生成的，所述电网防灾减灾模式航线是根据地图上多个标志点位生成的。
可选地，所述方法还包括：
所述无人机将自身在飞行过程和自检过程中的当前飞行参数，通过无线网络实时发送至所述地面导航控制系统，其中，所述当前飞参数包括当前发动机转速、当前油位、当前向前速度、当前电压值、当前横滚角、当前俯仰角；
所述地面导航控制系统根据所述当前飞行参数判断若存在以下情况中的至少一者，则进行无人机飞行预警：所述当前发送机转速大于预设转速阈值、所述当前油位小于预设油位阈值、所述当前向前速度大于预设速度阈值、所述当前电压值大于预设电压阈值、所述当前横滚角大于预设横滚角阈值、所述当前俯仰角大于预设俯仰角阈值。
可选地，所述方法还包括：
所述无人机将飞行过程中的视频信息和报文通过无线网络实时发送至所述地面导航控制系统；
所述地面导航控制系统对报文进行解析，在三维地图上生成无人机的飞行轨迹，并将所述无人机的飞行轨迹传输给监视器，以由所述监视器展示所述无人机的飞行轨迹。
可选地，所述无人机飞控平台用于控制所述无人机的飞行模式为以下之一：自主飞行模式、增稳飞行模式、手动飞行模式，其中，所述增稳飞行模式的默认优先级高于所述自主飞行模式的默认优先级。
可选地，所述方法还包括：
所述地面导航控制系统中的数据库管理模块获取电网巡检数据，根据所述电网巡检数据在三维地图上生成动态巡检结果，并将所述动态巡检结果传输给监视器，以由所述监视器展示所述动态巡检结果。
可选地，所述方法还包括：
所述地面导航控制系统对所述激光雷达采集的数据和定位定姿系统采集的数据进行联合处理，其中，所述地面导航控制系统在进行数据处理过程中，将GPS、IMU和激光雷达的原点统一至同一基准参考坐标系，并建立坐标关系将GPS、IMU和激光雷达的时间基准进行统一。
可选地，所述地面导航控制系统用于通过如下方式进行三维建模：
根据激光点云数据进行3DTIN构建，并根据模型几何结构编辑进行纹理生成；
根据模型配准和纹理封装，形成完整三维模型；
将完整三维模型表面纹理封装为纹理集，以保存影像分辨率，完成三维建模。
通过上述技术方案，无人机按照预定航线飞行至待巡检的电网区域，无人机上集成的数据采集装置可以对电网区域的数据进行采集，无人机可以沿着电网输电线路走廊近距离飞行和跟踪巡检，不受地形环境的限制，能够应对复杂多变的地形地貌。数据采集装置包括激光雷达、可见光高清相机、红外成像设备、紫外成像设备，数据采集装置采集到的数据包括三维点云数据、影像数据、电网巡检数据和违章取证数据，能够完成对电网区域数据的采集，提升巡线检测的水平和质量，提高电网巡检作业效率。地面导航控制系统对数据进行像控处理和空三加密处理，并对电网区域中的不同环境场景进行分类，生成基础地理信息数据，对基础地理信息数据进行三维建模，以模拟电网区域的实际三维场景，能够重现电网区域的三维线路场景并提供相关的三维数据与信息服务，提供电网巡检数据依据，将实际三维场景与电网区域的标准三维场景进行对比，可以确定电网区域中的故障位置，从而实现对电网区域输电线路的故障检测。无需人工巡视检查，避免漏检或误检的情况，通过构建电网区域的实际三维场景，可以重现电网区域的现场情况，从而及时发现故障，保障电网的安全运行。
附图说明
图1是根据一示例性实施例示出的一种搭载激光雷达热成像技术的无人机电网巡检三维成像方法。
图2是示例性示出的巡检作业的流程图。
图3是示例性示出的数据采集流程图。
图4是示例性示出的三维模型场景重现制作流程。
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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1是根据一示例性实施例示出的一种搭载激光雷达热成像技术的无人机电网巡检三维成像方法，如图1所示，该方法可包括步骤101至步骤104。
在步骤101中，无人机飞控平台响应于接收到管理员的飞行指令，控制无人机按照预定航线飞行至待巡检的电网区域，并控制无人机上集成的数据采集装置对电网区域的数据进行采集。
其中，数据采集装置包括激光雷达、可见光高清相机、红外成像设备、紫外成像设备，数据采集装置采集到的数据包括三维点云数据、影像数据、电网巡检数据和违章取证数据。其中，激光雷达可快速扫描电网现场，采集的数据可转换为三维可视化的点云数据，重现电网现场三维场景信息，可见光高清相机可实现电网现场快速取证，拍摄的图像清晰度高，提高电力系统巡查效率，红外成像设备和紫外成像设备可快速、准确地发现电网运行隐患，实现高效的电网巡查。
在步骤102中，无人机将数据采集装置采集到的数据通过无线网络发送至基于GIS的地面导航控制系统。
其中，无人机与地面导航控制系统之间可通过任一种无线通信方式进行通信，如4G、5G等。GIS即地理信息系统(Geographic Information System)。
在步骤103中，地面导航控制系统获取数据采集装置采集到的数据，对数据进行像控处理和空三加密处理，并对电网区域中的不同环境场景进行分类，生成基础地理信息数据。
其中，基础地理信息数据包括数据高程模型、数据正射影像图、激光点云数据、电子沙盘。其中，地面导航控制系统可实现对获取到的数据通过像控(相片与实际坐标对应)、空三加密(利用影像匹配技术、保证精度、减少控制点)处理，分类出所测植被(含树木)、建筑物、桥、高压线、地面等不同类别，生成数字高程模型(DEM)、数字正射影像图(DOM)、激光点云数据、电子沙盘等多种基础地理信息数据。
在步骤104中，地面导航控制系统对基础地理信息数据进行三维建模，以模拟电网区域的实际三维场景，并将实际三维场景与电网区域的标准三维场景进行对比，以确定电网区域中的故障位置。
其中，地面导航控制系统可将加工数据进行点云拼接与坐标转换方式进行三维建模。利用三维模型重现无人机电网巡检三维线路场景并提供相关的三维成像与信息服务。
通过上述技术方案，无人机按照预定航线飞行至待巡检的电网区域，无人机上集成的数据采集装置可以对电网区域的数据进行采集，无人机可以沿着电网输电线路走廊近距离飞行和跟踪巡检，不受地形环境的限制，能够应对复杂多变的地形地貌。数据采集装置包括激光雷达、可见光高清相机、红外成像设备、紫外成像设备，数据采集装置采集到的数据包括三维点云数据、影像数据、电网巡检数据和违章取证数据，能够完成对电网区域数据的采集，提升巡线检测的水平和质量，提高电网巡检作业效率。地面导航控制系统对数据进行像控处理和空三加密处理，并对电网区域中的不同环境场景进行分类，生成基础地理信息数据，对基础地理信息数据进行三维建模，以模拟电网区域的实际三维场景，能够重现电网区域的三维线路场景并提供相关的三维数据与信息服务，提供电网巡检数据依据，将实际三维场景与电网区域的标准三维场景进行对比，可以确定电网区域中的故障位置，从而实现对电网区域输电线路的故障检测。无需人工巡视检查，避免漏检或误检的情况，通过构建电网区域的实际三维场景，可以重现电网区域的现场情况，从而及时发现故障，保障电网的安全运行。
示例地，预定航线为电网线路巡视模式航线或电网防灾减灾模式航线，其中，所述电网线路巡视模式航线是根据飞行线路的三维坐标、水平缓冲半径、竖直缓冲半径生成的，所述电网防灾减灾模式航线是根据地图上多个标志点位生成的。电网线路巡视模式航线主要用于线路巡检业务，电网防灾减灾模式航线主要用于防灾减灾线路业务。采用何种航线可以是管理员预先在无人机飞控平台上选择的，无人机飞控平台可按照管理员的选择指令控制无人机的航线。
图2是示例性示出的巡检作业的流程图，如图2所示，首先进行无人机的作业准备，其中包括航线设计、参考站架设、勘察及资料准备、设备清点及检查、设备安装，然后由无人机进行数据采集，其中参考站数据采集和启动设备并行进行，启动设备之后进行测量数据采集，该测量数据可包括上述的三维点云数据、影像数据、电网巡检数据和违章取证数据。无人机返回之后可进行数据拷贝，之后外业结束关机转内业。
图3是示例性示出的数据采集流程图。如图3所示，在数据采集过程中，首先进行安装并固定设备的操作，之后打开监控计算机客户端，确认设备服务端启动正常，之后新建工程，即数据采集工程，并进行设备自检，即无人机设备自检，如果自检失败，则确认是否重新扫描，如果是则继续进行设备自检，如果否则结束流程，在设备自检成功的情况下，开始进行数据采集，采集完成之后结束数据采集工程，并进行数据整理。
在一实施例中，本发明提供的搭载激光雷达热成像技术的无人机电网巡检三维成像方法还可包括：
所述无人机将自身在飞行过程和自检过程中的当前飞行参数，通过无线网络实时发送至所述地面导航控制系统，其中，所述当前飞参数包括当前发动机转速、当前油位、当前向前速度、当前电压值、当前横滚角、当前俯仰角；
所述地面导航控制系统根据所述当前飞行参数判断若存在以下情况中的至少一者，则进行无人机飞行预警：所述当前发送机转速大于预设转速阈值、所述当前油位小于预设油位阈值、所述当前向前速度大于预设速度阈值、所述当前电压值大于预设电压阈值、所述当前横滚角大于预设横滚角阈值、所述当前俯仰角大于预设俯仰角阈值。
本发明中可以实现无人机的智能预警，对无人机在自检过程和实时飞行过程中的核心参数根据预设临界值进行监测预警功能，在需要进行无人机飞行预警时，地面导航控制系统可在监视器上推送告警信息，以使管理员及时知晓无人机可能出现故障，以便及时采取措施，从而保证无人机的安全飞行。
在一实施例中，本发明提供的搭载激光雷达热成像技术的无人机电网巡检三维成像方法还可包括：
所述无人机将飞行过程中的视频信息和报文通过无线网络实时发送至所述地面导航控制系统；
所述地面导航控制系统对报文进行解析，在三维地图上生成无人机的飞行轨迹，并将所述无人机的飞行轨迹传输给监视器，以由所述监视器展示所述无人机的飞行轨迹。
这样，管理员通过监视器可以实时掌握无人机的飞行轨迹，对于电网区域中需要重点监测的地方，可以增加无人机的悬停时间，以采集更多的有效数据。
在一实施例中，所述无人机飞控平台用于控制所述无人机的飞行模式为以下之一：自主飞行模式、增稳飞行模式、手动飞行模式，其中，所述增稳飞行模式的默认优先级高于所述自主飞行模式的默认优先级。
本发明中，无人机能够按照预定航线平稳飞行，到达预设航点时，能自动悬停，并对目标设备进行拍照和摄像，对于无人机的飞行模式，支持自主飞行模式、增稳飞行模式、手动飞行模式，即三种飞行模式。不论无人机巡检时处于何种飞行状态，自主飞行模式及增稳飞行模式两种飞行模式可自由无缝切换，切换响应速度应小于0.1s。无人机在自主飞行模式下执行任务时，在人工干预后，可以选择是否继续执行任务；无人机的三种飞行模式的优先级可预先设置，默认状态下增稳飞行模式具有更高的优先级；飞行状态和任务模式可灵活配置。设置内容包括但不限于飞行航线、飞行高度、飞行速度、起飞和降落方式、拍照(摄像)方式、安全策略，且可以对相关参数进行设置。
在一实施例中，本发明提供的搭载激光雷达热成像技术的无人机电网巡检三维成像方法还可包括：
所述地面导航控制系统中的数据库管理模块获取电网巡检数据，根据所述电网巡检数据在三维地图上生成动态巡检结果，并将所述动态巡检结果传输给监视器，以由所述监视器展示所述动态巡检结果。
如此，可以实现电网巡检结果管理，数据库管理模块可以抽取缺陷诊断系统的巡检结果数据，同时在三维地图上动态闪烁标绘巡检结果，管理员通过监视器可以对电网巡检结果进行查询、查看、定位。
在一实施例中，本发明提供的搭载激光雷达热成像技术的无人机电网巡检三维成像方法还可包括：
所述地面导航控制系统对所述激光雷达采集的数据和定位定姿系统采集的数据进行联合处理，其中，所述地面导航控制系统在进行数据处理过程中，将GPS、IMU和激光雷达的原点统一至同一基准参考坐标系，并建立坐标关系将GPS、IMU和激光雷达的时间基准进行统一。
其中，地面导航控制系统可对激光雷达采集的数据进行实时的数据处理，通过统一的空间基准和时间基准，保证系统数据的集成处理。通过软件处理数据解算模块，将GPS(全球定位系统，Global Positioning System)、IMU(惯性测量单元，InertialMeasurement Unit)和激光雷达的原点统一至同一基准参考坐标系，并建立严密的坐标关系将GPS、IMU和激光雷达的时间基准进行统一，将整个系统传感器采集的数据建立在同一时间坐标系统中，实现POS(定位定姿系统)数据和激光雷达数据的联合处理。
在一实施例中，所述地面导航控制系统用于通过如下方式进行三维建模：
根据激光点云数据进行3DTIN构建，并根据模型几何结构编辑进行纹理生成；
根据模型配准和纹理封装，形成完整三维模型；
将完整三维模型表面纹理封装为纹理集，以保存影像分辨率，完成三维建模。
其中，根据无人机采集的点云数据快速构建三维模型，正摄影像中任何一个点都具有三维坐标，方便与已建立的三维模型套合，根据相应的配准和纹理封装，形成完整的3D模型。将模型表面纹理封装为一个纹理集，重新封装纹理可以保存影像分辨率，最终实现三维快速建模。
图4是示例性示出的三维模型场景重现制作流程，如图4所示，在进行资料收集、任务分析、技术方案与工作计划的制定，以及测量控制成果、获取航拍数据、获取POS数据之后，进行空中三角测量，之后根据激光点云数据进3DTIN构建，并根据模型几何结构编辑进行纹理生成，模型检查之后输出Obj格式进行模型编辑，之后进行模型纹理编辑，根据模型配准和纹理封装，形成完整三维模型，将完整三维模型表面纹理封装为纹理集，以保存影像分辨率，完成三维建模，LOD即多层次细节(Level Of Details)，LOD模型即多层次细节三维模型。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种搭载激光雷达热成像技术的无人机电网巡检三维成像方法，其特征在于，所述方法包括：
无人机飞控平台响应于接收到管理员的飞行指令，控制无人机按照预定航线飞行至待巡检的电网区域，并控制所述无人机上集成的数据采集装置对所述电网区域的数据进行采集，其中，所述数据采集装置包括激光雷达、可见光高清相机、红外成像设备、紫外成像设备，所述数据采集装置采集到的数据包括三维点云数据、影像数据、电网巡检数据和违章取证数据；
所述无人机将所述数据采集装置采集到的数据通过无线网络发送至基于GIS的地面导航控制系统；
所述地面导航控制系统获取所述数据采集装置采集到的数据，对数据进行像控处理和空三加密处理，并对所述电网区域中的不同环境场景进行分类，生成基础地理信息数据，所述基础地理信息数据包括数据高程模型、数据正射影像图、激光点云数据、电子沙盘；
所述地面导航控制系统对所述基础地理信息数据进行三维建模，以模拟所述电网区域的实际三维场景，并将所述实际三维场景与所述电网区域的标准三维场景进行对比，以确定所述电网区域中的故障位置。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预定航线为电网线路巡视模式航线或电网防灾减灾模式航线，其中，所述电网线路巡视模式航线是根据飞行线路的三维坐标、水平缓冲半径、竖直缓冲半径生成的，所述电网防灾减灾模式航线是根据地图上多个标志点位生成的。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
所述无人机将自身在飞行过程和自检过程中的当前飞行参数，通过无线网络实时发送至所述地面导航控制系统，其中，所述当前飞参数包括当前发动机转速、当前油位、当前向前速度、当前电压值、当前横滚角、当前俯仰角；
所述地面导航控制系统根据所述当前飞行参数判断若存在以下情况中的至少一者，则进行无人机飞行预警：所述当前发送机转速大于预设转速阈值、所述当前油位小于预设油位阈值、所述当前向前速度大于预设速度阈值、所述当前电压值大于预设电压阈值、所述当前横滚角大于预设横滚角阈值、所述当前俯仰角大于预设俯仰角阈值。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
所述无人机将飞行过程中的视频信息和报文通过无线网络实时发送至所述地面导航控制系统；
所述地面导航控制系统对报文进行解析，在三维地图上生成无人机的飞行轨迹，并将所述无人机的飞行轨迹传输给监视器，以由所述监视器展示所述无人机的飞行轨迹。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述无人机飞控平台用于控制所述无人机的飞行模式为以下之一：自主飞行模式、增稳飞行模式、手动飞行模式，其中，所述增稳飞行模式的默认优先级高于所述自主飞行模式的默认优先级。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
所述地面导航控制系统中的数据库管理模块获取电网巡检数据，根据所述电网巡检数据在三维地图上生成动态巡检结果，并将所述动态巡检结果传输给监视器，以由所述监视器展示所述动态巡检结果。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
所述地面导航控制系统对所述激光雷达采集的数据和定位定姿系统采集的数据进行联合处理，其中，所述地面导航控制系统在进行数据处理过程中，将GPS、IMU和激光雷达的原点统一至同一基准参考坐标系，并建立坐标关系将GPS、IMU和激光雷达的时间基准进行统一。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述地面导航控制系统用于通过如下方式进行三维建模：
根据激光点云数据进行3DTIN构建，并根据模型几何结构编辑进行纹理生成；
根据模型配准和纹理封装，形成完整三维模型；
将完整三维模型表面纹理封装为纹理集，以保存影像分辨率，完成三维建模。
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