基于Google Earth的輸電線路巡視無人機地面站監控系統

蔣才明，唐洪良，陳貴，黃宵寧

（1.杭州電力局，杭州310009；2.余杭供電局，杭州311100；3.蕭山供電局，杭州311200；4.南京工程學院，南京211167）

基于Google Earth的輸電線路巡視無人機地面站監控系統

蔣才明1，唐洪良2，陳貴3，黃宵寧4

（1.杭州電力局，杭州310009；2.余杭供電局，杭州311100；3.蕭山供電局，杭州311200；4.南京工程學院，南京211167）

通過研究Google Earth電子地圖的GIS二次開發技術，構造了無人機地面站電子地圖顯示與交互環境，結合無人機的物理-數學模型，定制無線數據通信協議，在Google Earth視圖中對無人機進行三維飛行仿真和航跡實時跟蹤顯示，實現了地面站對空中無人機執行輸電線路巡視飛行姿態和航路的全過程實時監控。

輸電線路；巡視；無人機；地面站；監控系統；Google Earth

0 引言

輸電線路的運行狀況、設備缺陷以及沿線情況都會影響電網的安全運行和電力系統的穩定[1]。而輸電線路存在人為或自然的破壞和老化情況，要求供電企業不斷提升輸電線路的日常巡視和檢測水平，加強線路及通道的狀態巡視和監測。采用人工地面觀察或登桿（塔）排查等傳統巡檢手段，不僅受自然條件制約，而且存在勞動強度大、人身安全有隱患、巡檢效率低、巡檢質量與巡檢人員的技術素質直接相關等問題，已無法適應當前大電網安全生產的要求[2-3]。

采用無人機進行輸電線路巡視是近年來在載人直升機巡視技術思路上發展起來的一項新技術[4-5]。無人機離不開地面站的指揮與控制，隨著無人機技術的發展，地面站的功能也越來越全面，嵌入電子地圖后將有助于地面控制人員制定航路和觀察無人機的地理位置。目前，基于GIS（地理信息系統）技術的地面站已非常成熟，利用MapInfo公司的MapX，Intergraph公司的GeoMedia，ESRI公司的MapObjects等都是為滿足不同需求而開發的軟件系統[6-8]。

Google Earth是現代地圖的典型代表，提供資料豐富的GIS數據庫，除了顯示衛星影像圖外，還能顯示矢量數據[9]。本文將利用Google Earth的二次開發技術實現地面站的GIS功能，以微小型航拍無人機為研究對象，完成基于Google Earth地面站的仿真驗證研究。

1 系統功能

本文所實現的系統結構框圖如圖1所示。

圖1 地面站監控系統結構

地面站監控系統是在地面計算機上運行的軟件系統，是無人機飛行控制和管理系統的核心，主要完成無人機的航跡跟蹤、飛行狀態參數顯示、實時圖像監控以及地面通信等功能。電子地圖是無人機地面站在任務規劃時不可缺少的功能，將目前廣泛應用的Google Earth電子地圖引入地面站系統作為其獲取地理信息的手段，為操作人員提供逼真的三維視圖場景，大大提高了任務執行的準確度。軟件實現流程如圖2所示。

Google Earth提供在C++平臺上進行二次開發的API函數，通過調用Google Earth COM API函數，完成地面站電子地圖人機交互的功能[10]。

在圖像監控模塊中，采用OpenCV（Open Source Computer Vision Library）開發工具獲取圖像。OpenCV是Intel公司面向應用程序開發者開發的一種開源計算機視覺庫，由C函數和少量C++類構成，實現了圖像處理和計算機視覺方面的通用算法[11]。本系統利用OpenCV庫函數調用圖像采集卡接收圖像，并在地面站監控軟件中顯示。圖像獲取軟件實現流程如圖3所示。

圖2 地面站監控系統軟件流程

圖3 圖像獲取軟件實現流程

2 關鍵技術的實現

Google Earth客戶端軟件為用戶提供兩種擴展接口，一種是KML（Keyhole Markup Language）文件形式，另一種是組件（COM）API形式[12]，Google Earth二次開發的系統構架如圖4所示。

通過深入研究Google Earth的二次開發，實現了三維模型的動態顯示與無人機航跡跟蹤顯示等關鍵技術。

2.1 Google Earth三維模型的實現

三維模型的繪制主要利用Google SketchUp軟件工具來實現。本文以四旋翼和固定翼無人飛行器為例，在SketchUp軟件中設計并繪制三維模型，如圖5所示。

圖4 基于Google Earth的GIS系統構架

圖5 在SketchUp中的無人機三維模型

SketchUp軟件有自動生成KMZ格式文件的功能，通過該功能可以導出帶有三維模型顯示的KMZ文件，導出后用Google Earth進行解析并保存為KML格式文件，此時可以對KML文件的tag標簽內容按要求進行修改。主要修改KML文件中的經/緯度、高度、偏航（heading）、俯仰（tilt）、滾轉（roll），所對應的KML描述語句如下：

＜Location＞

＜longitude＞…＜/longitude＞

＜latitude＞…＜/latitude＞

＜altitude＞…＜/altitude＞

＜/Location＞

＜Orientation＞

＜heading＞…＜/heading＞

＜tilt＞…＜/tilt＞

＜roll＞…＜/roll＞

＜/Orientation＞

通過編程方式對KML文件內的標簽值進行修改，實現三維模型的動態顯示。軟件流程如圖6所示。

2.2 Google Earth視圖航跡跟蹤顯示

圖6 無人機三維模型動態顯示流程

無人機的航跡跟蹤主要是通過增加KML文件中的地標點來實現航路的顯示，KML文件描述如下：

＜Placemark＞

＜LineString＞

……

＜coordinates＞…＜/coordinates＞

＜/LineString＞

＜/Placemark＞

在＜coordinates＞標簽中按順序添加每個坐標點的經/緯度和高度信息，加載KML文件后，在Google Earth視圖中顯示由這些坐標點連接的線段。只要獲取無人機的定位信息，利用程序自動添加到＜coordinates＞標簽內，便能顯示無人機的航跡。

3 仿真驗證

結合半物理仿真平臺對地面站系統進行仿真驗證，利用已建立好的無人機數學模型[13]，用PC機模擬無人機的飛行控制，結合地面站監控軟件進行測試驗證。圖7是地面站監控系統半物理仿真平臺的結構框圖。

在地面站監控軟件電子地圖中繪制航路的操作步驟如下：

（1）通過地面站的操作進入繪制航路模式，即安裝鼠標鍵盤鉤子。

圖7 半物理仿真平臺結構

（2）將鼠標放在需要繪制航路點的位置，點擊鼠標右鍵彈出對話框，設置航路點種類以及經/緯度等信息，保存后Google Earth視圖中即顯示所繪制的航路點，如圖8所示。

圖8 地面站Google Earth視圖中繪制的航路

（3）在地面站監控軟件中獲取繪制的航路點信息，然后按照通信協議將航路點上傳到無人機，無人機將返回信息并提示上傳航路成功。

此時，無人機已裝載航路，將其飛行狀態切換至自主模式，無人機將通過判斷所裝載的起飛航路點進行自主模式的飛行。無人機在飛行過程中，將飛行狀態數據通過無線數傳模塊傳輸給地面站，并在Google Earth視圖中顯示無人機的飛行軌跡，在地面站監控系統中與實際繪制的航路點進行對比，如圖9所示，無人機通過航路點為等高飛行且為提前轉彎模式。

在圖9中，三維模型為固定翼無人機飛行器，白色細線為無人機飛行軌跡，由于無人機存在最小轉彎半徑的限制，因此在航路轉彎部分顯示出如圖中所示的效果。仿真結果表明，航跡跟蹤性能較好，但壓跡效果不理想，電子地圖響應速度較慢，分析其原因主要是：Google Earth的經/緯度還存在偏差，導航定位不夠準確，無人機模型解算出的數據還不太理想，需重新調試控制參數。此外，由于Google Earth是一款在線的電子地圖，服務器響應緩慢，從而產生延時。

圖9 航跡跟蹤仿真效果

4 結語

運用Google Earth二次開發技術，在Google Earth視圖中進行無人機的三維建模，結合無人機半物理仿真平臺和制定無線數據通信協議，在Google Earth視圖中實現無人機的飛行仿真和航跡實時跟蹤顯示。本成果已在具體項目中實施并得到驗證，很好地完成了地面站對空中無人機執行輸電線路巡視飛行姿態和航路的全過程實時監控。在大力推進智能電網建設的背景下，深入研究無人機的安全控制技術具有非常積極的意義和良好的工程應用前景。

[1]于德明，沈建，汪駿，等.直升機在電網運行維護中的研究與應用[J].電網技術，2009，33（6）:107-112.

[2]劉振亞.智能電網技術[M].北京:中國電力出版社，2010.

[3]孫才新.重視和加強防止復雜氣候環境及輸變電設備故障導致電網大面積事故的安全技術研究[J].中國電力，2004，37（6）:1-8.

[4]LUIS MEJAS，JUAN F.CORREA.COLIBRI.A visionguided UAV for surveill-ance and visual inspection[C]. 2007 IEEE International Conference on Robotics and Automation，Roma，Italy，2007.

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[8]賀光霞.基于GIS的無人機地面控制站的實現[J].無線電工程，2007，37（02）:36-38.

[9]HUAIYU XU，XIAOYU HOU，HENG CAI，et al.Online geographic information service platform based on Google Earth[C].2009 9th international conference on hybrid intelligent systems，2009.

[10]馬俊，楊忠，楊成順，等.基于Google Earth的人機交互平臺設計[J].應用科技，2010，37（7）:6-10.

[11]F LLORENS，F.J MORA，M PUJOL，et al.Working with OpenCV and intel image processing libraries.Processing image data tools[J].6thWorld multiconference on systemics，cybernetics and informatics，2002，20:51-56.

[12]Google，Inc.Google Earth COM API Documentation.http: //earth.google.com/comapi/index.htm[EB/OL].2009-9-12.

[13]程林，樊瓊劍，楊忠.基于虛擬現實的無人機飛控系統半物理仿真研究[J].中國制造業信息化，2006，35（19）:96-98.

（本文編輯：龔皓）

Ground Monitoring System of Unmanned Aerial Vehicle for Inspection of Transmission Lines Based on Google Earth

JIANG Cai-ming1，TANG Hong-liang2，CHEN Gui3，HUANG Xiao-ning4
（1.Hangzhou Municipal Electric Power Bureau，Hangzhou 310009，China；2.Yuhang Electric Power Bureau，Hangzhou 311100，China；3.Xiaoshan Electric Power Bureau，Hangzhou 311200，China；4.School of Electric Power Engineering，Nanjing Institute of Technology，Nanjing 211167，China）

With the secondary development technology of Geographic Information System（GIS）on Google Earth，the display of the electronic map and the interactive environment in the ground station of Unmanned Aerial Vehicle（UAV）are built.According to the physical and mathematic model of UAV，the wireless data communications protocol is formulated.The three-dimensional flight simulation and real-time tracking display of flight path of UAV have been implemented in the Google Earth view.The real-time full monitoring of flight attitude and path of UAV for transmission line inspection are achieved by ground station.

transmission lines；inspection；unmanned aerial vehicle；ground station；monitoring system; Google Earth

江蘇省高校自然科學基金資助項目（09KJB470002）；南京工程學院科研資金資助項目（KXJ08061）

TM764.2

：B

：1007-1881（2012）02-0005-04

2011-11-15

蔣才明(1977-)，男，浙江諸暨人，工程師，從事輸電線路規劃設計、運行檢修等方向的管理與研究工作。