輸電線路無人機超視距巡視智能操控系統研發與應用

王金城 陳清江

【摘 要】受輸電線路所處地形條件的限制，無人機飛手在進行超視距電力巡檢時，難以及時準確地判斷無人機的飛行狀況，嚴重影響無人機的飛行安全和作業效率。本文運用無人機低空遙感技術，自主研發了一款能在視距外飛行的可視化輔助系統——輸電線路無人機超視距巡視智能操控系統。該系統具有航線自動規劃、一鍵起飛、自主作業、自動返航、斷點續飛、智能避障等特點，內置多種智能業務化作業模式，無需人工干預，即可實現輸電線路的超視距智能巡視。利用該系統的點云采集模塊對中山市沙溪鎮110kV的輸電線路進行超視距測試應用，結果表明，無人機作業安全，獲取的點云數據質量高、精度高、燥點少。

【關鍵詞】輸電線路；無人機；電力巡檢；超視距巡視；智能操控系統

中圖分類號： TM755 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）32-0005-004

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.32.002

【Abstract】Due to the limitation of the terrain conditions of the transmission line， it is difficult for the UAV flying hand to judge the flight condition of the UAV in time and accurately during the over-the-horizon power inspection， which seriously affects the flight safety and operation efficiency of the UAV. In this paper， the UAV low-altitude remote sensing technology is used to independently develop a visual aid system that can fly outside the line of sight——Transmission Line UAV Over-the-Horizon Patrol Intelligent Control System. The system has the characteristics of automatic route planning， one-button take-off， autonomous operation， automatic return flight， breakpoint continuous flight， intelligent obstacle avoidance， etc. The system built-in multiple intelligent business operation modes， which can realize the over-the-horizon of the transmission line without manual intervention Smart patrol. The point cloud acquisition module of the system is used to test the over-the-horizon patrol of the 110kv transmission line in Shaxi Town， Zhongshan City. The results show that the UAV operation is safe， and the acquired point cloud data has high quality， high precision and less dry spots.

【Key words】Transmission line； UAV； Power inspection； Over-the-horizon inspection； Intelligent control system

0 引言

隨著經濟的高速發展，高等級、長距離輸電線路越來越多，輸電線路分布點多、面廣，所處地形復雜，自然環境惡劣，使得電力巡檢的難度不斷加大，傳統的人工巡檢已無法滿足當前的作業需求[1-3]。無人機技術的發展和通航領域政策的逐步放開，有效地解決了電力巡檢的難題，推進了傳統人工巡檢模式向機巡模式的轉變[4-5]。南方電網“十三五”規劃明確提出，要全面推行“機巡+人巡”的巡線模式，并在2020年底基本實現“機巡為主、人巡為輔”的協同巡檢目標[6]。

隨著無人機市場的不斷擴大和無人機電力巡檢應用的不斷深入，多旋翼無人機現已廣泛應用于架空輸電線路巡視作業[7-8]。無人機飛手通常是在通訊控制的有效范圍內通過目測及實時圖傳信息來判斷飛行的環境，從而手動控制安全飛行，但由于電力巡檢作業環境復雜，在線路桿塔處于無人機飛手視距范圍外、跨越河流、山脈等作業環境時，單憑無人機自帶攝像頭傳回的實時圖像信息難以及時準確判斷飛機航向、無人機與障礙物間距離等威脅安全飛行的環境狀況，無法提前預判并及時調整無人機飛行狀態，成為制約無人機超視距作業的關鍵難點之一，嚴重影響了飛行安全與作業效率[9-10]。目前，輸電線路無人機超視距飛行巡視尚無有效的輔助飛行作業系統。因此，本文基于無人機電力巡檢作業的持點，自主研發一款能在視距外飛行的可視化輔助系統，以降低無人機沿線飛行時啟停次數，方便操作手實時監控無人機飛行狀態，提高飛行效率及可靠性。

1 系統研發

1.1 系統總體架構

輸電線路無人機超視距巡視智能操控系統根據無人機電力巡檢作業的持點，采用分層式的設計理念，從數據傳遞層面上將系統分為數據采集層、數據存儲與傳輸層、數據處理層，三個層次協調運行以對作業現場進行智能監管，實現輸電線路無人機超視距的安全巡檢，系統總體架構如圖1所示。

1.1.1 數據采集層

數據采集層是整個系統的底層，主要由無人機及其搭載的數據采集裝置及相關設備組成，負責采集施工現場的實時影像信息，通過多種通訊方式將采集的數據傳輸至數據存儲與傳輸層。數據采集層設備主要由無人機構成，其上搭載有傳感器、GPS導航模塊、復含避障模塊等裝置，其中傳感器可實現對作業現場的數據采集，而無人機通過搭載導航模塊和避障模塊，可以實現其自主導航以及智能避障功能，從而實現數據采集的無人化控制。

1.1.2 數據存儲與傳輸層

數據存儲與傳輸層在整個系統中起到承上啟下的作用，主要負責作為數據的中轉站將無人機采集到的數據傳輸回無人機超視距巡視智能操控系統，以便無人機超視距巡視智能操控系統能實時監控無人機的實時狀態。

1.1.3 數據處理層

數據處理層主要負責用數據處理軟件來處理無人機采集得到的影像資料，得到作業現場的二維數據或三維數據，實現二維影像數據分析以及三維影像數據生成及測量等。

1.2 系統開發與部署

輸電線路無人機超視距巡視智能操控系統是基于Android操作系統和大疆SDK自主研發的、針對輸電線路超視距巡檢作業特點深度定制的無人機智能操作系統。系統開發部署包括可行性評估、產品原型、產品界面設計與框架搭建、規范設計及功能實現、產品測試、產品上線及方案優化等內容。

系統運用無人機低空遙感技術，基于傳遞函數模型，利用根軌跡方法，按照“由內到外”的順序依次設計內、外回路的增益，來完成復雜地形條件下長距離、超視距多旋翼微型無人機自動控制。其結構圖如圖2所示。

1.3 系統功能

輸電線路無人機超視距巡視智能操控系統具有KML文件導入、航飛參數設置、自動航線規劃、一鍵式起降、自主作業、智能安全檢查、實時圖傳、天氣預報、智能避障等功能，內置正射影像、傾斜攝影、樹障巡視、點云采集等多種智能業務化作業模式，無需人工干預，即可實現輸電線路無人機超視距智能化巡視，減少人工操作，降低職業門檻，保證飛行安全，減少事故率。系統還接入了中國氣象大數據，能夠對任意航飛區域進行實況天氣分鐘級預測和一周內天氣預報，保障作業安全。

1.3.1 正射影像模塊

正射影像模塊主要用于正射數據的采集，支持矩形和多邊形航飛區域的繪制和航線自動規劃功能，可對航飛區域進行旋轉、平移、放大、縮小等操作，可任意選擇航線進行斷點續飛。提供飛行區域大小提示功能，顯示飛行范圍的大小以及完成該范圍預計需要的時間，并通過顏色來提示是否超出安全飛行范圍，其中黃色表示需要注意飛行，紅色表示無法飛行。

1.3.2 傾斜影像模塊

傾斜攝影模塊主要用于三維傾斜影像數據的采集，支持矩形和多邊形航飛區域的繪制以及5個架次的多邊形航線規劃功能，可任意選擇航線進行斷點續飛。具有飛行區域大小提示功能，支持旁向重疊度、航向重疊度、航線高度、測繪基準面高度等航飛參數的設置和分辨率、航飛速度的顯示，并提供規劃路徑保存和歷史任務載入功能。

1.3.3 樹障巡視模塊

樹障巡視模塊主要用于樹障隱患數據的采集，提供視頻拍攝和定時拍照兩種任務模式，可直接導入桿塔的位置文件，也可手動確定桿塔的位置，能夠對桿塔進行追加、刪除等操作。系統能夠自動根據桿塔線路規劃航線，并自動控制無人機沿規劃線路進行數據采集，支持可變航高的數據采集。提供直線返航和原路返航兩種返航模式。

1.3.4 點云采集模塊

點云采集模塊主要用于控制激光雷達設備獲取輸電線路的點云數據，支持桿塔位置文件的導入功能。通過選擇目標桿塔線路，可一鍵生成航線任務，自動完成該線路三維點云模型數據采集。提供激光雷達設備的校準功能，可自動采集POS信息和點云數據，可設置航線高度、起降高度、飛行速度、側面距離、層數、層高等參數，任務完成后無人機將智能返航。

2 系統應用

利用研發的輸電線路無人機超視距巡視智能操控系統，在廣東省中山市沙溪鎮進行超視距測試應用，本文以中山市沙溪鎮某輸電線路為例，對系統的應用流程進行介紹。

2.1 研究區概況

沙溪鎮隸屬廣東省中山市，位于市境西部，東與石岐城區接壤，西南鄰大涌鎮，西接橫欄鎮，北連東升鎮坦背、西區沙朗，總面積55平方公里，轄區內設有15個行政村和1個社區。沙溪鎮地勢南高北低，丘陵與平原各半，東南和中南部為丘陵臺地，一般海拔20多米，主要有鳳凰山、黃峰山、碼頭山等山崗，其中鳳凰山海拔64.3米，為全鎮最高點。本研究區位于黃峰山與鳳凰山之間的山凹上，東面為黃峰山，西面為鳳凰山，地形呈東北高，西南低之勢，為山丘林地地區，輸電線路電壓等級為110kV。

2.2 系統應用

輸電線路無人機超視距巡視智能操控系統的數據采集模塊眾多，本文以點云采集模塊為例，對沙溪鎮110kV輸電線路進行了超視距測試應用，作業流程如圖6所示。

圖6 輸電線路無人機超視距巡視智能操控系統點云采集作業流程

2.2.1 無人機設備連接

在系統使用之前，打開遙控器并開啟無人機，將裝有系統的手機或平板通過USB數據線連接到遙控器上，在彈出的選項框中選擇本系統。然后，進入系統主界面，查看飛機是否連接成功，當“設備未連接”變為飛機的名稱時，表示飛機已連接成功。

2.2.2 數據采集模式選擇

系統主要包括正射影像、傾斜攝影、樹障巡視、點云采集等數據采集模式。在菜單欄中選擇模式切換，根據不同的任務需求選擇不同的數據采集模式，本文選擇點云采集模式。

2.2.3 桿塔坐標導入

導入桿塔坐標文件，支持kml、excel等格式。根據線路長度和飛行時長，選擇無人機飛行的桿塔。本文導入110kV輸電線路的桿塔坐標，并選擇超視距的桿塔進行作業。

2.2.4 航飛參數設置及路徑自動規劃

航飛參數主要分為航線參數和收斂參數，其中航線參數包括航線高度、起降高度、飛行速度、側面距離、層數、層高、兩端收窄等，收斂參數包括高度、半徑、速度等。根據航飛的路徑對其進行設置，系統根據設置的參數自動規劃航線。

2.2.5 激光點云設備連接與數據采集

開啟激光點云設備，單擊系統上的連接按鈕，搜索附近的激光點云設備，進行激光點云設備的連接。然后單擊POS采集和點云采集，啟動激光點云設備的數據采集功能，采集POS信息和點云數據。

2.2.6 無人機飛行安全檢查

各項準備工作完成之后，點擊開始按鈕，系統將會彈出飛行安全檢查對話框，自動對無人機進行十項安全檢查，飛行安全檢查主要涉及無人機飛行作業時所要考慮的常規因素。

2.2.7 無人機全自動數據采集

完成飛行前安全檢查后執行滑動起飛操作，無人機將自主起飛，并按照規劃的航線全自動執行采集任務，獲取輸電線路的激光點云數據。在飛行的過程中，系統具有智能避障功能，可有效地保證飛機作業安全。執行完航飛任務后，無人機將自動返航。

結果表明，輸電線路無人機超視距巡視智能操控系統具有航線自動規劃、一鍵起飛、自主作業、自動返航、斷點續飛、智能避障等特點，可有效地完成超視距的輸電線路無人機巡視作業，保證作業安全。此外，利用系統采集得到的點云數據，與傳統手段相比，具有質量高、精度高、燥點少等優點。因此，本文研發的輸電線路無人機超視距巡視智能操控系統對于超視距的無人機輸電線路巡視作業具有良好的適用性。

除點云采集模塊外，本次實驗還全面測試了輸電線路無人機超視距巡視智能操控系統的其他功能和性能，包括正射影像、傾斜攝影、樹障巡視等模塊功能，以及無人機穩定性和可靠性。結果表明，系統具有啟動時間短，CPU、內存占用低，流量、電量耗用少，響應速度快，穩定性高，網絡性能優等特點，能夠安全高效的完成超視距的正射、傾斜、樹障數據采集任務。

3 總結

本文運用無人機低空遙感技術，基于Android操作系統和大疆SDK，自主研發了一款能在視距外飛行的可視化輔助系統——輸電線路無人機超視距巡視智能操控系統。該系統兼容廣、功能強、效率高、更智能、更穩定、更安全，能有效地解決無人機飛手由于地形條件限制無法及時準確判斷超視距的無人機飛行狀況而造成作業不安全、效率低下等問題。

輸電線路無人機超視距巡視智能操控系統具有航線自動規劃、一鍵起飛、自主作業、自動返航、斷點續飛、智能避障等功能，內置正射影像、傾斜攝影、樹障巡視、點云采集等多種智能業務化作業模式，無需人工干預，即可實現輸電線路無人機超視距智能化巡視，有效地減少了人工操作，降低了職業門檻，保證了飛行安全，減少了事故率。

利用輸電線路無人機超視距巡視智能操控系統的點云采集模塊，對中山市沙溪鎮110kV的輸電線路進行超視距測試應用。結果表明，利用系統采集得到的點云數據質量高、精度高、燥點少。此外，還對輸電線路無人機超視距巡視智能操控系統的其他功能和性能進行了全面測試，結果表明，系統具有啟動時間短，CPU、內存占用低，流量、電量耗用少，響應速度快，穩定性高，網絡性能優等特點，能夠安全高效的完成超視距的正射、傾斜、樹障數據采集任務。因此，本文研發的輸電線路無人機超視距巡視智能操控系統對于超視距的無人機輸電線路巡視作業具有良好的適用性。

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