基于點云的電力巡檢方法

【摘 要】 由于架空輸電線路需要工作人員進行巡檢，但是對于一些地勢不好的地區(qū)，人力巡檢就會有很大難度和危險性，因此利用無人機進行電力巡檢成為行業(yè)的主流。本文就提出了一種基于點云地圖，生成無人機巡檢路線，利用無人機進行電力巡檢的方法。

【關(guān)鍵詞】 無人機 電力巡檢

一.引言

電網(wǎng)是國家的能源血脈，電力的穩(wěn)定供應(yīng)是社會生產(chǎn)和人民生活的必要保障。我國架空輸電線路分布十分廣泛，其中有絕大部分處于郊區(qū)野外甚至自然環(huán)境較為惡劣的地方。這些架空輸電線路及桿塔都長期暴露在野外，極易損壞進而變成危險因素。通過預(yù)先生成巡檢路徑，利用飛行機器人自動巡檢，從而減少人力資源損耗，效率高，成為今后電力巡檢的主要方向。

通過激光傳感器掃描電塔，獲得離線點云地圖，之后對電塔點云進行點云處理，分層找到各個觀測點，最后生成路線信息。

二.巡檢路線生成

2.1校準(zhǔn)方向

導(dǎo)入一個電塔的點云模型， 由于不同的電塔，所處的位置不同，會有不同的朝向，塔身的方向不是正東正北，不利于求得觀測點，因此需要校準(zhǔn)塔身方向，使其處于地理坐標(biāo)得正方向。采用的方法是PCA算法，將電塔的方向擺正。PCA的主要思想是將n維特征映射到k維上，這k維是全新的正交特征也被稱為主成分，是在原有n維特征的基礎(chǔ)上重新構(gòu)造出來的k維特征。PCA的工作就是從原始的空間中順序地找一組相互正交的坐標(biāo)軸，其原理表達式為：

等式左邊z為低維矩陣，X等式右邊為高維矩陣，ω為兩者之間的映射關(guān)系。

對于電塔點云信息來說，有三個坐標(biāo)維度（x，y，z），高度坐標(biāo)不作考慮，只考慮x和y的坐標(biāo)方向。將整個點云投影到z=0的平面上，得到一個二維的點云，對該點云作PCA，會得到電塔橫桿的長方向和寬方向，接著使點云按照得到PCA矩陣進行旋轉(zhuǎn)，會得到正方向下的點云數(shù)據(jù)，其中x正方向為正東方向，對應(yīng)橫桿的長方向，y正方向為正北方向，對應(yīng)橫桿的寬方向。

2.2 濾波

電塔的數(shù)據(jù)中，或多或少會有電力線的數(shù)據(jù)，如果該數(shù)據(jù)過多，會影響到點位的準(zhǔn)確性，需要對數(shù)據(jù)做濾波，來濾除這些無用點，本文采用直通濾波法，設(shè)置好濾波閾值，保存閾值內(nèi)的數(shù)據(jù)，閾值的選擇方法通過計算獲得。

方向校準(zhǔn)后的點云，電力線數(shù)據(jù)在y坐標(biāo)系上，因此對y字段進行濾波，對點云底部的數(shù)據(jù)進行分析，求出y方向的最大值和最小值，將該值作為閾值，可以有效的消除無用電力線數(shù)據(jù)，而不影響電塔的結(jié)構(gòu)。

2.3 觀測點位置確定

對經(jīng)過校準(zhǔn)和濾波的點云數(shù)據(jù)，由絕緣子的位置信息可知，絕緣子掛點處于電塔側(cè)視圖的中線位置，利用畫格子的方法，進行觀測點的規(guī)劃。設(shè)置一個高度增長差值σ，從初始搜索高度h0開始，每次提高σ，并截取這一部分的點云數(shù)據(jù)向z=0平面做投影，進行畫格子。不同位置的格子會有不同的長度，最初的格子里只有類似正方形的點云，隨著高度的增加，該格子的尺寸會不斷變小，當(dāng)搜索到絕緣子位置時，格子寬度會顯著增加，增加程度會超過設(shè)定的閾值ε，而當(dāng)搜索到絕緣子上掛點位置后，格子的尺寸會持續(xù)變短，可依據(jù)這種幾何特征，找到絕緣子的上下掛點。當(dāng)搜索到最后一個格子，便是地線所在的格子，從這個格子就可以找到地線的觀測點。

依據(jù)上文提到的幾何特征，可以找到觀測位置處的格子，矩形格子短邊的中點就是待觀測的目標(biāo)，之后，我們只需要在這兩點的基礎(chǔ)上沿x正方向和反方向延申安全距離d就可以得到觀測點的坐標(biāo)信息，依此類推，便可以粗略得到整個電塔的觀測點。

本文提出的方法應(yīng)用在無人機上，在電塔一側(cè)觀測到最高點后，需要轉(zhuǎn)到電塔的另一側(cè)從高而下進行觀測，為了避免無人機碰撞到電塔，需要在最高點的基礎(chǔ)上抬高一定高度，作為中轉(zhuǎn)點。由此可以求得所有的規(guī)劃點，將所有規(guī)劃點按照順序排列之后，進行逆向的旋轉(zhuǎn)，得到規(guī)劃點原有的坐標(biāo)。

2.4 偏航角設(shè)置

得到了觀測點的位置，需要指定偏航角，以便能準(zhǔn)確地拍攝到掛點。將西側(cè)的觀測點指向東側(cè)的觀測點，形成一個向量，與正北方向向量（0，1，0）作點乘，從而求出夾角，之后根據(jù)無人機對偏航角的要求，求出對應(yīng)的偏航角。

當(dāng)有多個電塔需要巡檢時，不必重復(fù)啟動程序，可將單獨電塔按順序傳入，程序可根據(jù)傳入的順序自動規(guī)劃好巡檢路線。

三.實驗結(jié)果與分析

為了驗證這次提出的方法，采集了幾組電塔數(shù)據(jù)，進行規(guī)劃測試。首先PCA校準(zhǔn)方向，對于數(shù)據(jù)較好的電塔點云，第一次校準(zhǔn)便可以得到很好的結(jié)果。當(dāng)線過多時，則需要進行兩次方向校準(zhǔn)。

校準(zhǔn)方向做好以后，根據(jù)電塔的結(jié)構(gòu)特征來計算觀測點及其偏航角度。

四.結(jié)論

針對已有的點云地圖，本文提出的方法可以很好的生成巡檢路徑，各塔的觀測點準(zhǔn)確率可以達到80%，能夠完成無人機的電力巡檢任務(wù)。

【參考文獻】

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作者簡介：李梟宇（1995—），男，漢族，河北保定市人，學(xué)生，碩士，單位：華北電力大學(xué)控制與計算機工程學(xué)院，研究方向：點云處理電力巡檢。