基于無人機激光雷達航空遙感的電網三維信息數據采集系統

曾仕倫 汪曉帆 陳亮 朱禮鵬 李建兵

(國網四川省電力公司眉山供電公司,四川眉山 620010)

0 引言

該數據采集系統能夠有效的適用于變電站周邊環境的變化,具有低成本、高集成化的特點,通過對激光雷達硬件進行微型化的設計,使得相關的采集人員可以方便的解決在數據采集過程中所面臨的一系列問題。對無人機激光雷達遙感的電網三維信息數據采集進行系統化后,可以大大的提高了變電站設備的工作效率,加強了相關人員的巡檢效率,與此同時,變電站的運行成本也會得以下降。

1 無人機載激光雷達技術適用于現代測量的需求

對傳感器集成技術進行研究的過程中,主要考慮傳感器的構建設計和傳感器本身的加工水平,只有使用標準的方法和可靠的運行接口才能夠有效地提供無人機的荷載能力和在不同空間下的使用情況。對系統硬件進行小型化設計,要實現以下幾個目標:

首先要穩定平臺,在平臺上搭載可以運行多種任務的傳感器,讓載體運動得以有效地進行并且不受干擾,最終實現穩定和指向的有效運轉。對平臺進行高溫度性的技術性研究,可以保證在進行運作時多傳感技術接受到的數據不受到平臺擾動的影響[1]。

由于高精度的工作水平,對系統有著精確的要求,面對現有的相關技術和產品,無人機巡線的工作水平需要提高,這樣就可以滿足慣導的工作水平,此外,在起到加強進度,滿足體積和重量的同時,還將系統的定位精度提高到原來的數倍之上。

對于無人機來說,其平臺部分主要包括的是機載設備和探測的傳感器。為了讓無人機到預定的位置進行工作,將故障進行定位,系統必須進行POS定位系統的安裝。工作人員在定位后,可以對地面物體進行三維成像的建模。在建模的同時,需要加入到激光掃描儀和熱紅外線成像儀的設備。熱紅外成像儀的出現,可以有效的對溫度進行異常檢測。數學光學照相機的加入也是非常有必要的,它的存在可以將電力設備和地面目標進行識別,并且成像。此外,為了對視頻信息進行連續的獲取,需要運用攝像機對無人機的工作狀態進行實時的監控,只有這樣才能保證相關監測人員在第一時間內獲取準確的數據結果,其中無人機的空間信息采集的系統,最重要的部分便是無線傳輸系統[2]。無線傳輸系統的存在,可以使得地面控制人員能夠在短時間內獲得相關準確的信息,對多種傳感器所獲取的電力狀況做出準確而迅速的反應。由于山區地形狀況比較復雜,并且難以大范圍覆蓋,必須應用浮空器載作為中轉站進行多平臺的連接。

2 無人機載激光雷達集成方案技術流程

為了滿足以上功能,需要進行多種傳感器的相互配合,這樣就構成了多傳感器集成。多傳感器集成是通過數個通訊接口來組合實現目標的。該組合的存在可以將地面設備所傳來的信息來發,發送給各個系統,并將各傳感器所收集來的數據進行采集,并對無人機系統進行接口控制。這種組合主要有接口部分分系統通信部分以及數據采集部分在內的多個部分組成[3]。由于無人機自身平臺進度比較大,在刮風和下雨天氣時,容易受到影響,為了保證無人機對地面可以進行準確的測量,需要加入伺服穩定系統。該系統的存在,可以隔離無人機平臺在振動時對于光學照相機和激光掃描儀的影響,此外,在加載入該系統以后,無人機具有調整功能,可以對左右兩側的情況進行觀測。對平臺進行穩定,可以最大限度的加強飛機在空中的觀察角度,保證飛機在飛行時具有高效的作業能力[4]。

由于穩定平臺具有多種多樣的結構,目前主要有四軸穩定平臺、雙軸穩定平臺和三軸穩定平臺在內的三種旋轉軸穩定平臺。對于四軸穩定平臺來說,它主要通過兩種組合方式進行組合,第一種組合方式便是將一個單一軸平臺加入到三軸穩定平臺的內框架上,通過三軸穩定平臺的穩定系統,使得整體不受到震動的影響,這樣可以保證框架的準確精度。傳感器可以安裝到單軸調整裝置上,在這種情況下,傳感器可以進行單軸的掃描調整。對于三軸平臺內的高精度型測量設備和順時慣性信息的獲取,使用者可以調整單軸裝置的調整參數,計算出傳感器的瞬時姿態信息。第二種方法便是采用兩個雙軸穩定平臺,在使用過程中,使他的穩定系統內框架不受到震動的影響,即不管外界如何搖晃,內框架始終保持著平衡的位置。由于四周穩定,平臺結構較復雜,并且加工精度較一般穩定平臺較高,這就使得四種電瓶臺在造價上多出其他穩定平臺的數倍布置,但是新型的測量裝備可以不依靠平臺的穩定性,對傳感器的自帶信息進行直接測量。所以在穩定平臺的選取上,一般直接選用三軸穩定平臺和導航系統的組合。這樣可以實現傳感器的順序穩定和姿態信息的準確測量。由于現代計算機技術的不斷進步。慣性測量技術的出現,使得相關的工作人員已經不鐘愛于專有的穩定平臺,而是直接采用三軸穩定平臺和具有掃描功能的傳感器,進行高精度信息的獲取。和四軸穩定平臺相比,兩周穩定平臺在功能上具有可靠,簡單的特點,并且成本更加低廉。這使得雙軸穩定平臺可以更好地適用于小型傳感器,與此同時,在一定程度上,大型傳感器也可以應用雙軸穩定平臺。但是在穩定程度上,雙軸穩定平臺對于波束穩定不能夠實。

3 多傳感器時間同步技術實施

通過對姿態測量單元,對測量載機的速度和位置相關信息的獲取時。實時準確能夠及時地為這些圖像提供相關的補償數據。同時在傳感器上為平臺的實施勞動提供相關數據。通過POS對未知自帶數據系統進行控制,最終將數據輸入到數據形成器當中,使用者可以將這些數據作為輔助數據來與原始圖像進行合作,最終形成圖像的定位。

由于時間對準是多平臺,并且同步的定位。因此,在進行數據對準時,必須時刻做到時間統一的原則,這表明在對準時間時每個平臺的實踐零點必須一致,而且收發信號的時間也必一致。在進行數據的時間配標時,一定要將多傳感器進行有效的融合。多種類型傳感器在對于同一時間的不同信息收集時,接受時間和接受速度都有所不同,因此,使用者必須將各自傳感器的數值進行外推,或者進行到同一時刻,只有這樣可以進行進一步的處理,對于目標進度和目標速度的追求,可以追求到毫秒或者秒級別即可。在這種情況下,大部分人都采用的是數據擬合法和數值差值法[5]。

對于時間配種虛擬融合法和內插外推法是兩種非常有效的基本方法。由于兩者所適應的情況有所不同,虛擬融合法通可以適用于起始時間相同,但是運轉周期相差整數倍的情況來進行,它通過對數據的多次測量將降低同步的數據進行統一。而內插外推法針對的是不同傳感器,時刻不同步的問題,它通過內插外推,將傳感器推送到同一時刻進行。虛擬融合法將多個測量數據使用最小二乘法進行,虛擬的數據測量,極大的減小了測量數據的壓縮。且在各傳感器之間,只有數據率的差別。并且屬于融合算法的精度是取決于高數據傳感器的測量數據,融合時間的長短,也影響著虛擬融合法的測量精度,也就是說,測量數據越大,測量精度越高,花費的時間越短,測量精度也會越高。

4 激光雷達數據采集系統硬件實施

激光雷達的數據采集系統適用于對電力線路進行研究以及電力線路走廊的數據采集系統。這種采集系統成本低,集成化高,并且朝著微型化等方面進行發展。在近些年來的發展過程中,傳感器小型化已經成為相關的研究熱點。對數據進行智能化采集以及進行精準化定位,以及成為相關領域的研究前列。在此過程當中,要針對脈沖式激光測距模塊進行系統性開發,可以通過衛星定位系統提供實時的衛星數據,將獲取的激光雷達采集數據進行同步信息集合。最后根據控制模塊(如圖1)提供的控制信號記錄相關的坐標數據。對于激光測距系統以及相關的控制平臺,開發平臺要提供相關的控制模塊,將原始的時鐘信號轉變為多角度的控制信號,將誤差規范在毫秒之內[6]。

圖1 綜合控制模塊Fig.1 Integrated control module

數據儲存模塊實時采集慣性導航模塊、激光測距模塊結果數據與GPS/IMU外觸發信號數據,將結果時間同步之后的多傳感器數據寫入數據儲存模塊中的SD 卡內,也可通過網線將數據寫入上位機,再將外觸發信號同步數據寫入SD卡,系統同步精度為1ms以內。

5 無人機載激光雷達數據快速處理與三維數據生成實施方案

對于無人機遙感高性能的集群處理,主要包括三個部分,高速儲存的系統網絡以及相關的服務和用戶的操作環境。高速的儲存系統可以提供海量的數據管理方案,用戶可以使用普通的臺式機進行高速信息局域網的建立,在對相關文件進行分布式,可以提供遙感數據的儲存和遙感數據的查詢。通過多個計算節點的處理,將計算庫中的任務分配到不同節點,進行多線程的處理后形成最終的處理結果。在操作環境上面,用戶可以使用網絡環境和圖形界面系統對數據進行采集。

此外,由于時間同步技術在一定程度上很難滿足高度的精確性,所以所有的設備必須采用GPS功能。在對設備的選取上,外國借口的黑匣子是最好的選為了對幾何圖樣進行糾正,可以對無人機的圖像進行鑲嵌處理,這就要求相關人員要在兩張圖像上面根據幾何優先的策略進行拼接線的選定,然后利用多條拼接線構成一張拼接網,最終在這張網上面沿著拼接縫進行羽化處理。最后,為了保證準確性,還要進行優化處理。在處理地面點云數據的時候,要充分考慮光學在內的多種因素的影響。

6 結語

無人激光雷達的出現,可以在一定程度上代替工人在變電站進行巡檢。在巡查精確方面,本系統可以精確到cm級別,完全可以滿足各種需求。而且在成本方面,本系統與國外的相關系統比較,更加便宜,具有較大的經濟效益。