基于無人機(jī)高精度激光雷達(dá)的輸電桿塔傾斜檢測技術(shù)研究

胡欽俊 孫 嬙 林火煅 楊 雪

（1.國網(wǎng)福建省電力有限公司漳州供電公司，福建 漳州 363000；2.國網(wǎng)福建省電力有限公司，福建 福州 350025；3.天津航天中為數(shù)據(jù)系統(tǒng)科技有限公司，天津 300462；4.天津市智能遙感信息處理技術(shù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300462）

1 總體路線

該文采用系統(tǒng)工程的方法，以輸電桿塔傾斜檢測精度為核心，針對增強(qiáng)承載平臺(tái)穩(wěn)定度、提升掃描裝置分辨率以及判讀傾斜檢測等關(guān)鍵問題展開研究。

首先，充分、完整地開展系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)，將系統(tǒng)指標(biāo)科學(xué)、合理地分解到各組成部分，并對設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行仿真驗(yàn)證、迭代優(yōu)化，以最高、最優(yōu)效費(fèi)比滿足系統(tǒng)的全部技術(shù)指標(biāo)要求。

其次，在該基礎(chǔ)上，將無人機(jī)多參量高精度位置補(bǔ)償技術(shù)研究、基于雙光激光源重復(fù)觀測的點(diǎn)云數(shù)據(jù)校正及超分辨率融合建模技術(shù)研究和基于激光點(diǎn)云的桿塔特征點(diǎn)自動(dòng)識別及傾斜參數(shù)自動(dòng)測量技術(shù)研究與應(yīng)用3 個(gè)關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)并行研究，能夠有效提升承載平臺(tái)的穩(wěn)定度、掃描裝置分辨率以及傾斜檢測的效果，并適時(shí)開展承載平臺(tái)與掃描裝置、掃描裝置與傾斜檢測算法之間軟硬件接口的設(shè)計(jì)。

再次，在上述方法研究、算法設(shè)計(jì)成果的基礎(chǔ)上進(jìn)行硬件研制與軟件開發(fā)，并分階段開展設(shè)備測試、系統(tǒng)聯(lián)試，盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷，解決實(shí)際工程問題，為示范應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

最后，進(jìn)行系統(tǒng)集成，形成一套基于無人機(jī)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的桿塔傾斜狀態(tài)智能監(jiān)測系統(tǒng)，并開展示范應(yīng)用。

2 基于機(jī)載激光雷達(dá)的輸電桿塔傾斜度測量方法總體設(shè)計(jì)

2.1 激光雷達(dá)三維測量原理

LiDAR 系統(tǒng)向物體發(fā)射大量激光點(diǎn)以獲取物體的表面三維數(shù)據(jù)[1]，通過測量發(fā)射光信號和接收光信號的相位差Δ?獲得往返信號的時(shí)間間隔，從而計(jì)算距離。根據(jù)物體表面到反射信號接收機(jī)的距離計(jì)算到目標(biāo)物體上每個(gè)點(diǎn)的空間三維坐標(biāo)值。激光雷達(dá)測量示意圖如圖1 所示。

圖1 三維激光雷達(dá)測量示意圖

2.2 桿塔傾斜度測量原理

電力桿塔的傾斜度定義公式為q=S/H，其中S為桿塔傾斜值，H為桿塔實(shí)際高度。在實(shí)際工程測量中，一般將桿塔等效為一個(gè)剛性整體，其傾斜度可抽象為頂層中（重）心與塔基層中（重）心的偏離值與桿塔高度的比值。利用激光雷達(dá)確定桿塔底部中心點(diǎn)O、頂部中心點(diǎn)O1和其投影點(diǎn)，則桿塔頂部中心點(diǎn)至其底部投影點(diǎn)的距離即為桿塔的實(shí)際高度H，投影點(diǎn)至桿塔底部中心點(diǎn)距離即為桿塔的傾斜值S，即可實(shí)現(xiàn)對電力桿塔傾斜度的測量，如圖2 所示。

圖2 基于三維激光雷達(dá)桿塔傾斜度測量示意圖

2.3 基于機(jī)載雷達(dá)的桿塔傾斜度測量系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)路線

總體設(shè)計(jì)路線如圖3 所示。

圖3 基于機(jī)載雷達(dá)的桿塔傾斜度測量系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)路線

2.3.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

與傳統(tǒng)基于人工或地面固定觀測設(shè)備的手段相比，基于無人機(jī)的測量系統(tǒng)受平臺(tái)穩(wěn)定性的影響更為嚴(yán)重；由于氣流會(huì)影響無人機(jī)平臺(tái)的飛行，因此，單憑機(jī)械防抖不足以抵消它的干擾[2]。該文將著重研究無人機(jī)平臺(tái)的飛行穩(wěn)定度這一關(guān)鍵技術(shù)。

與基于全站儀等方法相比，基于LiDAR 的測量系統(tǒng)更受限于其自身的分辨率以及由彗尾效應(yīng)和空中雜質(zhì)引入的噪聲。分辨率不足和噪聲點(diǎn)會(huì)直接降低后續(xù)生成模型的效果和對其進(jìn)行測量的精確度[3]。該文將通過雙光源激光雷達(dá)掃描和先進(jìn)的去噪算法解決該難題。

2.3.2 桿塔三維模型生成

LiDAR 系統(tǒng)采集的掃描數(shù)據(jù)是由成千上萬反射點(diǎn)構(gòu)成的點(diǎn)云。從點(diǎn)云數(shù)據(jù)恢復(fù)為電力桿塔的三維模型有一套確定的方法。然而，由于采用了雙光源掃描方法，因此，將一對相關(guān)的點(diǎn)云合成單個(gè)精度更高的點(diǎn)云數(shù)據(jù)是該技術(shù)的又一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。該文將關(guān)注如何實(shí)現(xiàn)超分辨率點(diǎn)云模型的融合。

2.3.3 模型傾斜度計(jì)算

得出的桿塔三維模型雖然可以通過計(jì)算S/H來實(shí)現(xiàn)，但是為了使該計(jì)算過程自動(dòng)化，需要實(shí)現(xiàn)三維生成模型和參考模型的自動(dòng)對比。該文將研究如何從三維模型中提取特征點(diǎn)，并求出關(guān)鍵的S、H參數(shù)，自動(dòng)地通過輸入的三維模型計(jì)算輸電桿塔的傾斜度。

3 基于機(jī)載激光雷達(dá)的輸電桿塔傾斜度測量方法仿真驗(yàn)證

該總設(shè)計(jì)可以通過仿真驗(yàn)證進(jìn)行理論驗(yàn)證，仿真驗(yàn)證可通過以下6 個(gè)步驟進(jìn)行。

3.1 采集、預(yù)處理?xiàng)U塔點(diǎn)云數(shù)據(jù)

通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)庫可以獲取具有代表性的仿真輸入文件。通過地面固定的激光雷達(dá)掃描也可以得到桿塔的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，其中還帶有相應(yīng)的真實(shí)噪聲點(diǎn)。PolyWorks 等點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件可以對這些輸入進(jìn)行去噪處理，得到基于點(diǎn)云的桿塔模型。

3.2 選取塔上較低的點(diǎn)

導(dǎo)入點(diǎn)云桿塔圖，在4 個(gè)角鋼中心選取1 個(gè)較低的點(diǎn)，該位置即為絕對水平面的基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)。

3.3 塔底的絕對水平面確定

點(diǎn)云坐標(biāo)為（X，Y，Z），將塔較低點(diǎn)的三維坐標(biāo)值（X1，Y1，Z1）和豎直方向的法向量（0，0，1）帶入如公式（1）所示的平面的點(diǎn)法式方程。

式中：（A，B，C）為平面法向量；（X1，Y1，Z1）為較低點(diǎn)的坐標(biāo)；（X，Y，Z）為絕對水平面中的點(diǎn)坐標(biāo)。

絕對水平面方程如公式（2）所示。

3.4 修正塔角較低點(diǎn)

創(chuàng)建的桿塔底部絕對水平面將會(huì)與其他3 個(gè)塔角的角鋼中心線有3 個(gè)交點(diǎn)，需要對3 個(gè)塔角的角鋼中心線進(jìn)行提取，以提高確定這3 個(gè)交點(diǎn)位置的精確度，可通過選取中心上不同高度的2 個(gè)位置（X2，Y2，Z2）和（X3，Y3，Z3）來確定中心線，絕對水平面與其他3 個(gè)角鋼中心線相交，3 個(gè)相交點(diǎn)的位置如公式（3）所示。

3.5 確定桿塔中心點(diǎn)及投影點(diǎn)

4 個(gè)塔角點(diǎn)相連的交點(diǎn)O為底部中心點(diǎn)，在點(diǎn)云桿塔圖中可獲取頂端結(jié)構(gòu)中心點(diǎn)O1，然后依據(jù)這2 個(gè)點(diǎn)確定桿塔點(diǎn)O1在水平面投影點(diǎn)。

3.6 計(jì)算塔傾斜值（S）

桿塔實(shí)際高度H為O1點(diǎn)至的長度，投影點(diǎn)至桿塔底部中心點(diǎn)距離為S（桿塔傾斜值），即為點(diǎn)O1到的距離，傾斜度為H/S。

仿真結(jié)果表明基于機(jī)載三維激光雷達(dá)不僅能正確地實(shí)現(xiàn)對桿塔傾斜的測量，而且測量精度與傳統(tǒng)全站儀測量法的精度相當(dāng)，可以滿足工程測量的需求；通過對目標(biāo)對象的三維虛擬重構(gòu)，機(jī)載三維激光雷達(dá)測量方法實(shí)現(xiàn)了測量結(jié)果可視化和數(shù)字化描述，便于存檔和追溯校核；因此該系統(tǒng)具有實(shí)際應(yīng)用的潛力。

4 基于機(jī)載激光雷達(dá)的輸電桿塔檢測系統(tǒng)研制

基于機(jī)載設(shè)備一體化設(shè)計(jì)研究電源集中分配管理技術(shù)、設(shè)備最優(yōu)安裝掛載技術(shù)，以解決傳統(tǒng)系統(tǒng)存在的供電不穩(wěn)定、無法對電源進(jìn)行有效監(jiān)控以及設(shè)備安裝導(dǎo)致系統(tǒng)作業(yè)能力降低等問題，通過充分、完整地對系統(tǒng)總體方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，將系統(tǒng)指標(biāo)科學(xué)、合理地分解到各組成部分，最終實(shí)現(xiàn)各設(shè)備在無人機(jī)平臺(tái)上的快速安裝。

無人機(jī)高精度激光雷達(dá)輸電桿塔傾斜檢測系統(tǒng)主要由無人機(jī)分系統(tǒng)平臺(tái)、任務(wù)載荷系統(tǒng)、數(shù)據(jù)鏈分系統(tǒng)及地面系統(tǒng)組成。

4.1 系統(tǒng)工作原理及流程

激光雷達(dá)是以向物體發(fā)射大量激光點(diǎn)來獲取物體表面三維數(shù)據(jù)的測量技術(shù)，具有掃描速度快、精度高以及全數(shù)字特征等優(yōu)點(diǎn)。借助無人機(jī)平臺(tái)搭載高精度多軸主動(dòng)穩(wěn)定云臺(tái)和雙激光源激光雷達(dá)裝置，距離測量模塊可計(jì)算每個(gè)激光脈沖從發(fā)射器端到目標(biāo)物體，再返回至發(fā)射器端口的時(shí)間數(shù)據(jù)，進(jìn)而計(jì)算目標(biāo)物體上每個(gè)點(diǎn)的空間姿態(tài)及位置坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對高精度線路桿塔點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集，然后通過三維重構(gòu)的目標(biāo)點(diǎn)云模型對物理尺寸進(jìn)行測量。

系統(tǒng)工作流程可概括為準(zhǔn)備階段、飛行階段和結(jié)束階段。無人機(jī)系統(tǒng)地面設(shè)備及機(jī)載設(shè)備加電通過自檢后，機(jī)體可通過地面站指令自主起飛。順利起飛后，利用飛控裝置可實(shí)現(xiàn)按照預(yù)先規(guī)劃的航跡進(jìn)行自動(dòng)飛行的目標(biāo)。在飛行過程中，雙激光源激光雷達(dá)裝置同步采集輸電線路點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)鏈將實(shí)際飛行狀態(tài)輸?shù)降孛嬲具M(jìn)行顯示，作業(yè)人員通過控制飛機(jī)和云臺(tái)姿態(tài)對興趣點(diǎn)進(jìn)行確認(rèn)，確認(rèn)之后通過地面站經(jīng)數(shù)據(jù)鏈控制雙激光源激光雷達(dá)裝置精細(xì)化地對興趣點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。無人機(jī)飛行即將結(jié)束時(shí)，機(jī)體可通過地面站指令自主降落。無人機(jī)降落后，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備斷電，飛行作業(yè)結(jié)束。最后，將飛行采集的數(shù)據(jù)傳輸給點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件，得到標(biāo)準(zhǔn)格式的點(diǎn)云數(shù)據(jù)文件，通過無人機(jī)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)桿塔傾斜狀態(tài)智能監(jiān)測軟件系統(tǒng)完成對桿塔的自動(dòng)識別以及對桿塔傾斜狀態(tài)的檢測。

4.2 電源集中分配管理技術(shù)

機(jī)載設(shè)備采用鋰電池進(jìn)行統(tǒng)一供電，各任務(wù)設(shè)備要求的輸入電源電壓和功率各不相同，采用電源集中分配管理的方法，將單一輸入電源分解成多路輸出，采用濾波、穩(wěn)壓等方法提高多路輸出電源的穩(wěn)定性，并通過電壓自動(dòng)感知實(shí)現(xiàn)對電源穩(wěn)定性的監(jiān)控，從而達(dá)到電源集中分配管理的目的。

4.3 設(shè)備最優(yōu)安裝掛載技術(shù)

考慮無人機(jī)平臺(tái)的掛載能力和各任務(wù)設(shè)備的結(jié)構(gòu)尺寸、重量，通過設(shè)備安裝布局和系統(tǒng)重心分布仿真設(shè)計(jì)設(shè)備安裝掛載方案，確定設(shè)備與無人機(jī)平臺(tái)之間的連接方式和結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)快速安裝掛架，在不影響無人機(jī)飛行性能的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)作業(yè)能力。

4.4 無人機(jī)多參量高精度位置補(bǔ)償技術(shù)

該技術(shù)以提高無人機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定度為主要目的，以平臺(tái)多參量精度補(bǔ)償為核心手段，重點(diǎn)針對無人機(jī)平臺(tái)的穩(wěn)定性開展研究。

首先，對姿態(tài)感知技術(shù)和誤差補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行研究：姿態(tài)集成通過多源數(shù)據(jù)融合降低單一陀螺數(shù)據(jù)姿態(tài)累積誤差對飛機(jī)姿態(tài)感知的影響，為無人機(jī)飛控提供可靠感知信息，用于獲取無人機(jī)的航姿信息；誤差補(bǔ)償技術(shù)基于三軸加速度、角速度數(shù)據(jù)的毫秒級響應(yīng)數(shù)據(jù)，采用多元數(shù)據(jù)融合技術(shù)，通過采集多源傳感器數(shù)據(jù)，經(jīng)過既定的優(yōu)先級排序傳感器讀數(shù)，除去讀數(shù)異常，選取最優(yōu)傳感器組合，通過融合信號比對單一陀螺數(shù)據(jù)姿態(tài)累積誤差，獲得無人機(jī)的飛行姿態(tài)誤差，實(shí)現(xiàn)姿態(tài)誤差的補(bǔ)償（橫滾角、俯仰角和航向角）。這2 項(xiàng)研究為無人機(jī)位置姿態(tài)糾偏提供了準(zhǔn)確依據(jù)，是后續(xù)2 項(xiàng)研究的測試輸入。

其次，在先期研究具有一定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)儲(chǔ)備的基礎(chǔ)上，對多軸主動(dòng)穩(wěn)定技術(shù)和協(xié)調(diào)最優(yōu)控制技術(shù)進(jìn)行研究。前者結(jié)合無人機(jī)的位置姿態(tài)和誤差信息，通過修正差異使無人機(jī)恢復(fù)到正確的航線和正確的姿態(tài)上；后者可以實(shí)現(xiàn)對外界微小擾動(dòng)的精確負(fù)向補(bǔ)償，使系統(tǒng)參數(shù)自動(dòng)達(dá)到最優(yōu)化狀態(tài)。最后，研制出一套毫米級精度的無人機(jī)飛行穩(wěn)定反饋控制平臺(tái)，并根據(jù)同級其他技術(shù)的進(jìn)度，掛載相應(yīng)的真實(shí)或模擬配重進(jìn)行外場試飛測試，為系統(tǒng)聯(lián)試與工程應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

5 結(jié)論

該文通過基于激光點(diǎn)云桿塔目標(biāo)自動(dòng)識別及結(jié)構(gòu)點(diǎn)位自動(dòng)提取技術(shù)，創(chuàng)新地提出了基于激光點(diǎn)云桿塔傾斜參數(shù)自動(dòng)測量技術(shù)的研究，實(shí)現(xiàn)基于無人機(jī)高精度激光雷達(dá)的輸電桿塔傾斜檢測，桿塔傾斜變形測量誤差小于1.5‰，同時(shí)給出了機(jī)載激光雷達(dá)的輸電桿塔檢測系統(tǒng)研制步驟和流程。該文的桿塔傾斜形變測量效果顯著，滿足電網(wǎng)對桿塔傾斜測量的標(biāo)準(zhǔn)要求，可在電網(wǎng)重點(diǎn)區(qū)域（地質(zhì)沉降區(qū)、采動(dòng)區(qū)、地下抽水區(qū)和地質(zhì)脆弱區(qū)等）中進(jìn)行應(yīng)用。