基于載波相位差分定位的輸電線路無人機自主巡檢研究及應用

程亮亮

摘要：目前，輸電線路無人機巡檢以人工操作為主，自動化程度不高，難以實現(xiàn)標準化、規(guī)范化，使得無人機巡線時間偏長，甚至會發(fā)生墜機、炸機等問題。載波相位差分定位技術(shù)（RTK）可為無人機提供航向信息，使無人機獲得高精度的二維信息，有助于實現(xiàn)無人機自主巡檢。鑒于此，提出了一種基于RTK差分定位的輸電線路無人機自主巡檢方法。首先由人工操控無人機進行線路巡檢，再根據(jù)記錄的巡檢航跡提取航拍軌跡點精確的經(jīng)緯度、海拔高度和每一航拍點的攝像頭俯仰角度等信息，進行無人機航線規(guī)劃，最終據(jù)此設定的軌跡控制點按預設角度進行航拍，實現(xiàn)無人機巡檢的流程化和標準化作業(yè)。現(xiàn)場試驗結(jié)果表明，該方法可以在強電磁場環(huán)境下快速準確地完成定點巡航任務。

關(guān)鍵詞：載波相位差分定位;輸電線路;無人機;自主巡檢

0 ? ?引言

近幾年，作為新興的巡檢工具，無人機已憑借其機動靈活、成本低、環(huán)境要求低、便于攜帶和運輸、可帶電作業(yè)、不受地形限制等諸多優(yōu)勢，在輸電線路的日常巡檢與精細化巡檢作業(yè)中得到了廣泛應用。國網(wǎng)公司于2015年在公司范圍內(nèi)開始全面推廣小型多旋翼無人機和固定翼無人機巡檢;南方電網(wǎng)公司于2015年成立機巡中心，重點發(fā)展電力無人機應用能力，發(fā)布標準體系，開展核心技術(shù)攻關(guān)工作[1]。我國輸電線路巡檢由此逐漸形成了“機巡為主、人巡為輔”的運維管理新模式，也推動了輸電線路無人機作業(yè)安全管控、缺陷智能識別等關(guān)鍵技術(shù)的研究和應用。

但隨著這些技術(shù)的應用，人工操控要求高、空間定位精度不高、智能化程度低等問題逐漸顯現(xiàn)了出來，再加上輸電線路所在地域、地貌及各種自然因素的影響，對運維人員的飛行操控技能要求也越來越高，無人機巡檢開始面臨運維人員不敢飛、不愿飛等問題。基于此，以載波相位差分定位技術(shù)（RTK）為支撐，首先由人工操控無人機開展線路飛巡，然后利用無人機記錄的航線軌跡將航拍軌跡點精確的經(jīng)緯度、海拔高度和攝像頭俯仰角度等信息提取出來，進行無人機航線規(guī)劃，即可據(jù)此進行無人機自主巡檢，實現(xiàn)無人機巡檢的規(guī)范化和標準化作業(yè)。

1 ? ?無人機自主巡檢原理

傳統(tǒng)的無人機巡檢，由人工操控無人機對桿塔及線路各部件進行近距離高清拍攝。但因地面無人機操控人員的視角不同，無法進行精確定位，工作效率較低，且會因定位精度影響無人機巡檢圖像和線路設備檢測的有效性[2-3]。

輸電線路無人機自主巡檢，首先需要規(guī)劃出相應的飛行航線。無人機航線由一系列航點構(gòu)成，航線規(guī)劃的實質(zhì)就是航點設計及巡檢點坐標設計。無人機飛巡時，無人機控制系統(tǒng)會記錄GPS、驅(qū)動系統(tǒng)和飛控信息。利用飛控信息可重新構(gòu)建無人機巡檢的航線軌跡，且能利用航拍時記錄的時間和控制系統(tǒng)相關(guān)記錄，確定各航拍點的高精度位置信息及攝像頭的參數(shù)設置。然后，將無人機航跡和航拍點設置為控制點，同時根據(jù)無人機平臺的編程接口（API）函數(shù)，對各控制點按順序進行設置，并在航拍點對攝像頭進行參數(shù)調(diào)整和設置，最終就能進行無人機高精度飛巡和航拍[4]，實現(xiàn)無人機自主精細化巡檢。

無人機自主巡檢的流程如圖1所示[5]。

2 ? ?基于差分定位的無人機自主巡檢

基于復現(xiàn)人工操控的無人機自主巡檢關(guān)鍵技術(shù)在于精確的空間定位。傳統(tǒng)的無人機巡檢主要基于GPS導航定位，但因需要計算三維位置及偏差，在使用過程中至少需要4顆衛(wèi)星。其優(yōu)勢是：觀測時間短、提供三維坐標、操作簡便、全天候工作、功能多、成本低。但該技術(shù)也存在弊端，它可能因為各種原因產(chǎn)生定位誤差。例如，衛(wèi)星星載時鐘和接收機上的時鐘并不能始終保持同步，這就會造成時間上的偏差信號;如果在傳播過程中受到大氣層和各種障礙物的反射，信號傳播路徑就可能變長，造成測距誤差等。這類定位誤差較大，精度一般在米級，甚至有時會超過10 m，因此難以進行高精度定位的無人機自主巡檢。

差分GPS技術(shù)利用地面設置的GPS基準站，對比分析接收機解算的基準站位置和基準位置，可得到當?shù)谿PS接收機定位誤差，將該定位誤差發(fā)送至流動的GPS接收站，無人機即可利用該誤差對自身位置進行實時修正，以獲得高精度定位。獲取定位誤差的方法包括位置差分法、載波相位測量法和偽距測量法[6]。

RTK是Real-time kinematic的縮寫，即實時動態(tài)，又稱載波相位差分技術(shù)，這是一種新的常用的GPS測量方法，它能夠?qū)PS系統(tǒng)的定位誤差縮減到厘米級。

2.1 ? ?RTK差分定位技術(shù)

RTK差分定位技術(shù)的原理和偽距差分技術(shù)的原理相同。用戶站通過基準站的數(shù)據(jù)鏈同步實時獲取載波觀測量和站坐標信息，根據(jù)其接收的GPS衛(wèi)星載波相位和基準站載波相位可獲得相位差分觀測值，然后進行實時處理，就能得到實時的厘米級高精度定位結(jié)果。載波相位差分GPS方法一般分為兩種：差分法及修正法。修正法與偽距差分原理相同，用戶站通過基準站獲得載波相位修正量，修正自身載波相位，并進行坐標求解。差分法則是將基準站獲得的載波相位發(fā)送給用戶站進行求差，獲得解算坐標。修正法可稱為準RTK技術(shù)，差分法才是真正的RTK技術(shù)。

但當無人機飛行至變電站、鐵礦等干擾性較強的區(qū)域時，即使是采用RTK定位，強磁場干擾仍會導致無人機電子羅盤無法準確判斷航向，使無人機懸停位置偏移。針對該情況，則可將無人機RTK定位技術(shù)與雙天線測向技術(shù)相結(jié)合。原有的無人機RTK定位采用一根天線，智能獲取基準站和流動站的位置關(guān)系，不能準確提供流動站的航向信息。雙天線測向技術(shù)則是在原來的基礎上再增添一根天線，流動站分別接收解算兩路信號，并將其中一路天線的數(shù)據(jù)作為基準，向另一路天線發(fā)送解算修正信息，實現(xiàn)天線2與天線1的相對精準定位，獲取兩根天線的相對矢量。經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，基于該矢量，無人機可獲取高精度的位置和航向信息。目前，大疆（DJI）創(chuàng)新提出的D-RTK高精度導航定位技術(shù)就是采用的該技術(shù)[7]。