基于RTK定位技術(shù)的輸電線路緊線施工無人機實時弧垂測量系統(tǒng)研究及應(yīng)用

鐘 燃，孫忠慧，侯新文，葛 雄，雷 雨，肖海濤，楊景崳

（國網(wǎng)湖北超高壓公司荊門運維分部，湖北 荊州 448000）

0 引言

為了充分發(fā)揮架空輸電線路在電力資源調(diào)配以及區(qū)域傳輸方面的積極作用，充分滿足經(jīng)濟發(fā)展、社會生活各個環(huán)節(jié)對于電力資源的使用需求，現(xiàn)階段我國電力企業(yè)投入大量資源用于支持架空輸電線路建設(shè)活動。而輸電線路是一項基礎(chǔ)性工程，具有復(fù)雜性、系統(tǒng)性特點，尤其是緊線施工，如若處理不當(dāng)，勢必會影響供電穩(wěn)定性，良好的弧垂觀測和調(diào)整，是確保線路運行安全的關(guān)鍵［1-7］。

目前，架空輸電線路的施工過程中，弧垂觀測主要采用等長法、異長法和角度法等3 種人工觀測方式。其中等長法、異長法需要人工登塔檢測，風(fēng)險系數(shù)高、測量誤差大，而角度法只需在地面使用經(jīng)緯儀即可進行測量，具有安全、精確等特點，已逐漸成為行業(yè)主流的弧垂觀測方法。但角度法仍然需要依靠人工觀測，其測量的結(jié)果仍舊難免會受觀測人員的經(jīng)驗知識、操作技能、作業(yè)規(guī)范程度等人為因素的影響，存在一定的局限性［8-13］?；谝陨媳尘埃卷椖繉⑸疃热诤蠠o人機、激光雷達(dá)、高精度衛(wèi)星定位等前沿技術(shù)，研究一種基于RTK 定位的輸電線路緊線施工無人機實時弧垂測量系統(tǒng)，通過該“機器換人”的創(chuàng)新作業(yè)模式，提高弧垂測量的自動化和智能化程度，解決架空輸電線路弧垂自動測量的難題并實現(xiàn)提質(zhì)增效。

1 基于RTK定位的無人機實時弧垂測量系統(tǒng)簡介

基于RTK 定位的輸電線路緊線施工無人機實時弧垂測量系統(tǒng)，針對輸電線路緊線施工環(huán)節(jié)，研究通過無人機搭載激光雷達(dá)，自動探測、記錄相鄰兩基輸電線路桿塔的絕緣子掛點的高精度位置信息，根據(jù)探測到的定位信息，結(jié)合特定的公式，計算出設(shè)計弧垂垂點的高精度位置信息，而后人員操作無人機飛至垂點的位置并懸停，以此作為位置標(biāo)記，再通過絞磨機將導(dǎo)線收緊至無人機懸停的位置，最終完成輸電線路緊線施工的工序［14-17］。

2 基于RTK定位技術(shù)的輸電線路緊線施工無人機實時弧垂測量技術(shù)

2.1 無人機與絕緣子掛點自適應(yīng)距離智能調(diào)節(jié)技術(shù)研究

應(yīng)用PID控制算法對無人機的俯仰與偏航進行閉環(huán)控制，使無人機與目標(biāo)絕緣子掛點始終保持固定垂直距離以及水平距離。無人機搭載的激光雷達(dá)能夠?qū)η胺降恼系K物進行距離探測，并且強大的掃描分辨率能夠識別諸如導(dǎo)線等細(xì)微物體，使得無人機具備自主避障功能［18-21］。本研究對無人機垂直以及水平方向控制采用增量式PID 控制器，其設(shè)計增量式PID 算法的輸出量為：

式（1）中，e（k）、e（k-1）、e（k-2）分別為第k次、k-1 次和k-2次測量值與設(shè)定值之間的偏差值，Kp、Ti、Td分別為比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)，T為采樣周期，u（k）為控制器的輸出量。無人機與目標(biāo)絕緣子掛點之間水平距離與設(shè)定距離的偏差值e1以及無人機與目標(biāo)絕緣子掛點之間垂直距離與設(shè)定距離的偏移量e2后，將此兩個值分別輸入到增量式PID 控制器中，控制器根據(jù)計算結(jié)果輸出水平方向以及垂直方向的控制值從而控制無人機運動。

無人機左右側(cè)裝有FOV紅外避障，F(xiàn)OV紅外避障模塊通過紅外激光的一發(fā)一收以及長條發(fā)射能夠有效探測距離達(dá)7 m，感知范圍為水平方向70°、垂直方向20°的錐體區(qū)域內(nèi)的障礙物。無人機對目標(biāo)絕緣子掛點進行位置測量時，可以設(shè)定相應(yīng)的安全距離閾值。一旦無人機探測到四周的距離低于這個閾值，即無人機可以實現(xiàn)緊急停止，確保無人機設(shè)備的安全。

2.2 無人機搭載激光雷達(dá)自動探測導(dǎo)線技術(shù)研究

無人機飛行平臺沿著高壓線路搭載光學(xué)相機定點飛行至需要檢測區(qū)域，然后開始利用IMU 高精度角度傳感器進行角度掃描測量，結(jié)合二維激光雷達(dá)掃描到的距離數(shù)據(jù)，以及無人機搭載的空間定位系統(tǒng)進行采樣的空間位置數(shù)據(jù)，可以獲取該區(qū)域空間點云數(shù)據(jù)。通過基準(zhǔn)站上的GPS 接收機和數(shù)據(jù)發(fā)送電臺，實時確定無人機的飛行位置，最終利用無人機飛行姿態(tài)參數(shù)的修正實現(xiàn)高精度位置測量任務(wù)。同時，記錄交叉跨越式的上下兩個點云集數(shù)據(jù)記錄在內(nèi)存空間中，規(guī)劃設(shè)計無人機飛行平臺的飛行路線，對待檢區(qū)域進行分塊，而后對每塊區(qū)域采集到的空間位置數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和分析［22-24］。

架空輸電線路導(dǎo)線空間位置點云數(shù)據(jù)擬合分析技術(shù)原理如下：

在空間中以所述無人機起飛點參考點O，取一直角標(biāo)架[O，e1，e2，e3]；無人機相對參考點O 的位置為P(x'，y'，z')；P'(x'，y'，0)為點P(x'，y'，z')在xoy平面的投影；兩座高壓線塔之間的電線為黑色粗直線L1、L2（為了作圖簡潔，此處以直線代替曲線）如圖1 所示；M1(x1，y1，z1)，M2(x2，y2，z2)是高壓電線L1、L2 上的點相對于參考點O的直角坐標(biāo)信息；顯然有M1PM2平面平行于xoy平面。以P為參考點建立的極坐標(biāo)系下，M1(ρ1，θ1)、M2(ρ2，θ2)是如圖2所示目標(biāo)高壓電線L1、L2上的點M1、M2相對于參考點P的極坐標(biāo)信息。

圖1 模擬高壓電網(wǎng)空間圖Fig.1 Space diagram of simulated high voltage power grid

圖2 以無人機為參考點的極坐標(biāo)系圖Fig.2 Polar coordinate system with UAV as reference point

通過無人機空間定位技術(shù)以及IMU角度檢測技術(shù)可以獲得P(x'，y'，z')的高精度數(shù)據(jù)；激光雷達(dá)提供目標(biāo) 高 壓 電 線L1、L2 上 點M1、M2的 極 坐 標(biāo) 數(shù) 據(jù)M1(ρ1，θ1)、M2(ρ2，θ2)，所以目標(biāo)高壓電線L1、L2 上點M1、M2的直角坐標(biāo)數(shù)據(jù)可以通過如下方式計算得出

式（2）～式（4）中，i=1，2。

從而根據(jù)高壓導(dǎo)線空間點云數(shù)據(jù)，模擬高壓電網(wǎng)空間。要模擬架空高壓線L1 和L2 凈空距離曲線，需要通過距離公式展開進一步計算：

由觀測數(shù)據(jù)，擬合結(jié)果freal(t)近似一元二次函數(shù)。

因為系統(tǒng)誤差、偶然誤差不可能完全消除，所以這里用最小二乘法對距離曲線做進一步優(yōu)化：

求解上面方程組式（6）、式（7）可得凈空距離擬合函數(shù)f(t)的準(zhǔn)確表達(dá)式，進而可以在二維平面上做出凈空距離擬合函數(shù)圖像。

2.3 無人機架空輸電線路導(dǎo)線弧垂檢測技術(shù)研究

無人機搭載激光雷達(dá)飛行至相鄰兩座輸電線路桿塔的絕緣子掛點附近位置，通過高精度位置測量技術(shù)對絕緣子掛點進行位置測量，分別獲取到兩個絕緣子掛點的高精度位置數(shù)據(jù)，無人機再自動將位置數(shù)據(jù)發(fā)回至地面站，然后由地面站應(yīng)用中基于特定公式編寫的算法對位置數(shù)據(jù)進行計算處理，從而獲得導(dǎo)線的弧垂垂點位置數(shù)據(jù)，而后操作無人機飛至垂點位置并懸停，最后將導(dǎo)線收緊至無人機懸停的位置［27-30］。

在圖3所示的現(xiàn)場測量示意圖中，A為導(dǎo)線起點；B 為導(dǎo)線終點；C 為導(dǎo)線中任意一點。無人機飛行的RTK，經(jīng)過處理得到一條擬合后的曲線，由此可知導(dǎo)線所有點空間信息，則可知A、B、C 3 點的度分別為H1、H2、H3 和AC、BC 兩點的距離為d1、d2，根據(jù)以A 點坐標(biāo)的0 高度為坐標(biāo)原點，則A、B、C 3 點的坐標(biāo)分別表示為（0，H1）、（d1，H2）和（d2，H3）。將3點的坐標(biāo)擬合成一條一元二次的曲線ax2+bx+c= 0 和AB 連線的一元一次方程kx+c= 0，則可分別求出a、b、c、k的值。已知方程的表達(dá)式，則弧垂距離F的表達(dá)式為：

圖3 現(xiàn)場測量示意圖Fig.3 Schematic diagram of field measurement

圖4 輸電線路弧垂示意圖Fig.4 Sag diagram of transmission line

3 結(jié)語

本文針對輸電線路緊線施工中使用弧垂觀測3種人工觀測方式的局限，通過RTK 定位，利用無人機開展實時弧垂測量，推動架空輸電線路施工技術(shù)向高精度、自動化、智能化方向發(fā)展。基于RTK 定位的無人機實時弧垂測量集合了3 項技術(shù)，包括無人機與絕緣子掛點自適應(yīng)距離智能調(diào)節(jié)技術(shù)、無人機搭載激光雷達(dá)自動探測導(dǎo)線技術(shù)和無人機架空輸電線路導(dǎo)線弧垂檢測技術(shù)，融合了無人機、激光雷達(dá)、高精度衛(wèi)星定位等前沿技術(shù)，可以替代傳統(tǒng)的人工觀測方法，有利于速度更快、效率更高、成本更低、操作更易、精度更高地開展架空輸電線路的施工。