插件式無人機精確測量樹障裝置的研制

張鵬飛

（廣東電網有限責任公司江門供電局，廣東江門 529000）

0 引言

隨著城市化進程的加快和輸電線路線電壓等級的提升，在物體與導線安全距離不足時會高壓電擊穿空氣，出現隔空放電的情況，對輸電線路的日常運維以及周邊居民群眾的人身安全造成嚴重影響。

在此背景下，研制插件式無人機精確測量樹障裝置，研究將測量裝置搭載到常規作業無人機上，預防因線路下方凈空距離不足而發生的跳閘事故，為不同區域防樹障特巡周期的科學制定提供依據，也為輸電線路青賠工作提供具體的樹障距離依據。

1 運行原理

研制一套插件式無人機精確測距裝置，通過在常規的作業無人機上搭載激光測距模塊，準確測量導線跳線弧垂的對地水平和垂直距離。

1.1 測量轉角較大的耐張塔導線跳線弧垂

對于轉角耐張塔橫擔嘴和導線跳線弧垂不在同一垂直面，無人機可以在通過水平和垂直向下兩個方向的距離測量實現導線跳線弧垂對橫擔嘴（對地）凈空距離的準確測量，圖1 中黑色方塊是搭載了插件式精確測距裝置的無人機（下文簡稱為“無人機”），調整無人機攝像頭橫向0°對準橫擔嘴，使水平方向的測距激光對準橫擔嘴，調整無人機攝像頭橫向90°向下對準導線跳線弧，使垂直方向的測距激光對準導線跳線弧垂正上方。調整好無人機位置后，使用水平方向測距測出無人機距離橫擔嘴的距離d，使用垂直方向測距測出無人機距離導線跳線弧垂的距離h，運用勾股定理計算此導線跳線弧垂對地距離為

圖1 轉角較大的耐張塔

1.2 測量轉角較小的耐張塔導線跳線弧垂

對于轉角較小的耐張塔，由于橫擔嘴與導線跳線弧垂的水平距離特別小，小于無人機能夠貼近橫擔嘴的最小距離，此時需要通過水平、垂直距離差來測量計算（圖2）。首先調整無人機攝像頭橫向0°對準橫擔嘴，使水平方向的測距激光對準橫擔嘴，測量無人機對地面的垂直距離h1和無人機水平方向對橫擔嘴的垂直距離d1。然后降低無人機飛行高度，調整攝像頭橫向0°對準導線跳線弧垂，使水平方向的測距激光對準導線跳線弧垂，測量無人機對地面的垂直距離h2和無人機水平方向對導線跳線弧垂的垂直距離d2，運用勾股定理計算導線跳線弧垂對地距離為

圖2 耐張塔導線跳線弧垂測量原理

1.3 測量導線跳線弧垂對塔身的距離

對于測量導線跳線弧垂對塔身的工況，需要測量導線跳線弧垂距離同垂直平面點塔身的距離（圖3）。控制無人機飛到導線跳線弧垂和塔身之間，調整無人機攝像頭橫向0°對準導線跳線弧垂，使水平方向的測距激光對準導線跳線弧垂，測量無人機對導線跳線弧垂的垂直距離d1；控制無人機旋轉180°，使無人機正對塔身，測量無人機對與導線跳線弧垂同垂直平面點塔身的垂直距離d2，導線跳線弧垂距離同垂直平面點塔身的距離為d1+d2。

圖3 線跳線弧垂對塔身的距離測量原理

2 插件式無人機測量裝置的研制

2.1 無人機插件固定夾具

插件式無人機測量裝置以感光元件為核心，將該插件式傳感器搭載在無人機上。以3D 打印技術為支撐，設計插件式傳感器無人機插件固定夾具，使前、后光路不受無人機本體的遮擋，且能夠穩固地固定于無人機機身上。插件式無人機測量裝置以大疆精靈4 型無人機的機身為基礎展開設計，在無人機機身的正前方及兩側安裝夾具與傳感器模塊，最大程度地減少對無人機飛行姿態的影響。

2.2 測距傳感器

測距傳感器所能測量的距離上限受基線、相機焦距和視差的影響，與基線和焦距成正比，與視差成反比，要設計一臺測距上限高的雙目測距儀，需要選擇焦距較長、分辨率較高的相機，并設置較長的基線。

2.3 機載發射機

機載發射機負責讀取各個傳感器的測量數據，并將數據遠程發送到手持式接收機。發射機采用高性能處理器，通過標準接口與傳感器進行通信，并通過數據傳輸技術將傳感器的測量數據通過數傳模塊發送到手持式接收機。

2.4 手持式接收機

手持式接收機負責接收發射機傳輸的傳感器數據信息，并在顯示屏上顯示出來。接收機由無線數傳模塊、電池電源模塊、顯示器模塊組成。

3 實驗驗證

為驗證插件式無人機測量裝置的可靠性、穩定性、數據傳輸準確性，以及對于多種場景的適應能力。本文對插件式無人機測試裝置進行了應用場景適應性、測量準確率等指標的測試，測量方法為：首先進行水平方向的測距，控制無人機飛到樹木的正上方，向輸電線路投射激光測距，測量沿線樹木距離線路導線的水平距離。然后進行垂直方向的測距，控制無人機飛到線路同一高度的位置，向下方樹木投射激光測距，測量沿線樹木距離線路導線的垂直距離。通過兩個方向的距離測量實現輸電線路對地或對線底樹障、外破點凈空距離的準確測量，降低工作難度，提高距離測量的準確性。

模擬某220 kV 線路的重點樹障隱患區段，分別布置3 處測試點，通過兩個方向的距離測量實現輸電線路對地或對線底樹障、外破點凈空距離的準確測量。針對不同測試點的測試數據見表1，可以看出計算高度均略高于測量值，同時隨著高度的增加誤差會隨之增大，但最達相對誤差不超過3%，證明測量整體在可允許范圍內，驗證了本裝置可以準確測量導線跳線弧垂對樹木的距離。

表1 測量高度與誤差

測試數據說明，插件式無人機精確測量樹障裝置可以應用于實際的輸電線路運維中。一方面激光測距裝置可以減少常規作業無人機在防樹障特巡飛行中的炸機風險，另一方面也可以準確地測量出樹障對線路的水平和垂直距離。通過在多塔型、多場景的應用驗證，進一步驗證了本裝置的可行性和可靠性。

4 結束語

通過現場實際應用，驗證了本文設計的插件式無人機測量裝置具備低功耗、無線傳輸、精確測量等關鍵能力，能準確地測量輸電線路弧垂對地或對線底物體的凈空距離，降低防樹障特巡中無人機測量樹障對線路的水平和垂直距離的飛行難度，和弧垂對地距離的測量難度，實現無人機激光測距，可以準確測量出樹障對線路的水平和垂直距離。