基于差分定位的輸電線路多旋翼無人機智能巡檢.pdf

基于差分定位的輸電線路多旋翼無人機智能巡檢曾懿輝1，何通1，郭圣1，熊勇良2，崔穎銣2，左劍3，羅昊41. 廣東電網有限責任公司佛山供電局，廣東 佛山 528000；2. 廣州優飛信息科技有限公司，廣東 廣州 510000；3. 廣東電網有限責任公司電力調度控制中心，廣東 廣州 510600；4. 長沙理工大學，湖南 長沙 410009摘 要針對目前人工操作無人機進行輸電線路巡線自動化程度不高，人工操作無人機難以標準化、規范化，導致巡線時間偏長或多發墜機等問題，圍繞南方電網公司提出的無人機無人操控自主巡線目標，制定了基于載波相位差分定位技術的輸電線路多旋翼無人機智能巡檢方法。該方法在載波相位差分高精度定位技術的支撐下，首先由人工操控無人機進行線路巡檢，再根據記錄的巡檢航跡提取航拍控制軌跡點精確的經緯度、海拔高度和每一航拍點的攝像頭俯仰角度等信息，制定該線路的自主巡檢方案。進行自主巡航時沿設定的軌跡控制點按預設角度進行航拍，實現無人機巡航的流程化和標準化?，F場測試效果表明，無人機利用所提方法可在強電磁場環境下快速準確地完成定點巡航任務，為實現規范化、標準化的無人機安全巡線作業奠定了基礎。關鍵詞輸電線路巡檢；多旋翼無人機；載波相位差分定位；自動化巡視；智能巡檢；智能電網中圖分類號 TM752.5；TP23 文獻標志碼 A DOI 10.11930/j.issn.1004-9649.2018091130 引言輸電線路分布點多、面廣，而且很多線路位于荒郊野外，地形復雜，需要定期巡視檢修才能保障輸電線路運行的安全。近年來，輸電線路巡檢工作量隨著電網規模和電壓等級的提高、長距離輸電線路的快速擴張而猛增，傳統人工巡檢已難以滿足輸電線路巡檢要求[1-2]。民用多旋翼無人機不受地形制約，不但可利用高精度航拍設備沿線拍攝線路圖像，還可懸停在輸電桿塔周邊，從不同視角拍攝高精度圖像和紅外、紫外圖像，實現精細化巡線，具有高效、可靠、安全和成本低等突出優點，可及時發現隱患、降低勞動強度和登塔風險，已快速發展成為輸電線路巡檢的重要方式[3-4]。在巡線航拍過程中，無人機拍攝位置和高度都要靠飛行控制人員的人工視覺判斷，飛行控制嚴重依賴于飛行控制人員的個體飛行控制水平，存在人為操控難度大、航拍定位精度低的缺陷，明顯降低巡檢效率[5-7]。在推廣應用無人機巡線的過程中，還暴露了大批量高水平無人機飛行控制員培訓困難等問題。為提高輸電線路巡檢的智能化水平，需要實現無人機巡檢的規范化和標準化。為此，廣東電網公司制定了無人機智能巡檢發展規劃，要求到2025年實現無人操控的無人機自主巡檢。本文結合佛山供電公司在無人機智能巡線中的實踐，首先分析了自主巡線的整體方案，然后分析了基于控制點的無人機航跡規劃與基于差分定位技術的無人機自動駕駛技術，最后介紹了實際線路自動巡查的試驗結果，討論了進一步改進的方向。1 多旋翼無人機智能巡檢方案設計在傳統無人機巡線過程中，需人為操控無人機近距離拍攝桿塔及線路的高精度圖像。受地面操控人員視角差異影響，人為操控精確定位相當困難，不僅降低工作效率，而且可能因定位不良影響航拍和狀態診斷的有效性[8-10]，亟待開展無人機自助巡檢。實現無人機自主巡線，首先需要規劃飛行航收稿日期2018?09?27； 修回日期2019?01?15?；痦椖繃易匀豢茖W基金資助項目51777015；中國南方電網公司科技項目GDKJXM20162155。第 52 卷 第 7 期中國電力Vol. 52, No. 72019 年 7 月ELECTRIC POWER Jul. 201924線。航線由一系列航點組成，航線規劃的本質是航點設計和巡檢點的坐標設計。無人機飛行過程中，飛行控制文件以10 Hz的頻率記錄了GPS、機載慣性定位系統、驅動系統、電池系統，以及詳細的飛行控制信息。無人機進行線路巡檢后，不但可根據飛行控制文件記錄信息繪制出巡線的準確航跡，還可結合高精度航拍照片的時刻信息和飛行控制記錄，確定每一航拍點的準確位置信息和航拍時攝像頭的設置信息。采用專業級的多旋翼無人機，可將航跡沿線及航拍位置設置為控制點，再利用無人機平臺提供的應用程序編程接口（API）函數，控制無人機順序遍歷各控制點，并在航拍控制點按攝像頭進行信息調整設置，實現高精度航拍[11-12]。無人機智能巡檢方案流程示意如圖1所示。根據圖1所示流程，首先可由經驗豐富、技能過硬的飛手人工操控進行無人機現場巡檢拍攝；然后根據飛行控制文件解析航跡沿線位置、航拍點位置及航拍時云臺角度與攝像頭設置等信息。將所選航點平滑連線為飛行航線，再在航拍控制點調整云臺角度和攝像頭設置進行拍攝，即可復現人工操控巡線的自主巡線，實現輸電桿塔精細化自動巡視。2 基于差分定位的自主駕駛技術2.1 RTK差分定位技術精確的空間定位是實現基于復現人工操控航拍巡線自主駕駛的重要基礎。傳統上，無人機自主巡航主要依靠GPS導航定位。受GPS衛星、信號傳播過程中電離層干擾和接收設備噪聲等因素影響，常用GPS定位的精度為米級，因此無法滿足無人機自主巡線航拍的高精度要求。為消除誤差、提高定位精度，差分GPS技術在地面設置GPS基準站，比較接收機解算的基準站位置與基準位置，獲得當地GPS接收機的定位誤差，并將該誤差發送給無人機等流動GPS接收站，無人機即可根據誤差值修正自身位置，實現高精度定位。定位誤差的測量通?？赏ㄟ^位置差分、載波相位測量或偽距測量獲得[13-14]。專業級無人機采用RTK （real-time kinematic）載波相位差分技術進行高精度定位。圖2所示的無人機系統的地面基站和無人機上均設置有RTK模塊，基于實時處理2個測量站載波相位觀測量的差分方法，將基準站采集的載波相位發給用戶接收機，實時提供測站點在指定坐標系中的三維定位結果，并利用差分校正誤差，定位精度可達厘米級[15-16]。在高精度RTK差分定位技術支持下，無人機可根據預先規劃航線，準確到達巡視目標位置拍攝高分辨率圖像，為實現無人機全自動精細化巡視奠定了基礎。2.2 無人機精細化自動巡視算法本文應用桿塔精細化自動巡視軟件，結合多旋翼無人機輸電線路桿塔精細化自動巡視算法，根據預先規劃設計的飛行采集路徑，人工操控飛行巡視，飛機控制程序自動記錄人工操控巡視鐵人工操控巡線人工操控巡線解析飛控文件，提取航跡沿線位置信息提取自主飛行與航拍控制點位置信息提取各航拍控制點攝像頭設置信息自主巡線按時序控制無人機順序遍歷飛行航跡控制點至航拍控制點， 根據攝像頭設置進行航拍圖 1 無人機智能巡線方案流程Fig. 1 Flowchart of UAV intelligent transmissionline inspection智能操控衛星信號差分數據位置放樣記錄基站位置RTK基準站位置圖 2 RTK差分定位技術原理Fig. 2 The principle of RTK differential positioning第 7 期 曾懿輝等基于差分定位的輸電線路多旋翼無人機智能巡檢25塔的起飛位置、鐵塔部位的選定位置、拍攝角度等全過程信息[17-18]，并利用安全策略對路徑進行優化處理，剔除無效飛行，形成桿塔精細化巡視空中自動飛行航線。軟件系統架構如圖3所示。自動駕駛控制算法是通過記錄學習航點差分后的定位信息、相對航高、云臺角度等屬性，再調取學習航點信息構成學習點航線，以便作為自動巡視飛行的參考航線進行自動巡視。其中，自動巡視實現的流程如圖4所示。2.3 基于電子圍欄的安全策略進行輸電線路無人機巡檢作業時，為獲得高清圖像和視頻，需要盡量靠近線路與桿塔拍攝[19-20]。受高壓輸電導線附近強電磁干擾和微地形下風速湍流影響，巡線無人機容易失控墜毀，有必要設置保障無人機本體安全的安全策略[21]。為保障無人機巡視過程中的本體安全，結合輸電線路地理信息，構建了輸電線路高風險電子圍欄，如圖5所示。首先根據輸電桿塔的地理信息及高度、寬度和朝向等桿塔基礎信息，確定了輸電桿塔3 m以內為電子圍欄；然后根據相鄰桿塔的桿塔信息，以3 m為安全距離確定了輸電跨越段的電子圍欄范圍。無人機控制系統根據自帶的GPS定位信息判斷進入電子圍欄時，將在進行安全提示告警的同時，控制反向離開電子圍欄安全區，以防止發生撞機、墜機事故。3 輸電線路桿塔精細化自動巡視試驗2017年年底開始在生產巡線中試用該技術進行輸電線路精細巡檢。為驗證輸電線路桿塔精細化自動巡視精度，實驗采用大疆經緯M210 RTK多旋翼無人機對廣東電網佛山供電局所管轄的差分數據云臺角度相對航高航線生成多旋翼無人機智能巡檢軟件系統集成ArcObject Visual Studio專題地圖庫地圖數據庫屬性數據庫導線、桿塔、地形數據導線、桿塔信息圖 3 系統結構Fig. 3 The system structure diagram飛行前準備導入學習航線，獲取基礎信息相對航高h3080飛行到測區范圍下降到第一個學習航點開始自動巡視完成一基桿塔后垂直上升至下一基桿塔的飛行高度飛往下一基桿塔，自動巡視飛行高度H80飛行高度Hh返航否是圖 4 自動巡視流程Fig. 4 The flowchart of automatic inspection航點1航點2航點3航點6航點7航點4航點5電子圍欄區域圖 5 電子圍欄區域Fig. 5 Region of electronic fence中國電力第 52 卷26220 kV恒洲甲線路1317號桿塔進行多次學習模式與精細化自動巡視，全長約1.5 km。其中，M210 RTK搭載的相機云臺為ZENMUSE X4S相機和ZENMUSE XT熱紅外成像相機。實驗主要記錄可見光與紅外測溫精細化巡視航線，根據記錄的飛行航點信息分別進行無人機可見光與紅外精細化自動巡檢。對比學習航點與自動巡視航點的實時位置信息、機頭方向、云臺角度、無人機遙控信號、圖傳信號等基礎參數，由此計算學習模式與自動巡視模式的精度差異。本次實驗結合RTK差分定位技術和無人機桿塔精細化自動巡檢算法，實現電力巡視高精度定位和高分辨率影像獲取，圖6為學習模式與自動巡檢模式對比情況。根據多次測試結果，對學習模式飛行記錄中的航點坐標與自動巡視實際飛行航點坐標進行誤差計算，驗證搭載RTK無人機輸電線路自動巡檢的定位精度。其中，圖7為3次自動巡視的誤差折線圖。由于試驗時地面RTK基準站架設位置靠近16號桿塔，由圖7可見誤差偏移隨距基準站距離增大而增大，桿塔精細化自動巡檢在1 km范圍內誤差不超過1 m。當無人機抵達預定航拍位置附近時，可由飛行控制人員進行人工操控航拍，降低對差分定位精度的要求，通過人機結合實現桿塔精細化自動巡檢的要求。為提高巡檢作業質量和最大化利用輸電線路a 學習模式可見光照片 1 b 自動巡視模式可見光照片 1c 學習模式可見光照片 2 d 自動巡視模式紅外照片 2 圖 6 學習模式與自動巡檢模式對比Fig. 6 Image comparison of the learning mode and the automatic inspection mode0.40.200.61.00.81.217號13號14號15號16號誤差/m第一次自動巡線；第三次自動巡線第二次自動巡線；桿塔編號 圖 7 3次自動巡視精度折線Fig. 7 The precision broken-lines of 3 automaticinspections第 7 期 曾懿輝等基于差分定位的輸電線路多旋翼無人機智能巡檢27多旋翼無人機智能巡檢軟件，對輸電線路進行精細化自動巡檢任務，需對拍攝時的容錯預留空間進行判斷，否則，精細化巡視由于誤差線性遞增的原因造成拍攝目標不在畫幅范圍內。為盡量避免此問題出現，本文利用無人機鏡頭垂直拍攝被攝物，并對照片進行分析，從而取得近似容錯預留空間值，如圖8所示。經過大量數據比對可得，當桿塔距離基站大于1 km，無人機距桿塔5 m并垂直拍攝目標時，若容錯預留空間小于5 cm，則被攝目標有超出畫幅范圍的風險。4 結論本文對輸電線路多旋翼無人機智能巡檢關鍵技術的研究，闡述了RTK差分定位技術原理和多旋翼無人機桿塔精細化自動巡檢算法，研究了面向電網巡檢的無人機智能巡檢解決方案，實現了多旋翼無人機輸電線路桿塔精細化自動巡視。通過對大疆M210 RTK無人機進行桿塔精細化自動巡視在懸停拍攝時刻所獲取差分后的坐標信息與自動巡視時實際航點的坐標信息進行實驗分析，得出多旋翼無人機搭載RTK進行桿塔精細化自動巡檢，能夠在強電磁場環境下，安全、高效、準確地完成定點拍攝巡檢任務。盡管離差分定位基站較遠位置無人機定位精度大于0.5 m，但通過人機結合的方式，能較好地滿足規范和加快無人機巡檢過程的要求。但人工航拍時仍存在鏡頭對準問題，下一步將結合圖像處理技術，通過圖像邊緣分析識別航拍目標對象，以進一步提高無人機巡線的自動化水平。參考文獻吳立遠, 畢建剛, 常文治, 等. 配網架空輸電線路無人機綜合巡檢技術[J]. 中國電力, 2018, 511 97–101, 138.WU Liyuan, BI Jiangang, CHANG Wenzhi, et al. Research ofunmanned aerial vehicle comprehensive inspection for distributionnetwork overhead transmission lines[J]. Electric Power, 2018, 51197–101, 138.[1]林宇龍, 李冰, 王德宇, 等. 多旋翼無人機巡查系統在特高壓基建工程中的應用[J]. 中國電力, 2017, 5012 141–147.LIN Yulong, LI Bing, WANG Deyu, et al. Application of multi-rotorUAV patrol system in UHV power grid construction[J]. ElectricPower, 2017, 5012 141–147.[2]彭向陽, 劉正軍, 麥曉明, 等. 無人機電力線路安全巡檢系統及關鍵[3]6 cm6 cm2 cm 2.5 cm4 cm2 cm2 cm10 cm10 cm3 cm1.5 cm4.7 cm5.5 cma 學習-1c 自動巡視-1b 學習-2d 自動巡視-2 圖 8 容錯預留空間模擬Fig. 8 Simulation of fault-tolerant headspace中國電力第 52 卷28技術[J]. 遙感信息, 2015, 301 51–57.PENG Xiangyang, LIU Zhengjun, MAI Xiaoming, et al. Atransmission line inspection system based on remote sensing systemand its key technologies[J]. Remote Sensing Ination, 2015,301 51–57.王振華, 黃宵寧, 梁焜, 等. 基于四旋翼無人機的輸電線路巡檢系統研究[J]. 中國電力, 2012, 4510 59–62.WANG Zhenhua, HUANG Xiaoning, LIANG Kun, et al. Researchon transmission line inspection system based on four-rotor UAV[J].Electric Power, 2012, 4510 59–62.[4]彭向陽, 陳馳, 饒章權, 等. 基于無人機多傳感器數據采集的電力線路安全巡檢及智能診斷[J]. 高電壓技術, 2015, 411 159–166.PENG Xiangyang, CHEN Chi, RAO Zhangquan, et al. Power linesafety inspection and intelligent diagnosis based on multi-sensor dataacquisition of drone[J]. High Voltage Engineering, 2015, 411159–166.[5]BIRNBAUM Z, DOLGIKH A, SKORMIN V, et al. Unmanned aerialvehicle security using behavioral profiling[C]// 2015 InternationalConference on Unmanned Aircraft Systems. Jun. 9-12, 2015, Denver,CO, USA.[6]王彤, 戴偉, 張軍慶, 等. 某型無人機地面檢測系統中串行通信的研究與實現[J]. 計算機應用與軟件, 2008, 255 172–174.WANG Tong, DAI Wei, ZHANG Junqing, et al. Research andimplementation of serial communication in a type of UAV grounddetection system[J]. Computer Applications and Software, 2008,255 172–174.[7]GUPTA L, JAIN R, VASZKUN G. Survey of important issues inUAV communication networks[J]. IEEE Journals 2. Guangzhou Ufly Info Tech Co., Ltd.,Guangzhou 510000, China; 3. Power Dispatching and Control Center of Guangdong Power Grid Corporation,Guangzhou 510600, China; 4. Changsha University of Science and Technology, Changsha 410009, ChinaAbstract In view of the problems of the poor automation, low standardization, long patrol time and frequent crash accidents of themanual-controlled unmanned aerial vehicle UAV power line inspection, a multi-rotor UAV intelligent power line inspection is developed based on RTK positioning technology to realize automatic UAV power line inspection. Under the support ofRTK high precision positioning technology, the is firstly to carry out manual-controlled UAV power line inspection, and thenthe automatic power line inspection plan is developed according to the recorded patrol track to extract such ination as the precisemeridian, latitude, altitude and the camera pitch angle of each aerial shooting point. Aerial shooting is carried out at preset anglesalong the set trajectory control points for automatic patrol, and the flow process and standardization of UAV inspection are realized.The results of field testing show that the proposed can accomplish the task of the fixed-point patrol inspection quickly andaccurately under the environment of strong electromagnetic field, and it lays a foundation for standardized UAV power lineinspection.This work is supported by National Natural Science Foundation of China No.51777015 and Science and Technology Project ofChina Southern Power Grid Corporation No.GDKJXM20162155.Keywords transmission line inspection; multi-rotor UAV; RTK positioning; automatic inspection; intelligent inspection; intelligentgrid中國電力第 52 卷30