CN110308457A - 一种基于无人机的输电线路巡检系统 - Google Patents
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Abstract
本申请属于电力巡检技术领域，特别涉及一种基于无人机的输电线路巡检系统。其包括搭载装置、机载激光雷达和数据处理装置，所述机载激光雷达安装于搭载装置上，并与所述数据处理装置连接；所述机载激光雷达包括激光扫描仪和高清相机，所述激光扫描仪用于获取被测区域输电线路的激光点云数据，所述高清相机用于拍摄被测区域输电线路的高清影像数据；所述数据处理装置用于根据所述拍摄被测区域输电线路的激光点云数据和高清影像数据生成被测区域输电线路的三维立体图形，根据所述三维立体图形对被测区域输电线路进行巡检。本申请充分验证了无人旋翼机载小型激光雷达系统的在输电线路巡检中的可行性、先进性及高效性。
Description
技术领域
本申请属于电力巡检技术领域，特别涉及一种基于无人机的输电线路巡检系统。
背景技术
直升机搭载大型机载激光雷达进行电力巡检是目前电力巡检的常用方式，其采用激光雷达测绘获取电力线路走廊的激光点云及影像信息，通过激光点云即可精确量测线路的空间距离，从而对电力线路进行巡检分析。但直升机巡检方式存在成本高、空域申请周期长等问题。因此，有必要提供一种新的智能化、可视化电力巡检方式，以解决现有技术存在的上述问题。
发明内容
本申请提供了一种基于无人机的输电线路巡检系统，旨在至少在一定程度上解决现有技术中的上述技术问题之一。
为了解决上述问题，本申请提供了如下技术方案：
一种基于无人机的输电线路巡检系统，包括搭载装置、机载激光雷达和数据处理装置，所述机载激光雷达安装于搭载装置上，并与所述数据处理装置连接；
所述机载激光雷达包括激光扫描仪和高清相机，所述激光扫描仪用于获取被测区域输电线路的激光点云数据，所述高清相机用于拍摄被测区域输电线路的高清影像数据；
所述数据处理装置用于根据所述拍摄被测区域输电线路的激光点云数据和高清影像数据生成被测区域输电线路的三维立体图形，根据所述三维立体图形对被测区域输电线路进行巡检。
本申请实施例采取的技术方案还包括：所述搭载装置包括多旋翼无人飞行器及地面站系统，所述多旋翼无人飞行器包括飞行器主体，所述机载激光雷达安装于飞行器主体上，所述飞行器主体上还搭载有电源和飞行控制模块；所述地面站系统用于对多旋翼无人飞行器进行飞行控制。
本申请实施例采取的技术方案还包括：所述机载激光雷达还包括全球定位系统，所述全球定位系统用于获取激光扫描仪的瞬时空间坐标，得到激光扫描仪的GPS定位数据。
本申请实施例采取的技术方案还包括：所述机载激光雷达还包括惯性导航系统，所述惯性导航系统由光纤陀螺和微机械加速度计组成，用于获取飞行过程中的经纬度信息和瞬时姿态角信息，得到激光扫描仪的空间姿态角数据。
本申请实施例采取的技术方案还包括：所述机载激光雷达还包括控制及存储模块，所述控制及存储模块用于读取激光点云数据、GPS定位数据、空间姿态角数据、高清数字影像以及快门时间信息，并将读取数据传输至数据处理模块。
本申请实施例采取的技术方案还包括：所述激光扫描仪的飞行高度及飞行速度计算公式为：
在上述公式中，H为飞行高度，V为飞行速度，θ为瞬时扫描角度，F为激光重频，η为激光扫描仪的扫描效率，R为每秒扫描线速。
本申请实施例采取的技术方案还包括：所述数据处理装置还包括预处理模块，所述预处理模块用于接收控制及存储模块传输的激光点云数据、GPS定位数据、空间姿态角数据以及高清数字影像，并对接收数据进行预处理；所述预处理具体为：对激光点云数据大地定向，并计算高清数字影像的外方位元素。
本申请实施例采取的技术方案还包括：所述数据处理装置还包括后处理模块，所述后处理模块用于根据激光点云数据和空间姿态角数据形成具有坐标信息的三维点云信息，并对三维点云信息进行后处理，生成DEM模型，对DEM模型和具有快门时间信息的高清数字影像进行融合，生成DOM模型，基于DEM模型和DOM模型生成被测区域输电线路的三维立体图形；所述后处理具体为：经过点云去噪、应用迭代线性最小二乘内插、移动曲面拟合滤波算法进行精细点云分类，自动分离出精细的地面点及多类别点云数据；通过对精细的地面点构建不规则三角网格生成DEM模型，使用精细的地面点对高清数字影像单张正射纠正，通过镶嵌匀色生成DOM模型。
本申请实施例采取的技术方案还包括：所述数据处理装置还包括巡检模块，所述巡检模块用于通过净空巡检算法对被测区域输电线路的三维立体图形进行巡检，并输出被测区域输电线路的巡检报告。
本申请实施例采取的技术方案还包括：所述数据处理装置还包括显示模块，所述显示模块包括侧视界面、俯视界面及可自由旋转的主界面，用于显示被测区域输电线路的巡检报告。
相对于现有技术，本申请实施例产生的有益效果在于：本申请实施例的基于无人机的输电线路巡检系统通过应用无人机小型激光雷达系统在输电线路通道巡检试验，充分验证了无人旋翼机载小型激光雷达系统的在输电线路巡检中的可行性、先进性及高效性。通过将小型机载激光雷达系统搭载在无人机上能够快速灵活响应电力线路通道巡检工程需求，高效获取输电线路及走廊高精度三维激光点云和真彩色高清影像数据，且数据精度高，能进行多维度的立体巡检，采用全自动净空巡检算法进行的通道巡检技术快速对通道内危险点检测生成具有具体坐标位置危险点巡检报告，对故障和缺陷进行更加准确的判断与定性，提高电力线路通道巡检效率，为线路通道巡检提供了一种高效、智能化的巡检技术手段。
附图说明
图1是本申请实施例的基于无人机的输电线路巡检系统的结构示意图；
图2是地面点及多类别点云数据示意图；
图3是DEM模型示意图；
图4是DOM模型示意图；
图5为被测区域输电线路的巡检报告示意图；
图6为危险点位置显示示意图；
图7为显示模块304的窗口界面示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
请参阅图1，是本申请实施例的基于无人机的输电线路巡检系统的结构示意图。本申请实施例的基于无人机的输电线路巡检系统包括搭载装置100、机载激光雷达200(LiDAR，Light Detection And Ranging，激光探测与测量)和数据处理装置300，机载激光雷达200安装于搭载装置100上，并与数据处理装置300连接；通过搭载装置100带动机载激光雷达200以机载的方式拍摄被测区域输电线路的高清影像数据，获取被测区域输电线路的激光点云数据，并将高清影像数据和激光点云数据传输至数据处理装置300；数据处理装置300根据高清影像数据和激光点云数据生成被测区域输电线路的三维立体图形，并采用全自动净空巡检算法对三维立体图形进行危险点巡检后，得到被测区域输电线路的危险点巡检结果。
进一步地，搭载装置100为多旋翼无人机搭载平台，搭载装置100包括多旋翼无人飞行器101及地面站系统102。其中，多旋翼无人飞行器101包括飞行器主体(机体、起落架和旋翼)，机载激光雷达200安装于飞行器主体上，飞行器主体上还搭载有电源和飞行控制模块，电源为聚合物锂电池，为多旋翼无人飞行器101提供飞行动力；飞行控制模块由IMU(Inertial measurement unit，惯性测量单元)+GPS(Global Positioning System，全球定位系统)组成，用于保证多旋翼无人飞行器101自主完成稳定飞行、自主转弯及悬停动作。
地面站系统102包括遥控系统地面端、无线高清影像数据传输系统地面端、飞行监控单元、影像监控单元和输电线影像巡检分析单元等，为多旋翼无人飞行器101的指挥中心，用于对多旋翼无人飞行器101进行飞行过程、飞行航迹、有效载荷的任务功能、通讯链路的正常工作以及旋翼无人飞行器101的发射和回收等飞行控制。
随着复合材料技术、计算机技术、电子技术、空气动力学理论和控制技术的发展和完善，能源和环境保护等需求，多旋翼无人飞行器具有载重重量有所提升、供电为电池供电、巡航时间久、飞行速度慢等优势。经过对多旋翼无人飞行器多次假负载试验，得到多旋翼无人飞行器具备近距离采集数据、安全性高、巡航时间基本满足巡检作业需求的要求。因此本申请采用多旋翼无人飞行器作为小型激光雷达的飞行搭载平台进行巡检试验，多旋翼无人飞行器主要参数如下表1所示：
表1多旋翼无人飞行器主要参数
进一步地，机载激光雷达200包括激光扫描仪201、全球定位系统202、惯性导航系统203、高清相机204以及控制及存储模块205，用于获取被测区域输电线路的激光点云数据、机载GPS数据、地面基站GPS数据、惯性导航数据和高清影像数据，并将获取数据传输至数据处理装置300。
具体地，激光扫描仪201包括高重频激光器组件(激光器、驱动电源)、发射与接收光路(扩束、准直、聚焦)、扫描光机电组件(三棱镜、电机、电机驱动器及编码器)、光电接收与信号调理组件(发射端激光接收与光电转换、激光回光接收与光电转换及相应信号调理)、控制与数据采集存储组件(高精度时间间隔测量、嵌入式控制计算机)等，激光扫描仪201用于不断地发射激光雷达信号，测量出激光扫描仪中心到地面光斑的距离L，并记录旋转棱镜的瞬时扫描角度θ，获取被测区域输电线路的激光点云数据。
全球定位系统202用于实时获取激光扫描仪201的瞬时空间坐标(X,Y,Z)，得到激光扫描仪201的GPS定位数据。
惯性导航系统203由光纤陀螺(FOG)和微机械(MEMS)加速度计组成，用于采用SPAN技术(GPS+INS组合)的SPAN-CPT，获取飞行过程中的经纬度信息和R(Roll，侧滚角)、P(Pitch，俯仰角)、H(Heading，航向角)三个瞬时姿态角信息，得到激光扫描仪201的空间姿态角数据将激光扫描仪201的空间姿态角数据转换成3.3V的TTL信号，并将TTL信号按设定的时间周期发送至激光扫描仪201，同时，按设定的时间周期，记录每个时间点的TTL信号。
根据机载激光雷达的工作原理，根据激光扫描仪中心到地面光斑的距离L、旋转棱镜的瞬时扫描角度θ、瞬时空间坐标(X,Y,Z)以及空间姿态角数据可以确定WGS84坐标下的地面激光点的空间坐标，并通过差分GPS确定激光扫描仪201的位置坐标；假设各个误差相互独立，根据对定位坐标的定位误差进行整体效果分析并在分析中只取一次项后利用误差传播理论，可得激光扫描仪201的定位精度。
影响数据成果质量的机载激光雷达200的设置参数包括扫描转速、激光重频、影像拍摄时间间隔、飞行高度、飞行速度等。当飞行高度很低时，影响精度最大因素是全球定位系统202的GPS定位精度；在飞行高度变高时，影响精度的主要因素是惯性导航系统203的姿态精度。而根据点云密度规范要求，根据激光扫描仪201的扫描原理，通过点云密度即可反算出飞行高度及飞行速度。
根据理论计算得到激光扫描仪201的定位精度及点云密度如下表2和表3所示：
表2理论定位精度
表3点云密度
基于上述，飞行高度及飞行速度的计算公式为：
在公式(1)中，H为飞行高度；V为飞行速度，θ为瞬时扫描角度，F为激光重频，η是激光扫描仪的扫描效率，R为每秒扫描线速。
根据被测区域的面积架设GPS基站，至少架设2个GPS，一个用于与机载激光雷达200上的全球定位系统202进行差分解算，一个用于检校。若需要坐标转换则至少架设3个GPS基站，确保飞行采集数据的精度。
高清相机204用于获取被测区域输电线路的高清影像数据；高清影像数据的航向重叠率ζ一般为60％，旁向重叠率ξ为40％。设高清相机204在拍摄时航向像素为Mp，垂直航向像素为Np，一个像素的大小为P(相机镜头焦距为f)，飞行高度同激光扫描仪201的飞行高度一样为H，根据相似三角形，高清相机204触发拍摄的时间间隔T为：
根据以上计算，设定激光扫描仪201的飞行高度为100m-200m、飞行速度20km/h-30km/h，高清相机204拍摄的时间间隔T为3s，即每间隔3s进行一次高清影像拍摄。
控制及存储模块205包括控制计算机CPU、板卡、内置电子盘、外置电子盘，并设计各个参数一键设置功能、自动实时记录位置数据、姿态数据、扫描仪的测距测角数据和数码相机快门时间信号，用于实时读取激光扫描仪201获取的激光点云数据、全球定位系统202获取的GPS定位数据、惯性导航系统203获取的空间姿态角数据、高清相机204获取的高清数字影像以及相机快门时间信息，并将读取的数据实时传输至数据处理模块300。
本申请实施例中，为了使机载激光雷达200能够满足各种电力通道所涵盖的地形，特别是高植被、高落差区域的使用环境要求，除了惯性导航系统203和高清相机204以外，在考虑系统的保温散热性能、电磁兼容性、高抗电磁干扰性和高可靠性的同时，通过对安装架优化设计、电磁兼容优化设计，使激光扫描仪201、控制及存储模块205以及系统整体布局更加紧凑、轻便，机载激光雷达200的重量为7kg左右(含电池)，外形尺寸为350mm×240mm×200mm，具有重量轻、体积小、数据精度高、设备利用率高的特点。
本申请实施例中，数据处理装置300为PC、手机等终端设备，数据处理装置300包括预处理模块301、后处理模块302、巡检模块303和显示模块304。预处理模块301用于接收控制及存储模块205传输的激光点云数据、GPS定位数据、空间姿态角数据以及高清数字影像，对接收数据进行预处理；预处理具体为：对激光点云数据大地定向，并计算高清数字影像的外方位元素。
后处理模块302用于结合激光点云数据和空间姿态角数据形成具有坐标信息的三维点云信息，并对三维点云信息进行后处理，生成DEM(Digital Elevation Model，数字高程模型)模型；再对DEM模型和具有快门时间信息的高清数字影像进行融合，生成DOM(Digital Orthophoto Map，数字正射影像)模型，基于DEM模型和DOM模型生成被测区域输电线路的三维立体图形。其中，后处理具体为：在预处理的基础上经过点云去噪、应用迭代线性最小二乘内插、移动曲面拟合等滤波算法进行精细点云分类，自动分离出精细的地面点及多类别点云数据(图2)，多类别点云数据用于后期各电力设施精细建模。通过对精细的地面点构建不规则三角网格TIN即可快速生成DEM模型(图3)，去噪后的所有地物点即可快速生成DSM(Digital Surface Model，数字表面模型)模型。使用精细分类的地面点对高清数字影像单张正射纠正，通过镶嵌匀色即可生成高分辨率的DOM模型(图4)。
巡检模块303用于通过净空巡检算法对被测区域输电线路的三维立体图形进行巡检，并输出被测区域输电线路的巡检报告；其中，按照《DLT 741-2010架空输电线路运行规程》相关要求，本申请在对象分类的基础上，通过设计一种全自动的净空巡检算法对被测区域输电线路的三维立体图形进行危险点巡检，以确定输电线路与周围地物是否有过于接近的异常情况。该净空巡检算法具体为：导入数据-数据预处理-计算-分段-设置巡检距离-输出巡检报告。巡检报告包括危险类型、坐标位置、净空距离及塔杆区间等内容，具体如图5和图6所示，图5为被测区域输电线路的巡检报告示意图，图6为危险点位置显示示意图。
显示模块304用于显示被测区域输电线路的巡检报告；显示模块304包括三个窗口界面，分别为侧视界面、俯视界面及可自由旋转的主界面，具体如图7所示，为显示模块304的窗口界面示意图。
本申请实施例的基于无人机的输电线路巡检系统通过应用无人机小型激光雷达系统在输电线路通道巡检试验，充分验证了无人旋翼机载小型激光雷达系统的在输电线路巡检中的可行性、先进性及高效性。通过将小型机载激光雷达系统搭载在无人机上能够快速灵活响应电力线路通道巡检工程需求，高效获取输电线路及走廊高精度三维激光点云和真彩色高清影像数据，且数据精度高，能进行多维度的立体巡检，采用全自动净空巡检算法进行的通道巡检技术快速对通道内危险点检测生成具有具体坐标位置危险点巡检报告，对故障和缺陷进行更加准确的判断与定性，提高电力线路通道巡检效率，为线路通道巡检提供了一种高效、智能化的巡检技术手段。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种基于无人机的输电线路巡检系统，其特征在于，包括搭载装置、机载激光雷达和数据处理装置，所述机载激光雷达安装于搭载装置上，并与所述数据处理装置连接；
所述机载激光雷达包括激光扫描仪和高清相机，所述激光扫描仪用于获取被测区域输电线路的激光点云数据，所述高清相机用于拍摄被测区域输电线路的高清影像数据；
所述数据处理装置用于根据所述拍摄被测区域输电线路的激光点云数据和高清影像数据生成被测区域输电线路的三维立体图形，根据所述三维立体图形对被测区域输电线路进行巡检。
2.根据权利要求1所述的基于无人机的输电线路巡检系统，其特征在于，所述搭载装置包括多旋翼无人飞行器及地面站系统，所述多旋翼无人飞行器包括飞行器主体，所述机载激光雷达安装于飞行器主体上，所述飞行器主体上还搭载有电源和飞行控制模块；所述地面站系统用于对多旋翼无人飞行器进行飞行控制。
3.根据权利要求1所述的基于无人机的输电线路巡检系统，其特征在于，所述机载激光雷达还包括全球定位系统，所述全球定位系统用于获取激光扫描仪的瞬时空间坐标，得到激光扫描仪的GPS定位数据。
4.根据权利要求3所述的基于无人机的输电线路巡检系统，其特征在于，所述机载激光雷达还包括惯性导航系统，所述惯性导航系统由光纤陀螺和微机械加速度计组成，用于获取飞行过程中的经纬度信息和瞬时姿态角信息，得到激光扫描仪的空间姿态角数据。
5.根据权利要求4所述的基于无人机的输电线路巡检系统，其特征在于，所述机载激光雷达还包括控制及存储模块，所述控制及存储模块用于读取激光点云数据、GPS定位数据、空间姿态角数据、高清数字影像以及快门时间信息，并将读取数据传输至数据处理模块。
6.根据权利要求5所述的基于无人机的输电线路巡检系统，其特征在于，所述激光扫描仪的飞行高度及飞行速度计算公式为：
在上述公式中，H为飞行高度，V为飞行速度，θ为瞬时扫描角度，F为激光重频，η为激光扫描仪的扫描效率，R为每秒扫描线速。
7.根据权利要求5所述的基于无人机的输电线路巡检系统，其特征在于，所述数据处理装置还包括预处理模块，所述预处理模块用于接收控制及存储模块传输的激光点云数据、GPS定位数据、空间姿态角数据以及高清数字影像，并对接收数据进行预处理；所述预处理具体为：对激光点云数据大地定向，并计算高清数字影像的外方位元素。
8.根据权利要求7所述的基于无人机的输电线路巡检系统，其特征在于，所述数据处理装置还包括后处理模块，所述后处理模块用于根据激光点云数据和空间姿态角数据形成具有坐标信息的三维点云信息，并对三维点云信息进行后处理，生成DEM模型，对DEM模型和具有快门时间信息的高清数字影像进行融合，生成DOM模型，基于DEM模型和DOM模型生成被测区域输电线路的三维立体图形；所述后处理具体为：经过点云去噪、应用迭代线性最小二乘内插、移动曲面拟合滤波算法进行精细点云分类，自动分离出精细的地面点及多类别点云数据；通过对精细的地面点构建不规则三角网格生成DEM模型，使用精细的地面点对高清数字影像单张正射纠正，通过镶嵌匀色生成DOM模型。
9.根据权利要求8所述的基于无人机的输电线路巡检系统，其特征在于，所述数据处理装置还包括巡检模块，所述巡检模块用于通过净空巡检算法对被测区域输电线路的三维立体图形进行巡检，并输出被测区域输电线路的巡检报告。
10.根据权利要求9所述的基于无人机的输电线路巡检系统，其特征在于，所述数据处理装置还包括显示模块，所述显示模块包括侧视界面、俯视界面及可自由旋转的主界面，用于显示被测区域输电线路的巡检报告。
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