基于差分定位的输电线路多旋翼无人机智能巡检.pdf

基于差分定位的输电线路多旋翼无人机智能巡检曾懿辉1，何通1，郭圣1，熊勇良2，崔颖铷2，左剑3，罗昊41. 广东电网有限责任公司佛山供电局，广东 佛山 528000；2. 广州优飞信息科技有限公司，广东 广州 510000；3. 广东电网有限责任公司电力调度控制中心，广东 广州 510600；4. 长沙理工大学，湖南 长沙 410009摘 要针对目前人工操作无人机进行输电线路巡线自动化程度不高，人工操作无人机难以标准化、规范化，导致巡线时间偏长或多发坠机等问题，围绕南方电网公司提出的无人机无人操控自主巡线目标，制定了基于载波相位差分定位技术的输电线路多旋翼无人机智能巡检方法。该方法在载波相位差分高精度定位技术的支撑下，首先由人工操控无人机进行线路巡检，再根据记录的巡检航迹提取航拍控制轨迹点精确的经纬度、海拔高度和每一航拍点的摄像头俯仰角度等信息，制定该线路的自主巡检方案。进行自主巡航时沿设定的轨迹控制点按预设角度进行航拍，实现无人机巡航的流程化和标准化。现场测试效果表明，无人机利用所提方法可在强电磁场环境下快速准确地完成定点巡航任务，为实现规范化、标准化的无人机安全巡线作业奠定了基础。关键词输电线路巡检；多旋翼无人机；载波相位差分定位；自动化巡视；智能巡检；智能电网中图分类号 TM752.5；TP23 文献标志码 A DOI 10.11930/j.issn.1004-9649.2018091130 引言输电线路分布点多、面广，而且很多线路位于荒郊野外，地形复杂，需要定期巡视检修才能保障输电线路运行的安全。近年来，输电线路巡检工作量随着电网规模和电压等级的提高、长距离输电线路的快速扩张而猛增，传统人工巡检已难以满足输电线路巡检要求[1-2]。民用多旋翼无人机不受地形制约，不但可利用高精度航拍设备沿线拍摄线路图像，还可悬停在输电杆塔周边，从不同视角拍摄高精度图像和红外、紫外图像，实现精细化巡线，具有高效、可靠、安全和成本低等突出优点，可及时发现隐患、降低劳动强度和登塔风险，已快速发展成为输电线路巡检的重要方式[3-4]。在巡线航拍过程中，无人机拍摄位置和高度都要靠飞行控制人员的人工视觉判断，飞行控制严重依赖于飞行控制人员的个体飞行控制水平，存在人为操控难度大、航拍定位精度低的缺陷，明显降低巡检效率[5-7]。在推广应用无人机巡线的过程中，还暴露了大批量高水平无人机飞行控制员培训困难等问题。为提高输电线路巡检的智能化水平，需要实现无人机巡检的规范化和标准化。为此，广东电网公司制定了无人机智能巡检发展规划，要求到2025年实现无人操控的无人机自主巡检。本文结合佛山供电公司在无人机智能巡线中的实践，首先分析了自主巡线的整体方案，然后分析了基于控制点的无人机航迹规划与基于差分定位技术的无人机自动驾驶技术，最后介绍了实际线路自动巡查的试验结果，讨论了进一步改进的方向。1 多旋翼无人机智能巡检方案设计在传统无人机巡线过程中，需人为操控无人机近距离拍摄杆塔及线路的高精度图像。受地面操控人员视角差异影响，人为操控精确定位相当困难，不仅降低工作效率，而且可能因定位不良影响航拍和状态诊断的有效性[8-10]，亟待开展无人机自助巡检。实现无人机自主巡线，首先需要规划飞行航收稿日期2018−09−27； 修回日期2019−01−15。基金项目国家自然科学基金资助项目51777015；中国南方电网公司科技项目GDKJXM20162155。第 52 卷 第 7 期中国电力Vol. 52, No. 72019 年 7 月ELECTRIC POWER Jul. 201924线。航线由一系列航点组成，航线规划的本质是航点设计和巡检点的坐标设计。无人机飞行过程中，飞行控制文件以10 Hz的频率记录了GPS、机载惯性定位系统、驱动系统、电池系统，以及详细的飞行控制信息。无人机进行线路巡检后，不但可根据飞行控制文件记录信息绘制出巡线的准确航迹，还可结合高精度航拍照片的时刻信息和飞行控制记录，确定每一航拍点的准确位置信息和航拍时摄像头的设置信息。采用专业级的多旋翼无人机，可将航迹沿线及航拍位置设置为控制点，再利用无人机平台提供的应用程序编程接口（API）函数，控制无人机顺序遍历各控制点，并在航拍控制点按摄像头进行信息调整设置，实现高精度航拍[11-12]。无人机智能巡检方案流程示意如图1所示。根据图1所示流程，首先可由经验丰富、技能过硬的飞手人工操控进行无人机现场巡检拍摄；然后根据飞行控制文件解析航迹沿线位置、航拍点位置及航拍时云台角度与摄像头设置等信息。将所选航点平滑连线为飞行航线，再在航拍控制点调整云台角度和摄像头设置进行拍摄，即可复现人工操控巡线的自主巡线，实现输电杆塔精细化自动巡视。2 基于差分定位的自主驾驶技术2.1 RTK差分定位技术精确的空间定位是实现基于复现人工操控航拍巡线自主驾驶的重要基础。传统上，无人机自主巡航主要依靠GPS导航定位。受GPS卫星、信号传播过程中电离层干扰和接收设备噪声等因素影响，常用GPS定位的精度为米级，因此无法满足无人机自主巡线航拍的高精度要求。为消除误差、提高定位精度，差分GPS技术在地面设置GPS基准站，比较接收机解算的基准站位置与基准位置，获得当地GPS接收机的定位误差，并将该误差发送给无人机等流动GPS接收站，无人机即可根据误差值修正自身位置，实现高精度定位。定位误差的测量通常可通过位置差分、载波相位测量或伪距测量获得[13-14]。专业级无人机采用RTK （real-time kinematic）载波相位差分技术进行高精度定位。图2所示的无人机系统的地面基站和无人机上均设置有RTK模块，基于实时处理2个测量站载波相位观测量的差分方法，将基准站采集的载波相位发给用户接收机，实时提供测站点在指定坐标系中的三维定位结果，并利用差分校正误差，定位精度可达厘米级[15-16]。在高精度RTK差分定位技术支持下，无人机可根据预先规划航线，准确到达巡视目标位置拍摄高分辨率图像，为实现无人机全自动精细化巡视奠定了基础。2.2 无人机精细化自动巡视算法本文应用杆塔精细化自动巡视软件，结合多旋翼无人机输电线路杆塔精细化自动巡视算法，根据预先规划设计的飞行采集路径，人工操控飞行巡视，飞机控制程序自动记录人工操控巡视铁人工操控巡线人工操控巡线解析飞控文件，提取航迹沿线位置信息提取自主飞行与航拍控制点位置信息提取各航拍控制点摄像头设置信息自主巡线按时序控制无人机顺序遍历飞行航迹控制点至航拍控制点， 根据摄像头设置进行航拍图 1 无人机智能巡线方案流程Fig. 1 Flowchart of UAV intelligent transmissionline inspection智能操控卫星信号差分数据位置放样记录基站位置RTK基准站位置图 2 RTK差分定位技术原理Fig. 2 The principle of RTK differential positioning第 7 期 曾懿辉等基于差分定位的输电线路多旋翼无人机智能巡检25塔的起飞位置、铁塔部位的选定位置、拍摄角度等全过程信息[17-18]，并利用安全策略对路径进行优化处理，剔除无效飞行，形成杆塔精细化巡视空中自动飞行航线。软件系统架构如图3所示。自动驾驶控制算法是通过记录学习航点差分后的定位信息、相对航高、云台角度等属性，再调取学习航点信息构成学习点航线，以便作为自动巡视飞行的参考航线进行自动巡视。其中，自动巡视实现的流程如图4所示。2.3 基于电子围栏的安全策略进行输电线路无人机巡检作业时，为获得高清图像和视频，需要尽量靠近线路与杆塔拍摄[19-20]。受高压输电导线附近强电磁干扰和微地形下风速湍流影响，巡线无人机容易失控坠毁，有必要设置保障无人机本体安全的安全策略[21]。为保障无人机巡视过程中的本体安全，结合输电线路地理信息，构建了输电线路高风险电子围栏，如图5所示。首先根据输电杆塔的地理信息及高度、宽度和朝向等杆塔基础信息，确定了输电杆塔3 m以内为电子围栏；然后根据相邻杆塔的杆塔信息，以3 m为安全距离确定了输电跨越段的电子围栏范围。无人机控制系统根据自带的GPS定位信息判断进入电子围栏时，将在进行安全提示告警的同时，控制反向离开电子围栏安全区，以防止发生撞机、坠机事故。3 输电线路杆塔精细化自动巡视试验2017年年底开始在生产巡线中试用该技术进行输电线路精细巡检。为验证输电线路杆塔精细化自动巡视精度，实验采用大疆经纬M210 RTK多旋翼无人机对广东电网佛山供电局所管辖的差分数据云台角度相对航高航线生成多旋翼无人机智能巡检软件系统集成ArcObject Visual Studio专题地图库地图数据库属性数据库导线、杆塔、地形数据导线、杆塔信息图 3 系统结构Fig. 3 The system structure diagram飞行前准备导入学习航线，获取基础信息相对航高h3080飞行到测区范围下降到第一个学习航点开始自动巡视完成一基杆塔后垂直上升至下一基杆塔的飞行高度飞往下一基杆塔，自动巡视飞行高度H80飞行高度Hh返航否是图 4 自动巡视流程Fig. 4 The flowchart of automatic inspection航点1航点2航点3航点6航点7航点4航点5电子围栏区域图 5 电子围栏区域Fig. 5 Region of electronic fence中国电力第 52 卷26220 kV恒洲甲线路1317号杆塔进行多次学习模式与精细化自动巡视，全长约1.5 km。其中，M210 RTK搭载的相机云台为ZENMUSE X4S相机和ZENMUSE XT热红外成像相机。实验主要记录可见光与红外测温精细化巡视航线，根据记录的飞行航点信息分别进行无人机可见光与红外精细化自动巡检。对比学习航点与自动巡视航点的实时位置信息、机头方向、云台角度、无人机遥控信号、图传信号等基础参数，由此计算学习模式与自动巡视模式的精度差异。本次实验结合RTK差分定位技术和无人机杆塔精细化自动巡检算法，实现电力巡视高精度定位和高分辨率影像获取，图6为学习模式与自动巡检模式对比情况。根据多次测试结果，对学习模式飞行记录中的航点坐标与自动巡视实际飞行航点坐标进行误差计算，验证搭载RTK无人机输电线路自动巡检的定位精度。其中，图7为3次自动巡视的误差折线图。由于试验时地面RTK基准站架设位置靠近16号杆塔，由图7可见误差偏移随距基准站距离增大而增大，杆塔精细化自动巡检在1 km范围内误差不超过1 m。当无人机抵达预定航拍位置附近时，可由飞行控制人员进行人工操控航拍，降低对差分定位精度的要求，通过人机结合实现杆塔精细化自动巡检的要求。为提高巡检作业质量和最大化利用输电线路a 学习模式可见光照片 1 b 自动巡视模式可见光照片 1c 学习模式可见光照片 2 d 自动巡视模式红外照片 2 图 6 学习模式与自动巡检模式对比Fig. 6 Image comparison of the learning mode and the automatic inspection mode0.40.200.61.00.81.217号13号14号15号16号误差/m第一次自动巡线；第三次自动巡线第二次自动巡线；杆塔编号 图 7 3次自动巡视精度折线Fig. 7 The precision broken-lines of 3 automaticinspections第 7 期 曾懿辉等基于差分定位的输电线路多旋翼无人机智能巡检27多旋翼无人机智能巡检软件，对输电线路进行精细化自动巡检任务，需对拍摄时的容错预留空间进行判断，否则，精细化巡视由于误差线性递增的原因造成拍摄目标不在画幅范围内。为尽量避免此问题出现，本文利用无人机镜头垂直拍摄被摄物，并对照片进行分析，从而取得近似容错预留空间值，如图8所示。经过大量数据比对可得，当杆塔距离基站大于1 km，无人机距杆塔5 m并垂直拍摄目标时，若容错预留空间小于5 cm，则被摄目标有超出画幅范围的风险。4 结论本文对输电线路多旋翼无人机智能巡检关键技术的研究，阐述了RTK差分定位技术原理和多旋翼无人机杆塔精细化自动巡检算法，研究了面向电网巡检的无人机智能巡检解决方案，实现了多旋翼无人机输电线路杆塔精细化自动巡视。通过对大疆M210 RTK无人机进行杆塔精细化自动巡视在悬停拍摄时刻所获取差分后的坐标信息与自动巡视时实际航点的坐标信息进行实验分析，得出多旋翼无人机搭载RTK进行杆塔精细化自动巡检，能够在强电磁场环境下，安全、高效、准确地完成定点拍摄巡检任务。尽管离差分定位基站较远位置无人机定位精度大于0.5 m，但通过人机结合的方式，能较好地满足规范和加快无人机巡检过程的要求。但人工航拍时仍存在镜头对准问题，下一步将结合图像处理技术，通过图像边缘分析识别航拍目标对象，以进一步提高无人机巡线的自动化水平。参考文献吴立远, 毕建刚, 常文治, 等. 配网架空输电线路无人机综合巡检技术[J]. 中国电力, 2018, 511 97–101, 138.WU Liyuan, BI Jiangang, CHANG Wenzhi, et al. 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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中国电力第 52 卷30