咸勇昶
航天神舟飞行器有限公司 天津 300450
摘要：目前，已有的研究多采用多旋翼无人机搭载LiDAR系统进行电网线路巡检作业，作业时间短，完成一项任务，需要多次飞行，作业效率较低。而使用固定翼无人机搭载LiDAR系统作业，则会极大地弥补了多旋翼无人机续航时间短这一不足；另外，无人机采用仿地飞行技术，可以使无人机相对地面的高度基本保持不变，确保点云数据的密度和精度的一致性。本文将介绍采用仿地飞行的垂起固定翼无人机LiDAR技术在输电线路安全巡检中的具体应用。
关键词：垂起固定翼无人机；激光雷达；电力巡检；应用
1无人机电力巡检的优势
（1）降低巡检难度。无人机加入后无需电力工人攀爬杆塔设备，防止了人身安全事故的发生。对于高压杆塔以及输电线路的巡检可在无人机上搭载云台照相机完成，并通过数传电台将图像实时传送到地面站，还可对特殊部位进行高清拍照。对于高压杆塔上的某些易产生高温故障设备，在无人机上搭载红外热成像仪便可轻松检查是否正常。还可通过搭载其他不同的设备完成更多的特殊任务，例如搭载超声波传感器测距、搭载喷火器清除输电线上的异物等等。（2）提高巡检效率。无人机的引入是对一线巡检工人的解放，而这种解放使得巡检的工作效率得到了很大的提升。极端的地形条件只对无人机的起飞降落产生有限的影响，不对巡检过程造成任何影响，而且对于野外动辄数公里的高压输电线路，无需人工翻山越岭做巡检，无人机只需要沿着输电线飞行即完成可对整条输电线的巡检，这极大的提高了巡检效率。（3）降低了人力成本。无人机巡检广泛推广后，电网公司就无需安排大量巡检工人，而只要一支无人机巡检队即可完成整个巡检任务。各地区的电网公司只需根据实际情况安排多架无人机即可高质量、高效率的完成整个地区的巡检工作，很大程度上降低了人力成本。综上所述，工业级无人机的广泛应用可以给电力巡检行业带来诸多便利和优势，可以更好的保障电网的安全，从而使得社会经济得以平稳快速的发展。
2垂起固定翼无人机激光雷达的电力巡检应用
2.1固定翼无人机
顾名思义，其机翼形状固定不可改变，发动机提供动力来源，升力则来自于空气与机翼的相互作用力。它的优点主要得益于机身结构带来的飞行阻力小，因此它具有更长的续航里程，并且适合远距离飞行，其有效载荷大、飞行效率高；而缺点则在于固定翼无人机的起飞降落需要地势平坦的跑道助跑，需要达到一定升力后才能起飞，无法垂直起降，这对于起降的场地要求很高，另外，由于无法在空中悬停，这就使得它不能完成某些特殊任务。以下是目前一些先进的飞控产品：（1）Piccolo系列飞控。美国Cloud Cap Technology公司旗下的Piccolo SL、Piccolo II、Piccolo Nano等飞控系统也适用于小型固定翼无人机。其配置了齐全的机载软硬件、地面站软硬件、开发环境以及模拟仿真环境。（2）开源飞控APM、PIXHAWK。目前常见的开源飞控有APM以及PX4/Pixhawk飞控系统，APM飞控开发流程完善度高，固件成熟，但处理器相对落后，传感器分散，集成度不高。PX4/Pixhawk原生固件代码结构清晰，利于开发，逐渐成为开发人员首选的开源飞控。（3）Panda2飞控系统。飞宇公司开发的Panda2飞控系统为航测无人机研制，采用惯性捷联姿态计算与卡尔曼数字滤波融合算法。姿态角控制精准，稳定可靠，使用简单，配合RTK差分系统，可实现厘米级定位精度。（4）大疆A3飞控大疆推出的A3系列飞控使用精确的控制算法，搭配精准的导航系统，采用两个惯性测量单元，防止因数据丢失导致控制器失灵。
2.2机载激光雷达扫描系统
机载LiDAR利用向目标发射激光束并接收回波信号，用于获得目标的有关信息，它是一种集激光、全球定位系统（GPS）、惯性导航系统（INS）于一身的系统，具有分辨率高、抗干扰能力强、低空探测性能好等特点。CW-30LiDAR系统是一款自主研发的机载LiDAR系统，航高在200m以下时，点云的平均密度可以达到每平米24个点以上、精度优于5cm。该系统的激光雷达扫描仪采用激光雷达扫描仪制造商RIEGL的测绘等级高精度轻量型激光扫描仪VUX-1LR，具备多重目标探测功能，测量精度高，反射记录精准。其数据采集系统采用NovAtel高性能多星多频双天线板卡，支持GPS、北斗、GLONASS、Galileo系统，数据质量高且稳定，双天线版本可进一步提升姿态精度。另外，JoLiDAR预处理软件是为CW-30LiDAR量身定制的一体化数据采集与预处理软件，可实现无人机作业的自动化采集与监控、远程配置、数据采集、数据解算、数据显示、数据分析与处理、无基准站功能、大测区数据采集功能、点云生成、真彩点云生成、自动精度评估、坐标转换与动态后处理（PPK）等，其最大特点是可在任何WindowsPC／笔记本电脑上运行，输出内容具有可兼容性。本文所用的无人机为纵横大鹏的CW-30垂起固定翼无人机，同时搭载CW-30LiDAR系统，探究垂起固定翼无人机在电网线路运维巡检中的应用，如图1所示。
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2.3试验与分析
2.3.1飞行数据采集
垂起固定翼无人机具有续航时间长，需要较小的起飞场地等优点。综合考虑巡检输电线路走廊特征、特殊巡视时效性要求、总体载荷系统、作业可持续性、系统整体精度、安全性、操作便捷性等因素，本试验选用大鹏CW-30垂起固定翼无人机作为飞行平台。利用该无人机搭载CW-30LiDAR系统对某电力公司500kV线路进行飞行数据的采集。
2.3.2设备本体及通道环境要素识别和分类
将采集的三维激光雷达点云数据分类为设备本体（导线、地线、引流线、绝缘串等）、通道环境（地面、植被、建筑物、低等级电力线、公路等）等类别。并进一步提取上述地物的经纬度、高度、轮廓、朝向、倾斜度等几何信息，用以对比灾前灾后同一类物体的变化程度。
2.3.3灾前隐患点分析
根据线路风偏舞动的力学模型，结合无人机激光雷达扫描采集到的导线、地线及引流线挂点位置和绝缘子位置，模拟出不同风力等级和风向作用下各类线（导线、地线、引流线）的瞬时状态。将模拟线的空间位置与铁塔、地面、植被、交跨物等进行最小距离检索。另外，标记出距离不满足规程要求或自定义要求的区域，记录为风偏络隐患点。
2.3.4自主飞行导航规划及灾后勘测
依据灾前缺陷排查阶段所采集的激光点云数据，提取飞行走廊及无人机起降点周围的最高点坐标，对无人机飞行轨迹进行规划，并将规划航迹导入至无人机飞控系统中，实现无人机的自主飞行。
2.3.5多时相三维点云配准及语义性变化对比
对于不同时相飞行的三维点云数据可能由于激光雷达吊舱的定位、定姿单元系统误差而出现坐标偏差问题，可应用迭代最近点配准算法将不同时期的点云归化到统一坐标系统之内。将不同时相点云分别进行点云分类与特征提取，形成按照时间排列的导线、金具、杆塔等特征的点云子集并在KD-树形空间索引框架下对每一类点云进行水平位置、高度、弧垂、朝向等信息的变化计算。对比灾前灾后经过点云分类后不同物体的变化情况，可实现受灾路段进行评估。
3结束语
目前，电网线路安全巡检主要以“人工巡检为主，机巡作业为辅”的作业模式，作业人员安全威胁较大，作业成本较高、效率低，无法满足电力行业智能化巡检的需求。本文通过垂起固定翼无人机载激光雷达在电力架空输电线路作业中的应用研究，对于获得的激光点云数据，进行后期数据处理，建立三维模型和危险点检测，达到了预期的自动化、高效率、高精度的巡检效果，为垂起固定翼无人机载激光雷达在电力巡检应用的推广提供了参考依据。
参考文献
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