無人機動態(tài)跟蹤展示系統(tǒng)設(shè)計

高妙仙++胡天碩

摘 要

本文從電力系統(tǒng)實際應(yīng)用出發(fā)，利用無人機體積小、可執(zhí)行高風險任務(wù)等特點，結(jié)合高分辨率遙感影像和輸電線路三維仿真，設(shè)計實現(xiàn)了無人機動態(tài)跟蹤展示系統(tǒng)，幫助地面工作人員很好地把握無人機飛行區(qū)域的總體狀況，并對無人機飛行進行監(jiān)控，確保無人機飛行安全。

【關(guān)鍵詞】無人機 電線路動態(tài) 跟蹤展示 系統(tǒng)

1 引言

無人機（Unmanned Aerial Vehicle）簡稱UAV，又名無人空中飛行器或空中機器人（Aerial Robotics）。無人機因其體積小、隱蔽性好、可執(zhí)行高風險任務(wù)的特點被越來越多的行業(yè)所應(yīng)用，發(fā)展前景廣闊。

隨著超高壓、特高壓遠距離輸電技術(shù)的發(fā)展，輸電線路距離長、沿線地形復(fù)雜、輸電線路塔體高等因素導(dǎo)致常規(guī)的線路巡檢作業(yè)方法已難以滿足輸電線路的巡檢要求。無人機航巡輸電線路成為一種新的線路巡檢方法，它不受地形環(huán)境限制，具有效率高、作業(yè)范圍廣的優(yōu)勢。無人機大范圍地參與巡線、帶電作業(yè)和線路施工，相應(yīng)的無人機系統(tǒng)相關(guān)研究也隨即展開。

一套完整的無人機系統(tǒng)是由無人機和無人機地面站系統(tǒng)組成，無人機地面站作為整個無人機系統(tǒng)的“神經(jīng)中樞”對整個無人機系統(tǒng)起到非常重要的作用。在無人機航巡輸電線路作業(yè)中，巡線無人機通過信號發(fā)射裝置將數(shù)據(jù)發(fā)送至地面工作站，從而實現(xiàn)對無人機的監(jiān)視、導(dǎo)航和控制，完成既定巡線任務(wù)。這就需要一個適用于無人機的電子導(dǎo)航地圖，實時顯示無人機的位置和飛行路徑，方便操作人員對無人機進行監(jiān)控，并將無人機的定位信息實時存儲到數(shù)據(jù)庫中，以便對數(shù)據(jù)進行分析與處理并實現(xiàn)軌跡回放再現(xiàn)功能。圖1所示的流程圖概括了無人機動態(tài)跟蹤展示系統(tǒng)的設(shè)計過程。

2 無人機動態(tài)跟蹤展示實現(xiàn)

采用無人機航巡輸電線路，可以對輸電線路本體缺陷、通道隱患進行快速探測，在各種復(fù)雜地形、惡劣氣候、災(zāi)害天氣下，可做到及時、準確、高效地獲取現(xiàn)場資料。

本文設(shè)計實現(xiàn)的無人機動態(tài)跟蹤展示系統(tǒng)采用GIS、RS和虛擬現(xiàn)實技術(shù)，集成了多源（包括影像數(shù)據(jù)、DEM、三維模型數(shù)據(jù)）海量數(shù)據(jù)，客戶端可實現(xiàn)三維影像數(shù)據(jù)快速瀏覽和電網(wǎng)三維模型高速渲染。系統(tǒng)通過串口數(shù)據(jù)對接技術(shù)，能夠?qū)崟r接收地面工作站發(fā)送的報文數(shù)據(jù)，在三維系統(tǒng)中實時顯示無人機飛行位置，及相關(guān)飛行姿態(tài)信息，輔助工作人員進行無人機飛行監(jiān)控，并通過高分辨率遙感影像和高精度電力設(shè)備模型把握無人機飛行區(qū)域的總體狀況，控制無人機的飛行線路，確保無人機飛行安全。

2.1 基于高清晰度遙感影像的飛行監(jiān)控環(huán)境

無人機動態(tài)跟蹤展示系統(tǒng)通過使用實驗區(qū)0.5米分辨率遙感影像數(shù)據(jù)、高精DEM數(shù)據(jù)，對電網(wǎng)設(shè)備所在區(qū)域進行仿真，再現(xiàn)電網(wǎng)設(shè)備所在區(qū)域的自然環(huán)境，建立系統(tǒng)所需要的輸電運行監(jiān)控區(qū)域。同時，在三維場景中，實現(xiàn)基于鼠標、鍵盤的場景縮放、移動、翻轉(zhuǎn)等交互操作。

2.2 高精度電力設(shè)備仿真

建立桿塔、電線、變電站等電力設(shè)備的三維模型，并植入三維場景中，對輸電區(qū)域內(nèi)的電力設(shè)備進行仿真再現(xiàn)，如圖2。

2.3 無人機實時動態(tài)跟蹤展示

無人機動態(tài)跟蹤展示基于高清晰度遙感影像的飛行監(jiān)控環(huán)境和桿塔線路數(shù)據(jù)、電力設(shè)施數(shù)據(jù)，采用串口形式實現(xiàn)與地面工作站的信號接收裝置對接，實現(xiàn)無人機實時動態(tài)跟蹤展示。

根據(jù)通訊規(guī)約，系統(tǒng)對接收到的加密報文數(shù)據(jù)進行解析，并將其編譯為EV-Globe平臺支持的數(shù)據(jù)格式。

通訊規(guī)約報文通訊格式如表1。

表1

AA 功能碼 數(shù)據(jù) FF

其中AA為開始位，F(xiàn)F為結(jié)束位。解析的數(shù)據(jù)內(nèi)容包括轉(zhuǎn)動角、俯仰角、偏航角、經(jīng)度、緯度、高度、速度等信息。解析后的數(shù)據(jù)內(nèi)容能夠在系統(tǒng)中進行實時顯示。

2.4 軌跡飛行模擬

無人機地面工作站將設(shè)計好的飛行路徑文件（kml格式，數(shù)據(jù)內(nèi)容主要是路徑關(guān)鍵點坐標信息），導(dǎo)入三維GIS系統(tǒng)中，實現(xiàn)無人機模擬飛行，如圖3。

2.5 與三維數(shù)字地理信息系統(tǒng)無縫集成

無人機動態(tài)跟蹤展示系統(tǒng)能夠無縫集成到已有的三維數(shù)字地理信息系統(tǒng)中，沿輸電線路進行模擬巡線。無人機上裝備穩(wěn)定的可見光檢測儀與成像儀等載荷，對輸電線路進行檢查和錄像，具有高科技、高效率，不受地域影響等優(yōu)點。巡線無人機通過懸停、定點拍照，將設(shè)備狀況、線路通道等畫面實時傳送至地面控制臺，如圖4。

三維數(shù)字地理信息系統(tǒng)集成地面控制臺接收到的設(shè)備多媒體信息，并通過查詢線路詳細信息，對獲得的資料進行查詢、顯示。

3 總結(jié)

無人機智能巡線廣泛應(yīng)用于高山、河流地區(qū)的輸電線路巡線，以此降低電力行業(yè)的直接投資成本、勞動強度和人力資源消耗，大量節(jié)省輸電線路巡檢和電路故障解決時間，提高電力行業(yè)在自然災(zāi)害發(fā)生后的應(yīng)急搶險速度，有助于提高電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性。

無人機實時動態(tài)跟蹤展示與導(dǎo)航是無人機完成各項任務(wù)的重要前提。通過開發(fā)本系統(tǒng)，在規(guī)劃航跡、動態(tài)監(jiān)視、組合導(dǎo)航定位過程中，結(jié)合高分辨率遙感影像和輸電線路三維仿真，可以更加直觀、更加精確、更加人性化，因此具有較好的應(yīng)用價值和前景。

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作者單位

1.地理空間信息技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心，福建省空間信息工程研究中心，福州大學 福建省福州市 350002

2.北京國遙新天地信息技術(shù)有限公司 北京市 100101