一種激光雷達導航的全自主智能無人機巡線系統(tǒng)

徐展

（國網浙江省電力公司衢州供電公司，浙江衢州324000）

一種激光雷達導航的全自主智能無人機巡線系統(tǒng)

徐展

（國網浙江省電力公司衢州供電公司，浙江衢州324000）

為提升輸配電線路巡線效率，提出了一種綜合激光雷達、圖像識別、無線專網、多旋翼無人機等成熟技術的無人機巡線系統(tǒng)，并對系統(tǒng)構成和實現(xiàn)方式進行了探討。該系統(tǒng)可通過多種傳感器完成對輸配電線路及運行環(huán)境三維圖像等多種信息的精確采集，通過中繼站的方式解決續(xù)航和通信問題，使無人機自主化、智能化巡線成為可能。

輸配電線路；激光雷達；圖像識別；無人機；巡線

輸配電線路巡視工作作為線路專業(yè)最重要的日常工作之一，長期以來采用人工方式，運行班組超過50%的工作時間均用于巡視工作，存在效率低、手段落后、巡視質量難以保證的問題。在用人成本不斷上升、相關工作要求越來越高的情況下，必須拓展提升巡視效率的新途徑。以下設想了一種綜合了激光雷達、圖像識別、無線專網、多旋翼無人機等成熟技術的全自主無人機自動巡線系統(tǒng)，并提出了具體實現(xiàn)方式。

1 輸配電線路無人機自動巡線的必要性

1.1 當前巡視工作現(xiàn)狀及存在問題

1.1.1 巡視工作現(xiàn)狀

為掌握輸配電線路及設備的運行狀況，及時發(fā)現(xiàn)線路及設備的缺陷和各種威脅線路及設備安全運行的隱患，以便進行有針對性的檢修和處理，必須開展線路及設備的巡視和檢查工作。目前巡視工作作為輸配電線路運行專業(yè)的重要工作內容，占用了大量人力資源。

以衢州供電公司市本級農村配電線路為例，10 kV中壓線路約3 000 km，按平均每公里巡視時間1.6 h計算，需要4 800 h。0.4 kV低壓線路約5 000 km，按平均每公里巡視時間1.6 h計算，需要8 000 h。中低壓線路巡視共需12 800 h。

國家電網公司運行規(guī)程要求，農村線路每季巡視1次。要完成全部中低壓線路巡視，按每月22個工作日，每個工作日有效工作時間6 h計算，需要12 800÷（3×22×6）=32人方可完成。

1.1.2 存在的主要問題

目前線路巡視工作存在的主要問題是采用人工巡視難以保證工作質量和完成率。管理人員只能通過巡視記錄了解運維人員是否開展了巡視工作，而巡視工作是否到位、有沒有發(fā)現(xiàn)異常和缺陷則難以定量評價。

1.2 巡線關鍵技術簡介1.2.1激光雷達

激光雷達通過激光掃描測量載體與目標的距離，快速獲取物體表面大量采樣點三維空間坐標，建立對象的三維模型。該技術可穿透植被，形成多次回波，同時測量地面點和非地面點，建立起完整的環(huán)境模型。由于波長較短，可探測細小物體，形成高精度三維模型等。另外，具備全天候工作、快速獲取數(shù)據等特點[1]。

目前，該技術在工程、環(huán)境檢測和城市建設等方面均有成功的應用實例。

1.2.2 圖像識別

圖像識別是將圖像與預先存儲對象物的參照圖案進行匹配，輸出符號信息或數(shù)值信息的技術。人們接觸較多的人臉識別、手寫輸入識別等就是應用了圖像識別技術。目前利用圖像識別技術，完全可實現(xiàn)對電力設備類型等信息的精確識別。

1.2.3 無線專網

目前無線專網在電力行業(yè)已有成功應用，主要可選技術有TD-LTE（分時長期演時）、WiMAX（全球微波接入）、Witen（寬帶多媒體數(shù)字集群技術）等，波段也有多種可選。以某種TD-LTE技術為例，其通信半徑可達5 km，上傳速度可達50 Mbit/s，下載速度可達100 Mbit/s，且具備很高的可靠性、傳輸速率和安全性。

1.2.4 多旋翼無人機

目前多旋翼無人機已用于輸配電線路巡線工作。以某種8軸多旋翼無人機為例，其載重最高可達20 kg，最高飛行時速可達36 km/h，視載重情況其最長工作時間可達30～50 min。但受通信、控制技術的限制，同時考慮到設備安全性，目前只能采用人工遙控的方式開展工作。

1.3 經濟效益估算

如能將自動化巡線作為人工巡線的補充，甚至在一定程度上替代人工巡線，則可以節(jié)約一半左右人力資源，按每人每年用工成本15萬計算，市本級每年即可實現(xiàn)經濟效益32×50%×15=240萬。

另外，采用自動化巡線能顯著提升巡視工作質量，一次激光掃描可以掌握的信息類型、信息量、精確度遠遠優(yōu)于人工巡視，可大大提升配電網精益化管理水平。

2 利用激光雷達和GIS實現(xiàn)自動精確導航

有別于目前常見的多旋翼無人機遙控操作形式，要實現(xiàn)無人機自動、自主巡線，首先要解決無人機的導航問題。

2.1 應用GIS初步規(guī)劃路線

2.1.1 路線規(guī)劃原則

目前浙江省電力公司已建立起全覆蓋的配電網GIS（地理信息系統(tǒng)），該系統(tǒng)內存有輸配電線路走向等詳細信息，可用于無人機巡線路徑初步規(guī)劃。一般而言，無人機巡線路徑應當與輸配電線路走向相同并適當優(yōu)化，這也是目前市場上自主式機器人常見的實現(xiàn)方式。

2.1.2 存在問題

若僅用GIS對無人機巡線路徑進行規(guī)劃，仍然存在若干關鍵問題無法解決，導致無法真正實現(xiàn)自主巡線，主要有：

（1）GIS內的信息為平面地理信息，用于車輛導航沒有問題，而線路處于三維立體環(huán)境中，因此GIS無法滿足無人機這種需要在三維空間信息的設備。

（2）無人機的飛行區(qū)域應與線路保持一定的安全距離，同時還需要考慮風向的問題，因此需特別考慮安全問題。

（3）無人機巡線時需避讓樹木，這些信息在GIS中無法體現(xiàn)，只能依靠現(xiàn)場實測。

針對上述問題，考慮通過激光雷達技術予以解決。

2.2 應用激光雷達精確建模并自動導航

激光雷達是傳統(tǒng)雷達與激光技術相結合的產物，是以微波雷達原理為基礎，將激光束作為探測信號。激光雷達工作時，首先發(fā)射機發(fā)射一束特定功率的激光束，經過大氣傳輸輻射到目標表面上，反射的回波由接收裝置接收，再對回波信號進行處理，提取有用的信息[2]。通過測量反射和散射回波信號的時間間隔、頻率變化、波束所指方向等就可以確定目標的距離、方位和速度等信息[3]。

目前激光雷達已成功用于車輛避讓、無人駕駛車輛防撞、無人機導航等領域，且在武器制導方面有成熟的應用。參照這些應用，考慮輸配電線路的實際需要，以下提出一種輸配電線路自動激光雷達導航的實現(xiàn)方式：

（1）首先利用GIS對無人機巡線路徑進行初步規(guī)劃，以線路為中心，左右外延50～100 m，形成一個帶狀通道，通過GPS/INS（全球定位系統(tǒng)/慣性導航系統(tǒng)）確保無人機在帶狀通道內進行。

（2）使用激光雷達對帶狀通道環(huán)境進行掃描，并和內存特征庫對比，辨識出電力線路及其上的桿塔、斷路器、配電變壓器、瓷瓶等各類設備。桿塔的作用是和預存在系統(tǒng)中的GIS數(shù)據特征點對比，確認飛行路線準確性；線路的作用是確保無人機和帶電設備的距離介于安全距離與精確測量距離之間，形象地說，是牢牢“吸附”在線路上，從而達到導航的目的。

（3）激光雷達還應對飛行通道內環(huán)境進行激光探測，得到以無人機為中心、以合理的掃描距離為半徑的環(huán)境地圖，特別是注意避讓樹木、建筑物、山脈、其他飛行物等障礙物，確保飛行安全。

3 自動定位關鍵設備，開展狀態(tài)監(jiān)測

3.1 結合GIS信息和圖像識別定位關鍵設備

開展狀態(tài)檢修工作，除了要定位斷路器、隔離開關、電纜頭等關鍵設備的準確位置，還需要無人機自主定位并識別關鍵設備，以調用搭載各種傳感器開展狀態(tài)監(jiān)測工作。

（1）依托GIS數(shù)據初步定位關鍵設備。目前，GIS內存儲了斷路器等關鍵設備的地理位置信息，可在規(guī)劃線路時自動將這些設備的地理位置信息導入無人機。

（2）應用圖像和激光雷達成像自動識別。無人機到達關鍵設備地點后，開啟自動識別模塊，通過可見光攝像頭對線路設備進行掃描，通過激光雷達建立設備三維圖像，同時把掃描圖像和特征庫內的設備進行對比，確認待檢測設備的精確位置；自動控制無人機在待檢測設備周圍進行360°盤旋，開啟各類機載設備并完成全方位的狀態(tài)收集工作。

3.2 搭載多種傳感器開展狀態(tài)監(jiān)測

（1）激光雷達。激光雷達本身就是一種極為有效的狀態(tài)監(jiān)測裝置，通過三維建模，可定量分析線路周邊障礙物的精確距離，精確發(fā)現(xiàn)違章建房、樹線矛盾等問題，甚至能掌握通道樹木種類。一次激光掃描可以掌握的信息類型、信息量、精確性遠遠優(yōu)于人工巡視。

（2）可見光攝像頭。應用高清可見光攝像頭，對巡視過程錄像，對關鍵設備拍照，以便后續(xù)調閱、分析診斷線路運行狀況。同時可應用智能圖像識別技術，自動發(fā)現(xiàn)設備破損、銹蝕等異常。

（3）紅外熱像儀。應用紅外熱像儀，可建立起設備紅外圖譜庫，自動發(fā)現(xiàn)接頭發(fā)熱等設備異常。

（4）紫外成像儀。應用紫外成像儀，可及時發(fā)現(xiàn)設備產生的電暈異常。

（5）局部放電監(jiān)測儀。應用局部放電監(jiān)測儀可及時發(fā)現(xiàn)設備異常放電，但必須應用降噪技術消除無人機旋翼發(fā)出的噪音。

4 通信和充電中繼站

4.1 通信和續(xù)航力問題

由于輸配電線路覆蓋面大、線路路線長、所處環(huán)境復雜，對無人機的通信和續(xù)航力提出了不小的挑戰(zhàn)。通信方面，如采用無線公網則可能面臨著因山區(qū)無通信信號而失去對無人機的監(jiān)控，而其他地區(qū)可能由于公網信號不穩(wěn)定導致無法有效監(jiān)控。續(xù)航力方面，目前主流8旋翼無人機最高時速為30 km/h，續(xù)航時間40 min，而山區(qū)線路供電半徑常超過10 km，因此無法靠機內電源實現(xiàn)全線飛行。

為此，考慮在線路沿線（約5 km）建設中繼站，中繼站距離線路應有一定安全距離，設備均安裝于電桿上，裝設有小容量變壓器、無線專網基站、無人機起降平臺，以此方式解決通信和續(xù)航力的問題。

4.2 應用無線專網實現(xiàn)全線高速通信

無線專網采用TD-LTE技術，目前發(fā)展較為成熟，上傳速率達50 Mbit/s，下載速率達100 Mbit/s，只要沿線合理布置無線專網通信基站，完全可滿足無人機監(jiān)控的技術要求。

4.3 開發(fā)無人機自動起降平臺

為最大限度減少人工工作量，必須解決無人機自動起降及充電問題，最大程度拓展其自主巡線范圍。因此，考慮開發(fā)一套無人機自動起降平臺系統(tǒng)，無人機在電池電量低、氣候突變等異常情況下，自動飛臨中繼站附近，利用激光雷達識別平臺精確位置，啟動自主起降定位應答裝置，逐漸靠近起降平臺。在抵達臨近位置時，平臺通過捕獲裝置捕獲并鎖定無人機，隨后對其進行充電。

5 擴展應用

5.1 規(guī)劃設計方面的應用

通過對線路進行若干次掃描，可建立起精確的三維模型，精確掌握線路桿高、呼高、交跨、馳度等關鍵參數(shù)，建立起精確的實際運行三維模型，對后續(xù)規(guī)劃設計、改造等工作有很高的價值，也可用于評價施工質量。

5.2 預防外力破壞

在無人機巡線過程中，通過和歷史數(shù)據的比對，利用圖像智能識別，及時發(fā)現(xiàn)外來機械施工等異常，如通過和特征庫進行對比，發(fā)現(xiàn)距離線路較近的挖掘機、起重機等工程設備；又如在魚塘周圍發(fā)現(xiàn)有活動的人群等。一旦發(fā)現(xiàn)異常便發(fā)出預警告知監(jiān)控員，以便及時排查影響安全運行的嚴重隱患。

6 結語

設想了一種綜合了激光雷達、圖像識別、無線專網、多旋翼無人機等成熟技術的全自主無人機自動巡線系統(tǒng)，并提出了具體實現(xiàn)方式，同時展望了其在日常巡視、狀態(tài)監(jiān)測、規(guī)劃設計等方面的應用前景。目前，該系統(tǒng)所需的幾種關鍵技術已相對較為成熟，應盡早開展研究開發(fā)工作，盡早應用于實踐，以期提升輸配電線路運行工作效率和工作質量。

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（本文編輯：方明霞）

參考文獻的作用及要求

參考文獻是指為撰寫論文而引用已經發(fā)表的有關文獻，是科技論文不可缺少的重要組成部分。參考文獻反映研究工作的背景和依據，向讀者提供有關信息的出處，論著具有真實、廣泛的科學依據，表明作者尊重他人研究成果的嚴肅態(tài)度，還免除了抄襲或剽竊的嫌疑。

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正確列出相關的參考文獻，不必大段抄錄原文，只摘引其中最重要的觀點與數(shù)據，可以大大節(jié)約論文的篇幅。本刊要求來稿作者，凡是引用參考文獻的成果（包括觀點、方法、數(shù)據、圖表和其他資料）均需要對參考文獻在文中引用的地方予以標注，并在文后參考文獻表中列出。作者應按照國家標準GB/T 7714-2015書寫參考文獻著錄項。本刊建議作者引用的參考文獻在8篇以上。

編輯部摘編

An Autonomous Intelligent UAV Line Inspection System with LIDAR Navigation

XU Zhan
（State Grid Quzhou Power Supply Company，Quzhou Zhejiang 324000，China）

To improve inspection efficiency of transmission and distribution lines，the paper introduces an UAV line inspection system which integrates LIDAR，image identification，special wireless network and multi-rotor UAV；besides，it discusses its formation and implementation.The system can accurately collect information such as 3D images of transmission and distribution lines and the operating environment via multiple sensors.By the relay station，endurance and communication are ensured，and autonomous and intelligent line inspection is enabled.

transmission and distribution lines；LIDAR；image identification；UAV；line inspection

10.19585/j.zjdl.201706010

1007-1881（2017）06-0044-04

TM755

B

2017-03-15

徐展（1981），男，工程師，從事配電網管理工作。