基于差分定位的輸電線路多旋翼無人機(jī)智能巡檢研究

嚴(yán)玲玲，聞鋮，王身麗，方權(quán)，侯金華

（湖北省電力有限公司檢修公司，湖北 武漢 430000）

智能電網(wǎng)建設(shè)對輸電線路巡檢系統(tǒng)性能提出了更高的要求，當(dāng)前輸電線路運(yùn)維多采用無人機(jī)巡檢方式，但仍需依靠人工操控實(shí)現(xiàn)巡檢過程控制，無法保障巡檢效率與質(zhì)量?；诖耍疚倪\(yùn)用載波相位差分技術(shù)設(shè)計(jì)出一種無人機(jī)智能巡檢系統(tǒng)，可有效排除人工操作的不確定因素，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)巡檢的標(biāo)準(zhǔn)化、智能化。

1 基于差分定位的多旋翼無人機(jī)智能巡檢系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 RTK差分定位技術(shù)

以往無人機(jī)巡檢多采用GPS進(jìn)行定位，然而，在輸電線路近距離巡視作業(yè)中易在電磁干擾的影響下引發(fā)碰撞甚至墜機(jī)事故，無法保障輸電線路巡檢作業(yè)效果與安全性。在此采用RTK載波相位差分技術(shù)進(jìn)行巡檢系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，在基站與機(jī)載接收機(jī)間實(shí)現(xiàn)載波相位信號(hào)的傳遞，求差解算坐標(biāo)后生成巡檢結(jié)果，其精度可達(dá)到厘米級(jí)。將RTK差分定位技術(shù)應(yīng)用于多旋翼無人機(jī)智能巡檢系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，配合可見光云臺(tái)相機(jī)等任務(wù)設(shè)備，可在強(qiáng)電磁干擾作業(yè)環(huán)境下獲取高精度定位數(shù)據(jù)與高清晰度圖像，實(shí)現(xiàn)對輸電線路桿塔本體及通道的智能化巡視，為電網(wǎng)巡檢效率、質(zhì)量與穩(wěn)定性的提升創(chuàng)設(shè)良好保障。

1．2 多旋翼無人機(jī)巡視規(guī)則學(xué)習(xí)算法

在考慮到架空輸電線路所處的復(fù)雜工況條件與不同塔型等因素的影響下，應(yīng)確保無人機(jī)巡視規(guī)則、作業(yè)方法的適應(yīng)性與兼容性，圍繞以下兩個(gè)層面進(jìn)行算法設(shè)計(jì)。

（1）機(jī)器學(xué)習(xí)分類算法。該算法以樣本的屬性、特征作為分類依據(jù)，針對特定屬性的值進(jìn)行預(yù)測，完成類別劃分。當(dāng)前主要采用邏輯回歸算法作為分類算法，設(shè)樣本為，指樣本塔，是m維樣本特征向量；y代表是否屬于某塔型，取值為0或1。針對樣本塔屬于某一塔型的概率進(jìn)行判斷，設(shè)為塔的特征向量，θ為的回歸系數(shù)，σ為函數(shù)，則其邏輯函數(shù)可表示為：

將該算法應(yīng)用于多旋翼無人機(jī)智能巡視系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需先完成模型的設(shè)計(jì)，明確塔型屬性、數(shù)據(jù)與屬性的類型、完成樣本屬性分析，進(jìn)而運(yùn)用該邏輯回歸算法進(jìn)行預(yù)測，確定塔型所屬的具體類別。

（2）斷點(diǎn)續(xù)飛算法。該算法以統(tǒng)計(jì)學(xué)原理作為參考，針對統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)處理后提煉出其中的自變量、因變量，依據(jù)其關(guān)系建立回歸方程，實(shí)現(xiàn)對因變量變化情況的預(yù)測分析。倘若無人機(jī)在自動(dòng)執(zhí)行巡檢任務(wù)的過程中突發(fā)航飛中斷事件，通過獲取其之前航飛過程中的位置變化數(shù)據(jù)進(jìn)行推算，即可確定返航位置，保障航飛任務(wù)的順利進(jìn)行。設(shè)無人機(jī)航飛軌跡為自變量、返航位置為因變量航飛位置的類自變量為返航位置的因變量為回歸參數(shù)為則其線性回歸方程式可表示為：

1．3 多旋翼無人機(jī)智能巡檢系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。在多旋翼無人機(jī)智能巡檢系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，主要分為以下兩部分：其一是天空端，主要由大疆四軸多旋翼無人機(jī)、RTK模塊與可見光云臺(tái)相機(jī)等任務(wù)設(shè)備組成；其二是地面端，主要由地面站、RTK基站、自動(dòng)巡檢軟件組成。首先需完成飛行航線的規(guī)劃設(shè)計(jì)，確定航點(diǎn)、巡檢點(diǎn)的具體坐標(biāo)，依托飛行控制文件中記錄的信息完成巡線航跡的繪制，提取自主飛行與航拍控制點(diǎn)的位置信息，并依據(jù)時(shí)序控制無人機(jī)順序遍歷各飛行航跡控制點(diǎn)，待到達(dá)航拍控制點(diǎn)后，則調(diào)節(jié)攝像頭進(jìn)行航拍，得到具備較高精度的航拍圖像與信息，依托多旋翼無人機(jī)實(shí)現(xiàn)對輸電線路桿塔的智能化巡檢。

（2）系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。首先是無人機(jī)的選取，無人機(jī)作為桿塔智能巡檢的主體平臺(tái)，負(fù)責(zé)執(zhí)行航飛任務(wù)、執(zhí)行航行指令，搭載可見光云臺(tái)相機(jī)等任務(wù)設(shè)備?；谳旊娋€路桿塔的智能化、精細(xì)化巡檢作業(yè)要求，采用大疆四軸多旋翼無人機(jī)作為飛行設(shè)備，該無人機(jī)可支持懸停、低速巡航，飛行時(shí)間不少于30min，最大有效載荷為1.72kg，可在能見度不低于30m的條件下保持正常作業(yè)飛行，抗風(fēng)能力達(dá)到6級(jí)以上，實(shí)現(xiàn)飛行狀態(tài)、任務(wù)模式的靈活切換，可適應(yīng)-10～40℃的溫度環(huán)境，具備自主起飛降落、自動(dòng)返航、低電壓保護(hù)等功能，兼容等多種云臺(tái)。

再次是任務(wù)設(shè)備的選取，選用可見光云臺(tái)相機(jī)記錄輸電線路桿塔信息，該設(shè)備采用傳感器，有效像素為2080萬，具備連續(xù)可調(diào)光學(xué)變焦功能，可在與桿塔間隔10m距離處獲取高分辨率圖像，能夠檢測到銷釘級(jí)缺陷，且具備良好的防抖性能，保障在大風(fēng)作業(yè)條件下仍能夠拍攝到高清晰度照片。

最后是地面站的設(shè)計(jì)，操作人員可在地面站利用智能操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取到無人機(jī)的航行信息，其中控制終端基于系統(tǒng)開發(fā)，具有32G儲(chǔ)容量、6.8寸屏幕，能夠滿足IP67防護(hù)等級(jí)需求，控制無人機(jī)實(shí)現(xiàn)自主巡視。

2 輸電線路桿塔智能巡檢測試

2．1 試驗(yàn)區(qū)域與設(shè)備選取

為檢驗(yàn)該智能巡檢系統(tǒng)的巡檢精度，選取大疆四軸多旋翼無人機(jī)針對某電網(wǎng)公司管轄范圍內(nèi)的220V輸電線路10～14號(hào)桿進(jìn)行自動(dòng)化巡檢測試，巡視線路總長度約為15km，其中搭載有云臺(tái)相機(jī)與熱紅外成像相機(jī)。在實(shí)驗(yàn)過程中收集無人機(jī)在巡視航線過程中拍攝到的各飛行航點(diǎn)的信息，獲取其位置信息、云臺(tái)角度等參數(shù)并與學(xué)習(xí)模式下的基礎(chǔ)參數(shù)進(jìn)行對比，判斷二者間的精度差異。

2．2 試驗(yàn)結(jié)果分析

選取無人機(jī)第一至三次自動(dòng)巡線測試結(jié)果進(jìn)行分析，將自動(dòng)巡視過程中獲取的飛行航點(diǎn)坐標(biāo)與學(xué)習(xí)模式下進(jìn)行對比，建立精度折線并檢驗(yàn)其誤差，以此判斷搭載RTK模塊的多旋翼無人機(jī)在自動(dòng)巡檢過程中的定位精度。由于在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)其中的某一桿塔位置靠近地面RTK基站，其誤差數(shù)值與基站間隔距離的變化成正比，在1km范圍內(nèi)的誤差精度不超過1m。在此過程中，需注重加強(qiáng)對智能巡檢軟件的綜合利用，合理評估拍攝過程中存在的容錯(cuò)預(yù)留空間，避免因誤差的線性遞增導(dǎo)致拍攝目標(biāo)發(fā)生偏移。在本試驗(yàn)中采用熱紅外成像相機(jī)拍攝到的圖像數(shù)據(jù)如圖1所示，經(jīng)由數(shù)據(jù)綜合對比得出，在輸電線路桿塔與基站間距離超過1km，無人機(jī)與桿塔間距離約為5m，且無人機(jī)與拍攝目標(biāo)呈垂直關(guān)系時(shí)，應(yīng)將容錯(cuò)預(yù)留空間控制在5cm以上，方可確保被拍攝目標(biāo)圖像不會(huì)超出畫幅范圍之外。總體來看，采用多旋翼無人機(jī)搭載RTK進(jìn)行輸電線路桿塔的自動(dòng)巡檢，可在強(qiáng)電磁環(huán)境下仍能夠順完成定點(diǎn)拍攝任務(wù)，提高定位精度，滿足輸電線路的智能巡檢需求。

圖1 熱紅外成像相機(jī)拍攝到的圖像數(shù)據(jù)

3 結(jié)語

本文基于RTK差分定位技術(shù)設(shè)計(jì)出一種多旋翼無人機(jī)智能巡檢系統(tǒng)，致力于實(shí)現(xiàn)對輸電線路桿塔的自動(dòng)化、精細(xì)化巡視。通過針對大疆四軸多旋翼無人機(jī)搭載RTK開展桿塔智能巡視所獲取的信息進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)在強(qiáng)電磁場環(huán)境下仍可順利完成定點(diǎn)拍攝巡檢工作，具有良好的應(yīng)用價(jià)值。