一種輸電線路無人機自主飛行巡檢方案

河南送變電建設有限公司輸電運檢分公司 陳太雷 張全升 王 力 西安理工大學 穆凱迪

隨著無人機技術的成熟，無人機在電力巡檢過程中擁有廣闊的應用前景[1]。目前主要由地面工作人員根據搭載在無人機上的視覺攝像回傳的圖像、GPS 信息等來控制無人機在巡檢過程中的飛行及拍攝[2]，但這種巡檢方式仍對操作人員有極大的依賴性且工作強度大、效率低，已不能滿足我國電力維護、電力監(jiān)理的需求，因此開發(fā)無人機自主飛行的巡檢系統(tǒng)已然成為新的趨勢。對于現(xiàn)有的輸電線路無人機自動巡檢技術，在航線規(guī)劃過程中航點的制作大多需人工輸入、過程繁瑣[3]，尤其是無人機每個航點的經緯度坐標、高度需要預先逐點依次收集，一旦將出現(xiàn)差錯嚴重影響飛行安全。同時固定翼無人機進行輸電線路巡檢時，其工作路徑規(guī)劃通常受到包括巡檢任務和無人機性能參數等多種約束條件，使得尋找安全、合適、有效的輸電線路無人機巡檢路徑變得極為困難[4]。

1 無人機自主飛行技術內容

一鍵式航線規(guī)劃。是指在無人機實際飛行作業(yè)前，對無人機空中飛行和拍照工作進行精確規(guī)劃，從而實現(xiàn)安全可靠的無人機自主飛行作業(yè)，主要包含兩類：通道巡檢航線規(guī)劃。是基于桿塔的GPS 信息和桿塔高度等信息實現(xiàn)的，桿塔GPS 位置信息和高度信息可從電網系統(tǒng)內部線路信息系統(tǒng)中獲取，也可現(xiàn)場通過無人機飛行打點來獲取。在通道巡檢航線規(guī)劃中，用戶可自動或手動設置通道巡檢的寬度、合理的飛行高度和速度、拍照間隔、地面分辨率和航向旁向重疊度等；精細化巡檢航線規(guī)劃。主要是實現(xiàn)桿塔本體巡檢自主飛行的航線規(guī)劃，精細化巡檢航線規(guī)劃方式是基于復飛打點方式來實現(xiàn)的，即通過人工示教的方式來記錄航線信息。該模式的無人機需具備高精度的GPS 模塊或RTK 模塊，RTK 相對于常規(guī)GPS定位精度更高，因此RTK 無人機人工示教記錄的航線更精準。

自主航線飛行。是指基于已規(guī)劃的航線實現(xiàn)無人機巡檢的自動飛行與拍照。大疆無人機提供SDK 二次開發(fā)的接口，該項目可實現(xiàn)通過大疆SDK 的航點任務接口將航線規(guī)劃的航線任務信息傳入到大疆飛行系統(tǒng)數據庫中，實際執(zhí)行任務時無人機從飛行系統(tǒng)數據庫中獲得航點經緯度和高度，即可按規(guī)劃好的航點順序自主飛行和拍照。為保證安全，在實際無人機自主航線飛行過程中巡檢人員可隨時暫停任務、可隨時奪控手動操控無人機以應對各種突發(fā)情況。自主航線飛行要求無人機需具備高精度GPS 或RTK 模塊，RTK 相對于常規(guī)GPS 定位精度更高。因為在自主航線飛行時，相比常規(guī)GPS 無人機RTK 無人機飛行精度更高且成果更可靠。

實時圖傳。通過大疆SDK 提供的圖傳接口，巡檢人員可在遙控器連接的移動端APP 上實時獲取無人機攝像頭的圖像信息，實現(xiàn)對無人機自動飛行情況的實時圖傳監(jiān)控。實時圖傳實現(xiàn)的前提是遙控器與無人機保持連接狀態(tài)，一旦遙控器顯示連接信號弱可能會丟失信號，則實時圖傳可能會中斷，在超視距飛行過程中，為保證飛行安全建議奪控手動操控無人機返航。

變高飛行。在航線規(guī)劃時引入數字高程模型（DEM）數據，程序可根據桿塔經緯度自動設計的航線軌跡點在DEM 上獲取海拔高度，并在航線內相鄰兩航跡點間讀取線路上DEM 高程最大值和最小值，獲取其坐標作為補充航跡點，使無人機以地形起伏為依據實現(xiàn)變高飛行。變高飛行的前提是數字高程模型（DEM）有效且正確，如DEM 錯誤則可能導致飛行數據無效或炸機的風險，因此變高飛行航線規(guī)劃時需通過算法自動或手動檢查DEM 的有效性和正確性。如DEM 錯誤也可通過三維打點的方式實現(xiàn)變高飛行，即通過無人機打點的方式記錄桿塔的相對高程信息，在通道巡檢后處理過程中可通過三維重建算法逐步提高DEM 的正確性。

2 電力精細巡檢自動飛行軟件

為了配套無人機自主飛行，開發(fā)設計電力精細巡檢自動飛行軟件。電力精細巡檢自動飛行軟件是一款基于桿塔三維點云進行巡檢航跡規(guī)劃的軟件系統(tǒng)，支持LiDAR 點云和可見光密集匹配的三維點云，輸出移動地面站直接使用的任務文件，指導無人機執(zhí)行桿塔精細化巡檢任務（圖1）。

圖1 電力精細巡檢自動飛行軟件平臺設計

飛行器連接狀態(tài)欄功能說明。飛行器連接狀態(tài)欄中包含多種功能：軟件操作模式。該功能顯示當前軟件的操作模式，包含巡檢模式和學習模式兩種；無人機機型。顯示無人機機型和連接狀態(tài)，當無人機遙控器與手機/平板正常連接時，該窗口上方會顯示無人機機型。當無人機遙控器與手機/平板未正常連接時，該窗口只會呈現(xiàn)“未連接”狀態(tài)；無人機連接狀態(tài)。顯示無人機與遙控器連接狀態(tài)、無人機圖傳連接狀態(tài)、無人機GPS收星狀態(tài)以及電池電量信息；無人機飛行時間條。顯示無人機剩余飛行時間，到達“H”標時無人機會自動返航。

功能窗口說明。該窗口包含切多種功能：切換模式。點擊該按鈕可將軟件切換為“學習模式”或“巡檢模式”，當前軟件操作模式可在無人機連接狀態(tài)欄中查看；桿塔管理。通過該功能可對桿塔進行修改或刪除，可編輯目錄名稱、線路名稱、桿塔編號、電壓等級、備注信息等信息；任務管理?？赏ㄟ^該功能創(chuàng)建飛行任務、對飛行任務進行編輯。創(chuàng)建飛行任務時可對任務目錄、桿塔目錄、順序預覽、任務名稱等信息進行編輯。

任務執(zhí)行?？赏ㄟ^該功能導入桿塔飛行任務，選擇飛行任務所在文件路徑。選擇飛行任務狀態(tài)，分別為未執(zhí)行、未完成、已完成和全部四個選項。斷點續(xù)飛，此功能可完成任務中斷后的斷點續(xù)飛。半自動飛行，選擇此飛行模式后飛行器在拍照點位置時需手動拍照。自動飛行，選擇此飛行模式后飛行器在執(zhí)行任務過程中會自動拍照。

飛行監(jiān)控數據。包括飛機的位置、飛行軌跡、飛行速度、飛行高度、距起飛點距離、飛行姿態(tài)、飛機連接狀態(tài)、遙控器連接狀態(tài)、遙控器鏈路狀態(tài)、GPS 星數、電池電量、激光器狀態(tài)、實時視頻畫面，航線飛行時間等。

3 結語

為緩解輸電線路運維壓力，提高線路巡檢質量和效率，本文提出一種輸電線路無人機自主飛行巡檢技術。該技術從一鍵式航線規(guī)劃、自主航線飛行、實時圖傳、變高飛行四個方面入手，不僅避免發(fā)生人工巡視缺陷，還節(jié)省了巡視成本，同時減少人員勞動強度，實現(xiàn)線路巡檢標準化規(guī)范化，是輸電線路巡檢運維的智能化發(fā)展方向。