一种激光雷达导航的全自主智能无人机巡线系统

徐展

（国网浙江省电力公司衢州供电公司，浙江衢州324000）

一种激光雷达导航的全自主智能无人机巡线系统

徐展

（国网浙江省电力公司衢州供电公司，浙江衢州324000）

为提升输配电线路巡线效率，提出了一种综合激光雷达、图像识别、无线专网、多旋翼无人机等成熟技术的无人机巡线系统，并对系统构成和实现方式进行了探讨。该系统可通过多种传感器完成对输配电线路及运行环境三维图像等多种信息的精确采集，通过中继站的方式解决续航和通信问题，使无人机自主化、智能化巡线成为可能。

输配电线路；激光雷达；图像识别；无人机；巡线

输配电线路巡视工作作为线路专业最重要的日常工作之一，长期以来采用人工方式，运行班组超过50%的工作时间均用于巡视工作，存在效率低、手段落后、巡视质量难以保证的问题。在用人成本不断上升、相关工作要求越来越高的情况下，必须拓展提升巡视效率的新途径。以下设想了一种综合了激光雷达、图像识别、无线专网、多旋翼无人机等成熟技术的全自主无人机自动巡线系统，并提出了具体实现方式。

1 输配电线路无人机自动巡线的必要性

1.1 当前巡视工作现状及存在问题

1.1.1 巡视工作现状

为掌握输配电线路及设备的运行状况，及时发现线路及设备的缺陷和各种威胁线路及设备安全运行的隐患，以便进行有针对性的检修和处理，必须开展线路及设备的巡视和检查工作。目前巡视工作作为输配电线路运行专业的重要工作内容，占用了大量人力资源。

以衢州供电公司市本级农村配电线路为例，10 kV中压线路约3 000 km，按平均每公里巡视时间1.6 h计算，需要4 800 h。0.4 kV低压线路约5 000 km，按平均每公里巡视时间1.6 h计算，需要8 000 h。中低压线路巡视共需12 800 h。

国家电网公司运行规程要求，农村线路每季巡视1次。要完成全部中低压线路巡视，按每月22个工作日，每个工作日有效工作时间6 h计算，需要12 800÷（3×22×6）=32人方可完成。

1.1.2 存在的主要问题

目前线路巡视工作存在的主要问题是采用人工巡视难以保证工作质量和完成率。管理人员只能通过巡视记录了解运维人员是否开展了巡视工作，而巡视工作是否到位、有没有发现异常和缺陷则难以定量评价。

1.2 巡线关键技术简介1.2.1激光雷达

激光雷达通过激光扫描测量载体与目标的距离，快速获取物体表面大量采样点三维空间坐标，建立对象的三维模型。该技术可穿透植被，形成多次回波，同时测量地面点和非地面点，建立起完整的环境模型。由于波长较短，可探测细小物体，形成高精度三维模型等。另外，具备全天候工作、快速获取数据等特点[1]。

目前，该技术在工程、环境检测和城市建设等方面均有成功的应用实例。

1.2.2 图像识别

图像识别是将图像与预先存储对象物的参照图案进行匹配，输出符号信息或数值信息的技术。人们接触较多的人脸识别、手写输入识别等就是应用了图像识别技术。目前利用图像识别技术，完全可实现对电力设备类型等信息的精确识别。

1.2.3 无线专网

目前无线专网在电力行业已有成功应用，主要可选技术有TD-LTE（分时长期演时）、WiMAX（全球微波接入）、Witen（宽带多媒体数字集群技术）等，波段也有多种可选。以某种TD-LTE技术为例，其通信半径可达5 km，上传速度可达50 Mbit/s，下载速度可达100 Mbit/s，且具备很高的可靠性、传输速率和安全性。

1.2.4 多旋翼无人机

目前多旋翼无人机已用于输配电线路巡线工作。以某种8轴多旋翼无人机为例，其载重最高可达20 kg，最高飞行时速可达36 km/h，视载重情况其最长工作时间可达30～50 min。但受通信、控制技术的限制，同时考虑到设备安全性，目前只能采用人工遥控的方式开展工作。

1.3 经济效益估算

如能将自动化巡线作为人工巡线的补充，甚至在一定程度上替代人工巡线，则可以节约一半左右人力资源，按每人每年用工成本15万计算，市本级每年即可实现经济效益32×50%×15=240万。

另外，采用自动化巡线能显著提升巡视工作质量，一次激光扫描可以掌握的信息类型、信息量、精确度远远优于人工巡视，可大大提升配电网精益化管理水平。

2 利用激光雷达和GIS实现自动精确导航

有别于目前常见的多旋翼无人机遥控操作形式，要实现无人机自动、自主巡线，首先要解决无人机的导航问题。

2.1 应用GIS初步规划路线

2.1.1 路线规划原则

目前浙江省电力公司已建立起全覆盖的配电网GIS（地理信息系统），该系统内存有输配电线路走向等详细信息，可用于无人机巡线路径初步规划。一般而言，无人机巡线路径应当与输配电线路走向相同并适当优化，这也是目前市场上自主式机器人常见的实现方式。

2.1.2 存在问题

若仅用GIS对无人机巡线路径进行规划，仍然存在若干关键问题无法解决，导致无法真正实现自主巡线，主要有：

（1）GIS内的信息为平面地理信息，用于车辆导航没有问题，而线路处于三维立体环境中，因此GIS无法满足无人机这种需要在三维空间信息的设备。

（2）无人机的飞行区域应与线路保持一定的安全距离，同时还需要考虑风向的问题，因此需特别考虑安全问题。

（3）无人机巡线时需避让树木，这些信息在GIS中无法体现，只能依靠现场实测。

针对上述问题，考虑通过激光雷达技术予以解决。

2.2 应用激光雷达精确建模并自动导航

激光雷达是传统雷达与激光技术相结合的产物，是以微波雷达原理为基础，将激光束作为探测信号。激光雷达工作时，首先发射机发射一束特定功率的激光束，经过大气传输辐射到目标表面上，反射的回波由接收装置接收，再对回波信号进行处理，提取有用的信息[2]。通过测量反射和散射回波信号的时间间隔、频率变化、波束所指方向等就可以确定目标的距离、方位和速度等信息[3]。

目前激光雷达已成功用于车辆避让、无人驾驶车辆防撞、无人机导航等领域，且在武器制导方面有成熟的应用。参照这些应用，考虑输配电线路的实际需要，以下提出一种输配电线路自动激光雷达导航的实现方式：

（1）首先利用GIS对无人机巡线路径进行初步规划，以线路为中心，左右外延50～100 m，形成一个带状通道，通过GPS/INS（全球定位系统/惯性导航系统）确保无人机在带状通道内进行。

（2）使用激光雷达对带状通道环境进行扫描，并和内存特征库对比，辨识出电力线路及其上的杆塔、断路器、配电变压器、瓷瓶等各类设备。杆塔的作用是和预存在系统中的GIS数据特征点对比，确认飞行路线准确性；线路的作用是确保无人机和带电设备的距离介于安全距离与精确测量距离之间，形象地说，是牢牢“吸附”在线路上，从而达到导航的目的。

（3）激光雷达还应对飞行通道内环境进行激光探测，得到以无人机为中心、以合理的扫描距离为半径的环境地图，特别是注意避让树木、建筑物、山脉、其他飞行物等障碍物，确保飞行安全。

3 自动定位关键设备，开展状态监测

3.1 结合GIS信息和图像识别定位关键设备

开展状态检修工作，除了要定位断路器、隔离开关、电缆头等关键设备的准确位置，还需要无人机自主定位并识别关键设备，以调用搭载各种传感器开展状态监测工作。

（1）依托GIS数据初步定位关键设备。目前，GIS内存储了断路器等关键设备的地理位置信息，可在规划线路时自动将这些设备的地理位置信息导入无人机。

（2）应用图像和激光雷达成像自动识别。无人机到达关键设备地点后，开启自动识别模块，通过可见光摄像头对线路设备进行扫描，通过激光雷达建立设备三维图像，同时把扫描图像和特征库内的设备进行对比，确认待检测设备的精确位置；自动控制无人机在待检测设备周围进行360°盘旋，开启各类机载设备并完成全方位的状态收集工作。

3.2 搭载多种传感器开展状态监测

（1）激光雷达。激光雷达本身就是一种极为有效的状态监测装置，通过三维建模，可定量分析线路周边障碍物的精确距离，精确发现违章建房、树线矛盾等问题，甚至能掌握通道树木种类。一次激光扫描可以掌握的信息类型、信息量、精确性远远优于人工巡视。

（2）可见光摄像头。应用高清可见光摄像头，对巡视过程录像，对关键设备拍照，以便后续调阅、分析诊断线路运行状况。同时可应用智能图像识别技术，自动发现设备破损、锈蚀等异常。

（3）红外热像仪。应用红外热像仪，可建立起设备红外图谱库，自动发现接头发热等设备异常。

（4）紫外成像仪。应用紫外成像仪，可及时发现设备产生的电晕异常。

（5）局部放电监测仪。应用局部放电监测仪可及时发现设备异常放电，但必须应用降噪技术消除无人机旋翼发出的噪音。

4 通信和充电中继站

4.1 通信和续航力问题

由于输配电线路覆盖面大、线路路线长、所处环境复杂，对无人机的通信和续航力提出了不小的挑战。通信方面，如采用无线公网则可能面临着因山区无通信信号而失去对无人机的监控，而其他地区可能由于公网信号不稳定导致无法有效监控。续航力方面，目前主流8旋翼无人机最高时速为30 km/h，续航时间40 min，而山区线路供电半径常超过10 km，因此无法靠机内电源实现全线飞行。

为此，考虑在线路沿线（约5 km）建设中继站，中继站距离线路应有一定安全距离，设备均安装于电杆上，装设有小容量变压器、无线专网基站、无人机起降平台，以此方式解决通信和续航力的问题。

4.2 应用无线专网实现全线高速通信

无线专网采用TD-LTE技术，目前发展较为成熟，上传速率达50 Mbit/s，下载速率达100 Mbit/s，只要沿线合理布置无线专网通信基站，完全可满足无人机监控的技术要求。

4.3 开发无人机自动起降平台

为最大限度减少人工工作量，必须解决无人机自动起降及充电问题，最大程度拓展其自主巡线范围。因此，考虑开发一套无人机自动起降平台系统，无人机在电池电量低、气候突变等异常情况下，自动飞临中继站附近，利用激光雷达识别平台精确位置，启动自主起降定位应答装置，逐渐靠近起降平台。在抵达临近位置时，平台通过捕获装置捕获并锁定无人机，随后对其进行充电。

5 扩展应用

5.1 规划设计方面的应用

通过对线路进行若干次扫描，可建立起精确的三维模型，精确掌握线路杆高、呼高、交跨、驰度等关键参数，建立起精确的实际运行三维模型，对后续规划设计、改造等工作有很高的价值，也可用于评价施工质量。

5.2 预防外力破坏

在无人机巡线过程中，通过和历史数据的比对，利用图像智能识别，及时发现外来机械施工等异常，如通过和特征库进行对比，发现距离线路较近的挖掘机、起重机等工程设备；又如在鱼塘周围发现有活动的人群等。一旦发现异常便发出预警告知监控员，以便及时排查影响安全运行的严重隐患。

6 结语

设想了一种综合了激光雷达、图像识别、无线专网、多旋翼无人机等成熟技术的全自主无人机自动巡线系统，并提出了具体实现方式，同时展望了其在日常巡视、状态监测、规划设计等方面的应用前景。目前，该系统所需的几种关键技术已相对较为成熟，应尽早开展研究开发工作，尽早应用于实践，以期提升输配电线路运行工作效率和工作质量。

[1]束龙，鲁莽，胡丹晖.LiDAR技术在电力选线中的应用[J].电网与清洁能源，2003，29（1）∶20-23.

[2]刘斌，张军，鲁敏，等.激光雷达应用技术研究进展[J].激光与红外，2015，45（2）∶117－122.

[3]曲兴华，职广涛，张福民，等.利用信号拼接提高调频连续波激光测距系统的分辨率[J].光学精密工程，2015，23（1）∶40－47.

[4]蒋才明，唐洪良，陈贵，等.基于Google Earth的输电线路巡视无人机地面站监控系统[J].浙江电力，2012，31（2）∶5-8.

[5]程国开，汪从敏.关于输电线路状态巡视体系建设的探讨[J].浙江电力，2013，32（9）∶11-13.

[6]邓元婧，汪从敏，夏开全，等.架空输电线路通道环境的巡视技术与应用[J].浙江电力，2014，33（8）∶28-31.

[7]涂洁，冯智慧，梁文勇，等.小型无人机在电力线路巡检中的应用分析[J].电气时代，2016（11）∶75-77.

[8]黄谨益.无人机在电力输电线路的各种应用[J].大众科技，2015，17（9）∶81－83.

（本文编辑：方明霞）

参考文献的作用及要求

参考文献是指为撰写论文而引用已经发表的有关文献，是科技论文不可缺少的重要组成部分。参考文献反映研究工作的背景和依据，向读者提供有关信息的出处，论著具有真实、广泛的科学依据，表明作者尊重他人研究成果的严肃态度，还免除了抄袭或剽窃的嫌疑。

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编辑部摘编

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，工程师，从事配电网管理工作。