输电线路无人机自动驾驶技术的实现与应用

毛轶凡 朱伟杰

摘要：目前，多旋翼无人机在输电线路中有着广泛应用，承担着线路本体和通道环境的远程监控和拍摄任务，人机协同工作运行，大大提升了电网运行和维护效率。然而培训一名无人机飞行员从取证到实战飞行需要6至12个月的时间，每人大约花费数万元，而且培训的时间和成本太多还不足以保证其飞行的技术稳定，常常由于人为操作失误使得无人机有坠机的风险。新兴的无人机自动驾驶系统正解决这一难题，由于输电线路的相对静止性使得自主巡检并没有像机动车在道路上行驶时那么复杂，从而可以更加轻松地实现自动驾驶。此外一旦我们在输电线路中采用无人机自动驾驶系统后，照片的清晰性和完整度会变得更高，消除了人为操控无人机时拍摄照片的不稳定性和盲区，使得运维效率明显得到了提高。

关键词：输电线路;无人机;自动驾驶

为了有效保证各类输电线路本体设备的连接稳定和安全运行，有必要对各类输电线路的金具、绝缘子、导地线、杆塔、附属装置等进行定期检测，及时发现各类设备的紧急情况或严重缺陷，防止各類输电设备事故或外力损害事故。近年来，国家电网大力推进无人机巡检技术，通过近5年的发展，已逐步实现了空、塔、地协同巡视的立体巡检模式，随着线路不断扩张，电压等级不断加大，无人机自动驾驶系统技术的实现正是满足如今输电智能化巡检的需求。

1.输电巡检实现无人机自动驾驶的条件

1.1线路点云数据采集设备

线路点云数据库主要是指输电线路通过各种激光雷达等装置和各类测量仪表进行扫描，以点的方式进行扫描信息记录和分析。每个点都已经包含了三维坐标，由这几个点组合构建的点云模型，它们就是可以实时、准确地记录一条直线上各个点的位移情况。然而，线路周围环境复杂或者特别是设备本身的各种因素会造成数据采集的误差，如果我们直接运用未校准的激光雷达扫描测得出来的点云飞行，无人机很可能因为误差触碰铁塔或者导线。

这就必然要求后期我们通过点云编辑器对数据进行校准，从而降低信息传递中的误差。激光点云编辑器的处理内容包括点云分类、降噪滤波、提取目标物以及三维模型重建等。其基本流程如下：首先将非电力线线点及电力线点云候选点从原始三维点云的海量数据中分离出来，在完成线路的分离之后，为有效降低产生的噪声，在精确提取电力线之前还需要进行滤波处理;其次通过电力线所处的空间位置与线路走向来判断识别单根电力线点;最后一步是对电力线点的三维立体模型重建。

无人机自动驾驶和激光点云之间是一对彼此形影不离的系统，唯有掌握了精确的激光点云计算模型，才能够使自动驾驶具备良好的可操作性。为后期自动驾驶工作开展提供大量数据的安全性和稳定性提供了保障。

1.2带有RTK定位系统的无人机

随着我国卫星定位技术的进步和迅猛发展，人们对于快速、准确地获取位置信息的要求也越来越高。RTK定位技术（real-time kinematic）就是一种高精度的GPS测量，它是基于载波相位观测值的实时动态定位技术，能够实时地提供测站点在指定坐标系中的三维定位结果，将RTK定位技术搭载于无人机，可以达到厘米级精度。

而目前我们输电线路巡检所需要运用RTK技术中面临的一个主要问题之一是各参照电站之间的有效距离影响了数据的矫正。GPS误差时间的相关性会随着一个参考站与一个移动基站之间时空距离的缩短而逐步地丧失时间线性，而且目前传统单机 RTK的各种时空和作业距离都很有限（小于500m）。

因此为了能够使得输电系统能够真正实现一个全程自动化驾驶，主要就是通过将网络运用到RTK技术中，通过多个参考站所建立的GPS网络模型，来精确地估计某一特定位置或者地区内的GPS误差模型，并为其提供了一个所涵盖范围，向用户提供校正的数据。网络RTK技术已经突破了传统的距离约束和延时错开误差，可以被更好的应用于线路自动巡检。

2.无人机自动驾驶在输电线路中的应用

2.1线路通道树障精细化巡视

传统的线路通道树障的精细化巡航需要无人机驾驶员具备娴熟的专业技术并且对于线路设备十分了解和熟悉。为了避免无人机云台镜头在飞行中所出现的距离与角度之间有所偏差，我们还需要尽量适应操作员对于作业角度的严格要求。相比以往我们所采用的人工操作，自动驾驶这种技术会有非常大的改善和实现， 基于无人机影像解算出的点云数据，针对电力线提取与拟合的难点对算法进行了改进，实现了点云数据自动分类和精准自动拟合电力线，并进一步将研究算法用于后期树障隐患缺陷分析，对降低相关工作人员的作业风险、保障作业安全以及提高电力线巡检效率具有重要意义。

2.2线路故障夜间特巡与勘灾

对于夜间输电线路跳闸特巡，一般采用人工携带照明设备巡视，对于重点杆塔甚至要登杆检查，这样既耗时费力又很难发现故障点。利用自动驾驶的夜视式的无人机，不用再过分担心是否能够清晰看得见导线或杆塔，还能降低夜视式的无人机在空中与输电设备碰撞的危险。此外，可以直接实现一键起飞，让夜视式的无人机快速地准确到达所要指点的操作位置并对其进行了拍照，不会因受夜间操作环境条件的作用，实现了对发生事件情况的快速查找。通过利用无人机自动驾驶监控系统，能够轻松地完成对故障原因的巡视，为整个应急抢修任务的部署和运行提供了关键的数据支持。

2.3线路设备隐患台账的建立与更新

通过自动导航飞行线路的规划，利用各个控制点的不同视野进行对线路和设备的拍照，再将所有准确和角度的拍摄结果从网络上获取并传输到相应的图像，利用计算机和软件进行综合绘制线路和设备的全景图，可以方便地使用者在线路的交叉上进行对跨越安全距离的测量。例如违法建筑物或线路下方大型施工机械与线路安全距离的测量和多工况下的线路状态检查等，将数据进行采集、组合，构建一套真正的实时、自动化的输电线路。另外重点针对我国跨境高速公路、铁路、重要输电交叉跨越的三跨地区和重要部位进行了大幅度且自动化的飞机起降和拍摄，目的就是及时发现输电装置中存在的安全隐患，提高输电装置的安全和运营技术水平，及时掌握输电设备的动态情况，实现输电设备的智能化运检。

3.小结

近年来，随着我国各输电线路电压等级的不断升高，输电设备建造规模不断扩大，线路的总里程每年都呈现井喷式地增长，尤其是特高压输电电压等级，铁塔高度高，其内部结构也愈加复杂。为了有效地缓解各种输电线路的正常运维管理上的压力，本文主要介绍了实现无人机自动驾驶两大核心技术和在输电线路中的三种具体应用案例。无人机自动驾驶技术的实现和应用提升了输电线路巡检的工作质量与管理效率，保证了输电线路的安全与稳定，成为现在和未来输电线路运维不可或缺的关键技术。

参考文献

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[2]戴永东，仲坚，蔡焕青.基于RTK定位技术的输电线路无人机自动巡检技术研究[C]//全国输配电技术协作网，2018

[3]林仁雄.输电线路无人机自动巡检的实现与应用[J].科技资讯，2019