无人机机载激光雷达在输电线路巡线中的应用

吴雨锴

摘要：现有的电力系统主要由四个部分组成，分别是发电、输电、配电和用电，任意一个环节出现问题都会影响整个电力系统的安全、稳定运行。输电部分的线路主要有电缆线路和架空线路两种，不同于电缆线路主要分布在城市企业、医院等地，检修起来较为方便，架空线路通常分布在野外、山区等人迹罕至的地方，甚至分布在峭壁、雪山等恶劣的自然环境中，若是出现输电线老化、断股或绝缘子损坏等情况，则经常会因为无法及时检修而导致电力系统出现故障，从而造成严重的经济损失。

关键词：无人机机;输电线路;巡线应用

引言

当前在我国电力企业的发展过程中，由于供电负荷量不断上涨，为保证电网供电稳定，供电单位对线路巡视工作的重视程度也在不断提升。通过线路巡视工作的开展，可以及时发现供电线路当中存在的各种问题和故障，并且做好必要的处理措施，保证供输电线路安全稳定运行。传统的电力线路巡视工作中，主要是通过人工巡视排查线路的运行缺陷和隐患，工作效率以及效果上都有所欠缺，消耗大量人力物力。随着无人机技术的不断成熟和应用，无人机在输电线路巡视工作中发挥出了重要的作用，无人机的使用有效打破空间方面的限制，搭载多种云台负载可以代替大部分线路巡视和测量工作，提高电力线路巡视工作的效率和质量。

1机载激光雷达系统

1.1机系统

无人机是一种可自主飞行或远程引导、不搭载人员的动力飞行器。无人机因可以搭载相机、定位系统、信息传输系统等硬件而广泛应用于紧急救灾、农业、测绘等领域。通常情况下，无人机系统除了无人机本体外，还包括飞行控制系统、动力系统、能源系统、任务荷载设备、通信系统、地面监控站。（1）飞行控制系统作为整个系统的核心部位，用于控制无人机的起飞、降落等各种工作状态。（2）动力系统即发动机及相关附件设施。（3）能源系统即为无人机系统提供电能的相关部件。（4）任务荷载设备即根据业务需求搭载的相关软硬件设备，如气象设备、农药喷洒设备、相机等。（5）通信系统即数据传输软硬件。（6）地面监测站用于控制并调整无人机飞行的路线、高度、角度等参数。

1.2巡线及避障技术

无人机在执行既定电力巡检任务时，需要准确地按照任务路线进行飞行，躲避线路上可能存在或突然出现的障碍物，并在躲避结束后及时回归到任务路线上继续巡检。目前的无人机巡线技术主要通过GPS定位及导航技术、基于摄像的视觉技术等结合应用实现，但在飞行过程中易受到如恶劣天气造成无人机姿态异常等因素影响，导致视觉技术的识别率下降。避障技术主要通过视觉技术、红外探测技术和声呐探测技术等结合应用实现，但对于较大或者移动速度较快的障碍物，无人机可能会因为来不及躲避而损坏。因此，无人机自身以及挂载设备的硬件品质和各种软件技术都需要进一步提升，以保证无人机在巡检任务中的安全性和稳定性。

1.3激光雷达

机载激光雷达包含了激光扫描仪、GPS、IMU、数码相机等光谱成像设备。激光扫描仪可以主动获取输电线路通道的点云数据，结合GPS定位经坐标的转换获得通道内地物的三维坐标信息。点云数据是离散不规则的点，其格式主要有两种，ASCII码纯文本和LAS格式。由于地物复杂多样[3]，因此需要对点云数据进行分类处理以区别不同的地物。机载激光雷达技术获得的地物精度准确，操作快捷迅速，在测绘行业具有重要的作用，随着软硬件技术的迅速发展，其已逐步用于地物的自动化分类。

2无人机技术的应用优势

当前随着我国电力产业的快速建设和发展，在供电过程中对供电线路的供电状态提出了更高的标准。由于不同区域范围内供电量以及供电状况存在一定的差异，因此需要在供电管理过程中充分做好供电线路的巡视工作，对供电线路当中存在的各种缺陷和故障问题进行及时发现，并且提出针对性的处理措施来加以解决，有效提高整个供电工作的质量和效果。无人机代替人工登杆检查杆塔上的部件，搭载见光相机拍摄杆塔照片，在整个巡视工作的效果和质量方面得到了明显的提升，也避免了人工检查的安全风险。在具体的巡视过程中，人工巡视和无人机技术之间进行有效结合，可以最大限度上保证电力线路在最短的时间范围内完成全面的巡视和检查，为整个供电工作的安全性和稳定性提供重要的保障[1]。因此，作为供电单位，在线路巡视工作中需要对无人机技术的应用加以充分重视，对线路巡视工作中存在的不足进行改进和完善，充分发挥出无人机技术在电力线路巡视工作中的工作优势，有效提高供电工作的整体质量和效率。

3输电路激光点云的采集及数据处理

3.1光点云数据采集

（1）点云数据采集的前期准备工作包括实地踏勘、航线设计等。1）实地踏勘的目的是详细了解测区的情况，如测区边界、地形地貌、交通情况等。2）航线设计遵循高效、经济的原则，在实地踏勘的基础上，根据已有地形图并按照需求方的要求、行业规范及实地具体天气情况，制定详细的航飞路线、航飞计划及人员安排计划。随着点云数据采集的进行，航飞设计要不断变化更新，以保质保量地完成数据采集工作。（2）点云数据的采集包括控制测量、数据采集、补测等。

3.2无线通信技术

执行巡检任务时，无人机需要与地面服务器保持实时的无线连接，以保证可以实时回传无人机的状态信息、任务信息和所拍摄的图像、视频等数据文件，以及接收地面服务器发送的控制信号并给予反馈等。但电力巡检的环境往往十分复杂，且充满变化和不确定因素，系统的无线通信技术需要具备很强的抗干扰能力，以及足够的传输速度和带宽来支撑实时信息传输甚至巡视高清视频的直播，以保证整个电力巡检任务完成的及时性和稳定性。

3.3巡检机器人系统设计

作为本研究的一部分，设计了一种桥式结构，用于克服输电线路的障碍。深入比较研究后，保证更高的可靠性，因为在高压传输线位于下方的面积，从而无法穿过头部与塔的一个飞跃摇摆手臂，机器人必须配备安全带。为了提高稳定性和业务连续性的齿轮之间的协作机器人，不仅可以适应现有电网的钢制轮结构，重量也相对加强机器人电池组和解决问题的能力。在某种程度上而言，电池的寿命也会相应的得到提高。此外，结构成本低，安装和维护方便。由于本文的研究对象是未来的多传感器机器人，所以它在不同距离的导线上进行合作。首先要考虑的不仅是机器人自身姿态角的实时计算，还要考虑基于机器人GPS位置信息的自主运动规划。主控制平台配有专用的机器人控制软件。对于需要人工干预的复杂任务，操作者可以通过自动检测或使用人机界面实时手动控制来设置和切换机器人。

结束语

利用无人机机载激光雷达技术对输电线路进行外业巡检，根据数据的处理分析实现点云数据的分析、危险点分析、工况模拟分析，可实现对输电线路通道的快速巡检。此技术解决了复杂地区巡检难的问题，大幅度降低了人力劳动成本，提高了巡检效率。同时，激光雷达技术实现了输电线路的三维坐标测量，且精度较高，实践证明，轻量化、成本低的无人机在电力巡检中具有重要作用。

参考文献

[1]付继红.电力线路巡视中无人机技术的应用[J].电子技术与软件工程，2019（23）：213-214.

[2]叶方舟，刘晓冬，李良，崔淑娟，张岳，罗中良，王晨.无人机在输变电设备巡检巡视中的应用[J].河北电力技术，2019，38（04）：20-22.

[3]蒋泽峰.无人机巡线图像管理与图像查重系统设计与实现[D].电子科技大学，2019.

[4]吴昊.无人机在输电线路巡视方面的应用探讨[J].通讯世界，2019，26（07）：250-251.

[5]張洁.图像处理技术在无人机电力线路巡检中的应用[J].数字技术与应用，2019，37（06）：59+61.

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