基于北斗星基增强技术的无人机电网全域覆盖巡检方法

杨嘉妮， 杨利波， 何婕， 刘昊

(1. 国网湖南省电力有限公司输电检修分公司， 湖南， 衡阳 421000；2. 智能带电作业技术及装备(机器人)湖南省重点实验室， 湖南， 长沙 410004；3. 国网带电巡检与智能作业技术公司实验室， 湖南， 长沙 410100；4. 千寻位置网络有限公司， 上海 200082)

0 引言

目前电力系统存在着许多安全隐患，如在雷雨天气后，长时间暴露在空气中的杆塔和输电线路将受到严重腐蚀；杆塔间的距离过大将使输电线路承受较大拉力；遇强大风，输电线路承受的压力更大，将导致输电线路绝缘子磨损或缺失，最终导致导线断股和自爆。随着计算机技术的兴起，导航技术和图像自动识别技术发展迅速，利用无人机对电力系统进行安全巡查已成为人们关注的焦点。无人机电网全域覆盖巡检方法，首先利用导航技术计算好无人机的航线；在无人机飞行过程中再利用图像自动识别技术对电力设备进行拍摄；回传到计算机后，利用无人机对电网进行全覆盖巡检，其不仅能避免人为工作过程中的失误，降低电网巡检成本，而且大大地提高了电网巡检的效率，研究无人机电网全域覆盖巡检方法对电力系统意义重大。

吴育武等[1]提出了利用多翼无人机对电网进行全域覆盖巡检的方法，此方法有效地解决了人为电网巡检无法控制安全距离而导致巡查效率低的问题，成像效果好，巡检效率高，但是其巡检精度较低；罗隆福等[2]针对电力输电线路复杂，不容易进行巡检轨道规划等问题，提出了基于改进RRT的无人机电力杆塔巡检路径规划方法，但是其巡检范围较小。

综合以上研究成果，总结以往研究经验，提出了基于北斗星基增强技术的无人机电网全域覆盖巡检方法。该方法利用北斗星基增强技术结合RRT算法，计算出无人机巡检时的最大航角，然后，考虑到无人机的机械特性，进行无人机电网全域覆盖巡检，具有一定的实用价值。

1 无人机电网全域覆盖巡检方法设计

1.1 提取无人机电网全域覆盖图像特征

无人机在对电网全域进行覆盖巡检过程中，摄像机拍摄到的电网全域覆盖图像统一为RGB格式，需要将其转化为灰度图像[3]，才能有效减小电网全域覆盖图像在处理过程中的计算量，经过灰度转换的电网全域覆盖图像如图1所示。

图1 经过灰度转换的电网全域覆盖图像

无人机电网全域覆盖图像从RGB格式转换到灰度图像之后，需要对电网全域覆盖图像的阈值进行分割。在阈值分割中，无人机电网全域覆盖图像的像素值为255，其他像素点值为0，从而得到一个无人机电网全域覆盖的二值化图像。

为了获取到无人机电网全域覆盖图像中电网的数量和倾角信息，需要对无人机电网全域覆盖的二值化图像进行直线变换[4]，其原理如下。

电网直线信息在二维图像采用斜率和截距2个变量表示，即(k,b)；在极坐标系中采用极径和极角2个变量表示，即(ρ,θ)。利用直线变换可以提取出无人机电网全域覆盖图像特征，采用极坐标的形式将电网全域覆盖图像的直线信息表示为[5]

(1)

式(1)经过简化之后，可以得到：

r=xcosθ+ysinθ

(2)

定义经过(x0,y0)的直线为

rθ=x0cosθ+y0sinθ

(3)

如果电网的全球覆盖图像中有两点，则在极坐标系中绘制通过两点的所有直线。在设定阈值的基础上，如果极坐标系中某一点相交的曲线数量超过设定的阈值，则判断该点是电网全球覆盖图像中的一条直线[6]。

由直线变换可以检测到电网全域覆盖图像的直线数量以及斜率等信息，实现无人机电网全域覆盖图像特征的提取。

由于电网全覆盖图像处理过程的复杂性，对电网全覆盖图像进行灰度变换，用线变换的方式表示电网全覆盖图像的线信息，提取了无人机电网络全覆盖图像的特征。

1.2 规划无人机电网全域覆盖巡检航线

根据提取到的无人机电网全域覆盖图像特征可知，每一个电网的输电杆塔都存在2个最佳拍摄点，无人机在进行电网全域覆盖巡检过程中，依次在2个最佳拍摄点进行电网全域覆盖巡检[7]。先计算2个最佳拍摄点的坐标，每一个电网输电杆塔都存在一个GPS坐标，通常都是由当地的电力局提供，根据电网输电杆塔坐标和输电杆塔所处的方位来计算GPS坐标，如图2所示。

图2 无人机电网全域覆盖巡检的航点计算原理

在航点计算过程中，先计算角α的大小，根据边长OD和边长BD的大小，结合三角关系式[8]，可以得到：

(4)

(5)

β=90°-α-θ=40°-θ

(6)

假设在电网输电杆塔绝缘子分布中心处，GPS的坐标为(originlongti,originlati,h)。根据以下计算过程，可以得到无人机电网全域覆盖巡检的水平偏移坐标，即：

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

航点计算采用弧度坐标，CEARTH的值为6 378 137，lati和longti表示经过偏移后的坐标，x和y分别表示经度方向偏移的距离和纬度方向上偏移的距离，θ表示电网输电线路走向与纬度方向的夹角。

根据电网输电杆塔坐标和输电杆塔所处的方位，计算电网输电杆塔的GPS坐标，基于无人机电网全域覆盖巡检的航点计算原理，计算了无人机电网全域覆盖巡检的水平偏移坐标，规划无人机电网全域覆盖巡检航线。

1.3 设计无人机电网全域覆盖巡检程序

无人机电网全域覆盖巡检程序的原理主要是利用导航卫星信号对全国地面区域基准站进行标记，形成完整的信息录入无人机系统，当无人机在电网系统飞行过程中，通过地球同步卫星对可用改正数据进行服务平台播放，利用各终端和无人机应用系统，提供全域覆盖的高精度位置纠错服务，厘米级修正无人机航向，保证无人机安全飞行。北斗地基增强技术原理如图3所示。

图3 北斗地基增强技术原理

图3中，为了实现无人机厘米级位置服务，首先利用运营商网络连接卫星通信信号，在北斗地基增强网站中进行增强，得到抗干扰性能最优的卫星监测数据；然后将电网地面基准站进行网格化定位，获得网格数据；通过数据推送后，经过播发、监控和用户解算过程，在下发差分电文后，应用无人机飞控与GNSS(全球导航卫星系统)，在复杂的环境下实现厘米级精度定位，以确保无人机飞行的稳定性。无人机电网全域覆盖巡检流程如图4所示。

图4 无人机电网全域覆盖巡检流程

利用无人机可实现三维空间飞行、空中悬停和云平台遥控等功能，将其应用于电网全域覆盖巡检，具有良好的稳定性和安全性。利用云平台遥控[9]，可以实时查看无人机实时飞行状态和位置信息。电网全域覆盖巡检方案工作原理如下。

该无人机电网全域覆盖巡检程序基于北斗星基增强技术，利用无人机GPS信息对航线进行组合导航，再利用无人机INS技术分析出差分GPS信息，最终实现差分GPS信息的组合导航，以此得出无人机在电网系统中的精准位置[15]。利用区域基准站对无人机进行航点跟踪，得知无人机的航线规划，把无人机的实时位置与目标位置信息进行对比[10-12]。如果两个位置接近重合且误差在可控范围内，说明无人机已经到达目标杆塔位置，保持空中悬停，转动无人机云台远程控制，对杆塔和绝缘子进行扫描与拍照，拍照完成储存后再飞向下一个目标点。如无人机实时位置不在目标位置范围内，那么需要继续利用导航信息寻找航点信息，直到发现目标点再进行上述操作。

综上所述，根据北斗地基增强技术原理，将电网地面基准站进行网格化定位，设计了无人机电网全域覆盖巡检程序，实现了无人机电网全域覆盖的巡检。

2 实验对比分析

为了验证基于北斗星基增强技术的无人机电网全域覆盖巡检方法在精度和巡检全面性方面的性能，采用文献[1]方法和文献[2]方法做对比，设置了如表1所示的仿真参数。

表1 仿真参数

三种巡检方法的巡检精度测试结果如图5所示。

受到实验样本与实验环境的限制，测试次数最多为30次。由此，从图5的测试结果可以看出，采用文献[2]方法来对电网进行全域覆盖巡检时，巡检精度达到了84.5%，并且在第10次实验到第20次实验过程中，巡检精度出现了很明显的下降，第20次试验之后，虽然有上升的趋势，但是幅度很小；采用文献[1]方法来对电网进行全域覆盖巡检时，巡检精度只有76.8%，随着实验测试次数的增加，实验结果出现了很大幅度的波动；然而采用基于北斗星基增强技术的无人机电网全域覆盖巡检方法来对电网进行全域覆盖巡检时，巡检精度高达93.4%，与其他两种无人机电网全域覆盖巡检方法相比，无人机电网全域覆盖巡检的精度分别提高了8.9%和16.6%，具有一定的优势。

图5 巡检精度测试结果

三种巡检方法的巡检率测试结果如图6所示。

图6 巡检率测试结果

从图6的结果可以看出，基于北斗星基增强技术的无人机电网全域覆盖巡检方法在对电网进行全域覆盖巡检时，全域覆盖巡检率始终高于其他两种无人机电网全域覆盖巡检方法，说明该方法在巡检过程中，可以提高电网巡检的全面性，扩大了电网全域覆盖巡检范围，即可以实现全域覆盖，从而大大提高了巡检率。

3 总结

本文提出了基于北斗星基增强技术的无人机电网全域覆盖巡检方法，通过提取无人机电网全域覆盖图像特征，规划了无人机电网全域覆盖巡检航线，结合北斗地基增强技术原理，设计了无人机电网全域覆盖巡检程序，实现了无人机电网全域覆盖的巡检。结果显示，该巡检方法在精度和全面性方面具有很大优势。