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摘要：本文着重研究介绍了基于无人机集成小型激光雷达的输电线路通道排查技术的关键技术，结合无人旋翼机及轻小型激光雷达对输电线路进行了巡检试验，获得高精度、高密度点云数据和高清数码影像，通过全自动净空排查算法设计激光雷达电力巡检软件对输电线路通道进行排查，验证了无人机集成小型激光雷达巡检作业高效率、高质量的优点。为输电线路巡检提供了一种新的智能化、可视化巡检技术手段。
关键词：无人旋翼机；轻小型激光雷达；通道排查
引言
直升机搭载大型激光雷达设备进行电力巡检，是近年来电力巡检常用的方式，采用激光雷达测绘可获取电力线路走廊的激光点云及影像信息，通过激光点云即可精确量测线路的空间距离，对线路进行巡检分析。但直升机巡检存在成本高和空域申请周期长等问题。如何将激光雷达系统做小做轻，并将之搭载在各种小型无人机上进行巡检作业，保证巡检作业的安全性、可靠行和数据质量是本次研究的重要内容。
1.航飞参数分析
1.1 系统组成
输电线路的通道排查系统由无人机多旋翼搭载平台、机载激光雷达及数据处理软件 组成，组成框图如图1所示
图1 通道排查系统组成框图
a）多旋翼无人机搭载平台
多旋翼无人机系统包括多旋翼无人飞行器系统及地面站系统。
多旋翼无人飞行器系统以UMR为主体（机体、起落架和旋翼），搭载电源、飞行控制系统和任务设备构成。电源多为聚合物锂电池，提供飞行器动力；飞行控制系统保证UMR自主完成稳定飞行、自主转弯及悬停动作，由IMU+GPS组成。
地面站系统由遥控系统地面端、无线影像数据传输系统地面端、飞行监控系统、影像监控系统和输电线影像巡检综合诊断系统构成。
b）轻小型机载激光雷达系统
机载激光雷达系统主要激光扫描仪（Scanner）、全球定位系统（GPS）和惯性导航系统（IMU）高分辨率数码相机以及控制及存储单元组成。
激光扫描仪主要由高重频激光器组件（激光器、驱动电源）、发射与接收光路（扩束、准直、聚焦）、扫描光机电组件（三棱镜、电机、电机驱动器及编码器）、光电接收与信号调理（发射端激光接收与光电转换；激光回光接收与光电转换及相应信号调理）、控制与数据采集存储（高精度时间间隔测量、嵌入式控制计算机）等组成。用来测定激光雷达信号发射参考点到地面激光脚点的距离。
定位定姿组合系统（POS）采用 SPAN技术（GPS+INS组合）的SPAN-CPT，系统由光纤陀螺（FOG）和微机械（MEMS）加速度计组成。获取运动过程中的经纬度信息和R、P、H三个瞬时姿态角。定位定姿系统通过把TTL信号按1秒为周期向激光扫描仪发送信号，完成时间记录。
高分辨率数码相机获取地面和线塔的高清数字影像信息。
控制及存储单元包括控制计算机CPU、板卡、内置电子盘、外置电子盘，并设计各个参数一键设置功能、自动实时记录位置数据、姿态数据、扫描仪的测距测角数据和数码相机快门时间信号。
整个系统通过对安装架优化设计、电磁兼容优化设计，重量只有7kg（含电池），外形尺寸只有350 mm×240 mm×200 mm大小。为了使该小型激光雷达能够满足各种电力通道所涵盖的地形，特别是高植被、高落差区域的使用环境要求，除了IMU和高清数码相机以外，我们在进行综合考虑系统的保温散热性能、电磁兼容性、高抗电磁干扰性和高可靠性的同时，使激光雷达扫描仪、控制及存储单元以及系统整体布局紧凑、轻便。
c）数据处理软件
数据处理软件将三维点云数据结合POS系统获取的位置及姿态数据形成具有坐标信息的三维点云信息，经过后处理后生成数字高程模型DEM；再融合经TTL同步具有时间信息的影像，生成数字正射影像DOM。基于DEM和DOM可以生成线路走廊三维地形、地貌立体图形。
1.2巡检设备及参数
a）无人机选择
随着复合材料技术、计算机技术、电子技术、空气动力学理论和控制技术的发展和完善，能源和环境保护等需求，旋翼机具有载重重量有所提升、供电为电池供电、巡航时间较久、飞行速度慢等优势。经过对旋翼机多次假负载试验，得到旋翼机具备近距离采集数据、安全性高、巡航时间基本满足巡检作业需求的要求。因此本文用无人旋翼机作为小型激光雷达飞行平台进行巡检试验。
b）小型激光雷达选择
输电线路着重关注线塔设备层和地表附着物层数据信息，电压等级不同则杆塔塔身高度不同，通常在100m以内。选用重量轻、体积小，适合无人机搭载平台的小型机载激光雷达系统，本文选择某公司的轻小型机载激光雷达系统，具有重量轻、体积小、数据精度高、设备利用率高的特点。其重量仅7kg左右，外形大小约350mm×240mm×200mm，设备布局紧凑、轻便。
根据机载激光雷达的工作原理，该系统通过激光扫描仪不断地发送激光脉冲测量出扫描仪中心到地面光斑的距离 和记录旋转棱镜的瞬时扫描角度 ，同时DGPS和IMU确定扫描仪的瞬时空间坐标（ ）和空间姿态角（ ），根据这些参数可以确定WGS84坐标下的地面激光点的空间坐标，通过差分GPS确定激光器的位置坐标；假设各个误差相互独立，根据对定位坐标的定位误差进行整体效果分析并在分析中只取一次项后利用误差传播理论，可得激光雷达定位精度。
当飞行高度很低时，影响精度最大因素是移动GPS的定位精度；在飞行高度变高时，影响精度的主要因素是惯导的姿态精度。
根据理论计算得到精度及点云密度：
影响数据成果质量的激光雷达系统设置参数包括扫描转速，激光重频，数码相机拍摄时间间隔。影像数据成果的飞行参数包括飞行高度、飞行速度等参数。
2.数据采集
根据实际作业的需求，充分了解作业区的实际情况，包括地形和地貌、输电线路属性、起降场的位置、已有资料的情况、气象条件等，结合系统自身的特点，进行航线设计、架设GPS基站、电动旋翼机作业、采集数据、检查数据。
3数据处理
激光雷达系统获取的原始数据包括原始激光点云数据、原始数码影像、惯性导航（IMU）数据、机载GPS数据、地面基站GPS数据。对机载激光雷达获取的数据处理技术路线如下图所示2所示。
图2 机载激光雷达获取的数据处理技术路线
数据处理包括数据预处理和数据后处理。数据预处理是对的激光点云数据大地定向和计算影像外方位元素；数据后处理是在预处理的基础上经过点云去噪、应用迭代线性最小二乘内插、移动曲面拟合等滤波算法精细点云分类，快速自动分离出精细的地面点及分类后的多类别点云数据（图3），高精度高密度点云数据用于后期各电力设施精细建模。通过对精细的地面点构建不规则三角网格TIN即可快速生成DEM数据，去噪后的所有地物点即可快速生成DSM。使用精细分类的地面点对数码影像单张正射纠正，通过镶嵌匀色即可生成高分辨率正射影像DOM。
图3 精细分类点云数据
4净空通道排查
针对激光雷达扫描得到的输电线路三维点云数据，在对象分类的基础上，设计一个全自动的净空排查算法，以确定输电线路与周围地物是否有过于接近的情况。由于净空排查的基本算法相当耗时，故采用了包围盒、循环调整、降维、多分辨率、并行运算等措施，对基本算法作了7级优化，使算法速度提高超过20000倍，最终达到亚秒级的耗时。
根据算法，按照《DLT 741-2010 架空输电线路运行规程》相关要求，开发“激光雷达电力巡线”通道排查软件，软件的运行流程图如下：
图4 通道排查软件运行流程
“激光雷达电力巡线”软件界面简单清晰，默认含有三个窗口界面，分别显示通道侧视，俯视及可自由旋转的主界面。可设置净空距离，自动排查危险点显示在界面中并生成报告，包含危险类型，坐标位置，净空距离及塔杆区间。通道排查报告如图5、图6所示
5结论与分析
通过应用无人机小型激光雷达系统在输电线路中通道排查试验，充分验证了无人旋翼机载小型激光雷达系统的在输电线路排查中的可行性、先进性及高效性。通过将小型机载激光雷达系统搭载在无人机上能够快速灵活响应电力线路通道排查工程需求，高效获取输电线路及走廊高精度三维激光点云和真彩色影像数据，且数据精度高，能进行多维度的立体巡检，采用全自动净空排查算法进行的通道排查技术快速对通道内危险点检查生成具有具体坐标位置危险点报告，对故障和缺陷进行更加准确的判断与定性，提高电力线路通道排查效率，为线路通道排查提供了一种高效、智能化的排查技术手段。
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论文作者:杨莹1,李金戈1,潘文武2
论文发表刊物:《电力设备》2017年第35期
论文发表时间:2018/5/14
标签：激光论文; 数据论文; 系统论文; 通道论文; 无人机论文; 线路论文; 旋翼机论文; 《电力设备》2017年第35期论文;