引言

近幾年,作為新興的巡檢工具,無人機已憑借其機動靈活、成本低、環(huán)境要求低、便于攜帶和運輸、可帶電作業(yè)、不受地形限制等諸多優(yōu)勢,在輸電線路的日常巡檢與精細化巡檢作業(yè)中得到了廣泛應用。國網(wǎng)公司于2015年在公司范圍內(nèi)開始全面推廣小型多旋翼無人機和固定翼無人機巡檢:南方電網(wǎng)公司于2015年成立機巡中心,重點發(fā)展電力無人機應用能力,發(fā)布標準體系,開展核心技術(shù)攻關工作。我國輸電線路巡檢由此逐漸形成了"機巡為主、人巡為輔"的運維管理新模式,也推動了輸電線路無人機作業(yè)安全管控、缺陷智能識別等關鍵技術(shù)的研究和應用。

但隨著這些技術(shù)的應用,人工操控要求高、空間定位精度不高、智能化程度低等問題逐漸顯現(xiàn)了出來,再加上輸電線路所在地域、地貌及各種自然因素的影響,對運維人員的飛行操控技能要求也越來越高,無人機巡檢開始面臨運維人員不敢飛、不愿飛等問題。基于此,以載波相位差分定位技術(shù)（RTK）為支撐,首先由人工操控無人機開展線路飛巡,然后利用無人機記錄的航線軌跡將航拍軌跡點精確的經(jīng)緯度、海拔高度和攝像頭俯仰角度等信息提取出來,進行無人機航線規(guī)劃,即可據(jù)此進行無人機自主巡檢,實現(xiàn)無人機巡檢的規(guī)范化和標準化作業(yè)。

1無人機自主巡檢原理

傳統(tǒng)的無人機巡檢,由人工操控無人機對桿塔及線路各部件進行近距離高清拍攝。但因地面無人機操控人員的視角不同,無法進行精確定位,工作效率較低,且會因定位精度影響無人機巡檢圖像和線路設備檢測的有效性。

輸電線路無人機自主巡檢,首先需要規(guī)劃出相應的飛行航線。無人機航線由一系列航點構(gòu)成,航線規(guī)劃的實質(zhì)就是航點設計及巡檢點坐標設計。無人機飛巡時,無人機控制系統(tǒng)會記錄GPS、驅(qū)動系統(tǒng)和飛控信息。利用飛控信息可重新構(gòu)建無人機巡檢的航線軌跡,且能利用航拍時記錄的時間和控制系統(tǒng)相關記錄,確定各航拍點的高精度位置信息及攝像頭的參數(shù)設置。然后,將無人機航跡和航拍點設置為控制點,同時根據(jù)無人機平臺的編程接口（API）函數(shù),對各控制點按順序進行設置,并在航拍點對攝像頭進行參數(shù)調(diào)整和設置,最終就能進行無人機高精度飛巡和航拍,實現(xiàn)無人機自主精細化巡檢。

無人機自主巡檢的流程如圖1所示。

2基于差分定位的無人機自主巡檢

基于復現(xiàn)人工操控的無人機自主巡檢關鍵技術(shù)在于精確的空間定位。傳統(tǒng)的無人機巡檢主要基于GPS導航定位,但因需要計算三維位置及偏差,在使用過程中至少需要4顆衛(wèi)星。其優(yōu)勢是:觀測時間短、提供三維坐標、操作簡便、全天候工作、功能多、成本低。但該技術(shù)也存在弊端,它可能因為各種原因產(chǎn)生定位誤差。例如,衛(wèi)星星載時鐘和接收機上的時鐘并不能始終保持同步,這就會造成時間上的偏差信號:如果在傳播過程中受到大氣層和各種障礙物的反射,信號傳播路徑就可能變長,造成測距誤差等。這類定位誤差較大,精度一般在米級,甚至有時會超過10m,因此難以進行高精度定位的無人機自主巡檢。

差分GPS技術(shù)利用地面設置的GPS基準站,對比分析接收機解算的基準站位置和基準位置,可得到當?shù)谿PS接收機定位誤差,將該定位誤差發(fā)送至流動的GPS接收站,無人機即可利用該誤差對自身位置進行實時修正,以獲得高精度定位。獲取定位誤差的方法包括位置差分法、載波相位測量法和偽距測量法。

RTK是Real-time3ikematin的縮寫,即實時動態(tài),又稱載波相位差分技術(shù),這是一種新的常用的GPS測量方法,它能夠?qū)PS系統(tǒng)的定位誤差縮減到厘米級。

2.1RTK差分定位技術(shù)

RTK差分定位技術(shù)的原理和偽距差分技術(shù)的原理相同。用戶站通過基準站的數(shù)據(jù)鏈同步實時獲取載波觀測量和站坐標信息,根據(jù)其接收的GPS衛(wèi)星載波相位和基準站載波相位可獲得相位差分觀測值,然后進行實時處理,就能得到實時的厘米級高精度定位結(jié)果。載波相位差分GPS方法一般分為兩種:差分法及修正法。修正法與偽距差分原理相同,用戶站通過基準站獲得載波相位修正量,修正自身載波相位,并進行坐標求解。差分法則是將基準站獲得的載波相位發(fā)送給用戶站進行求差,獲得解算坐標。修正法可稱為準RTK技術(shù),差分法才是真正的RTK技術(shù)。

但當無人機飛行至變電站、鐵礦等干擾性較強的區(qū)域時,即使是采用RTK定位,強磁場干擾仍會導致無人機電子羅盤無法準確判斷航向,使無人機懸停位置偏移。針對該情況,則可將無人機RTK定位技術(shù)與雙天線測向技術(shù)相結(jié)合。原有的無人機RTK定位采用一根天線,智能獲取基準站和流動站的位置關系,不能準確提供流動站的航向信息。雙天線測向技術(shù)則是在原來的基礎上再增添一根天線,流動站分別接收解算兩路信號,并將其中一路天線的數(shù)據(jù)作為基準,向另一路天線發(fā)送解算修正信息,實現(xiàn)天線2與天線1的相對精準定位,獲取兩根天線的相對矢量。經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后,基于該矢量,無人機可獲取高精度的位置和航向信息。目前,大疆(cJ1）創(chuàng)新提出的c-RTK高精度導航定位技術(shù)就是采用的該技術(shù)。

2K2巡檢流程

2.2.1RTK連接

RTK分常規(guī)型和網(wǎng)絡型兩類。常規(guī)RTK利用流動站和基準站實現(xiàn)差分定位,但受限于兩站之間的距離,常規(guī)RTK已無法滿足定位精度要求。網(wǎng)絡RTK利用多個基準站構(gòu)成一個基準站網(wǎng)來獲取高精度的定位結(jié)果,例如目前已投入使用的千尋網(wǎng)絡RTK。實際應用過程中,在確定需要無人機自主巡檢的桿塔后,需要選擇通信和GPS等信號良好的位置連接網(wǎng)絡RTK,以便于后續(xù)作業(yè)識別。

2.2.2建立航線

(1）選擇合理的無人機起降場地,并基于自主巡檢軟件對航點信息進行記錄:

(2）人工操控模式下,操控無人機從起降點起飛,懸停至合適的高度,并記錄航點信息;

(3）無人機由懸停點水平飛抵桿塔合適距離時,飛手按照相關巡檢規(guī)定要求,操控無人機在桿塔各巡檢點進行拍攝,并記錄各航點信息;

(4）當完成最后一個巡檢點的拍照后,人工操控無人機上升至安全返航的高度,并懸停、記錄該航點信息:

(5）操控無人機水平飛行至起降點正上方,懸停并記錄該航點信息:

(6）操控無人機在起降點著陸,并設置各航點參數(shù)信息,完成該基桿塔自主精細化巡檢航線的規(guī)劃和存檔,如圖2所示。

圖2無人機自主精細化巡檢航線

2.2.3自動巡檢

首先調(diào)用桿塔航線,上傳至無人機巡檢系統(tǒng);然后點擊"執(zhí)行"指令,無人機即可根據(jù)航線設置進行桿塔精細化巡檢,其轉(zhuǎn)向、移位、云臺相機對焦、變焦和拍照等動作均是自動進行:最后,待巡檢完成,無人機會自動降落至起降點并停機。

3無人機自主巡檢應用分析

為驗證輸電線路桿塔精細化自動巡視的可行性,采用大疆經(jīng)緯M210-RTK多旋翼無人機對某10003V電壓等級輸電線路進行自動化巡視,其中,M210-RTK搭載的相機云臺為ZENMUSEX5S相機。

圖3為水平飛行速度為5m/S時,無人機自動巡檢模式下拍攝的輸電桿塔地線掛點照片:圖4為水平飛行速度為1.8m/S時,無人機自動巡檢模式下拍攝的輸電桿塔地線掛點照片:圖5為水平飛行速度為2m/S時,同一天同一地點相同外部環(huán)境條件下,不同時間點無人機自動巡檢模式下拍攝的輸電桿塔中相導線下端懸垂掛點照片。

由此可知,自動巡檢模式下,多旋翼無人機能夠根據(jù)人工操控打點規(guī)劃的航線完成既定的輸電線路巡檢任務,且拍攝的照片能夠滿足線路巡檢要求。

但對比圖5(a）和(b）可知,即使在相同條件下,無人機進行輸電桿塔自動化巡視時仍存在一定的誤差,且由圖3、圖4可知,誤差還會受無人機飛行速度、氣象、網(wǎng)絡信號等外部條件的影響。因此,為提高輸電線路巡檢質(zhì)量,在進行線路桿塔自主精細化巡檢時需要設置一定的容錯空間,否則可能會因誤差使得無人機拍攝的目標不在畫幅范圍內(nèi)。

4結(jié)語

本文基于RTK差分定位技術(shù)原理,提出了一種輸電線路無人機自主精細化巡檢方法。通過對大疆M210-RTK無人機進行桿塔精細化自動巡視的巡檢圖像對比分析可知,盡管受飛行速度、氣象、網(wǎng)絡信號等外部環(huán)境影響,基于RTK差分定位的無人機定位精度存在一定誤差,但誤差較小,且通過人機結(jié)合的方式,即使在強電磁場環(huán)境下,無人機搭載RTK也能夠安全、準確、高效地完成定點拍攝任務,實現(xiàn)輸電線路無人機自主巡檢作業(yè)。