引言

輸電線路是電力系統(tǒng)中最為基礎(chǔ)也最為重要的一個(gè)部分,目前我國(guó)的輸電線路分成兩種類型,一種是電纜,另一種是架空線路。在這兩種類型中,架空線路是現(xiàn)階段高電壓等級(jí)輸電線路中最為主要也最為廣泛應(yīng)用的一種類型。在輸電線路設(shè)計(jì)過程中,會(huì)根據(jù)實(shí)際情況以及具體的操作過程選擇使用電纜線路或是架空線路。我國(guó)電網(wǎng)的輸電線路絕大部分都是架空類型,但不論是架空線路還是電纜,一旦出現(xiàn)問題,就會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)局部停電,甚至大范圍停電。與此同時(shí),現(xiàn)階段架空線路建設(shè)過程中還存在著各種問題,比如架空線路建設(shè)外部空間不夠大、防雷技術(shù)不夠完善等。為使輸電線路建設(shè)過程中更加安全且建成后受外界因素影響較小,必須要在線路建設(shè)前對(duì)線路周圍的環(huán)境進(jìn)行調(diào)查,最終選擇一個(gè)合適的路徑。

目前,無人機(jī)正逐漸被用于電力系統(tǒng)的各個(gè)方面。本文針對(duì)線路設(shè)計(jì)過程中采用無人機(jī)勘測(cè)提出了一種無人機(jī)航跡實(shí)時(shí)測(cè)量方案。

1線路設(shè)計(jì)時(shí)的勘測(cè)

通常,涉及輸電線路建設(shè)的工程規(guī)模較大,線路建設(shè)的長(zhǎng)度較長(zhǎng),因此在線路的規(guī)劃設(shè)計(jì)階段,除了保證整體布局的合理性以外,在針對(duì)路徑進(jìn)行具體設(shè)計(jì)時(shí),還要盡可能從多個(gè)角度出發(fā)對(duì)其進(jìn)行綜合考量。在對(duì)輸電線路的具體路徑進(jìn)行規(guī)劃時(shí),應(yīng)結(jié)合實(shí)際地理情況及單位長(zhǎng)度線路建設(shè)成本,盡可能錯(cuò)開復(fù)雜的地理環(huán)境,比如高山、森林等。在確定輸電線路運(yùn)行安全穩(wěn)定性的過程中,要保證能夠避開一些重度污染區(qū)域,為線路運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性提供有力保障。

同時(shí),在項(xiàng)目施工階段,還要做好在施工范圍內(nèi)的具體施工環(huán)境調(diào)查。不同的施工環(huán)境會(huì)對(duì)項(xiàng)目產(chǎn)生不同的影響,帶來不同的安全隱患。一般而言,主要有以下幾種常見的情況及對(duì)策:

(1)施工現(xiàn)場(chǎng)周圍有較高的建筑物,這種情況下要保證線路與建筑物之間保持一定的安全距離,避免發(fā)生危害生命安全的重大事故。

(2)施工現(xiàn)場(chǎng)周圍各種動(dòng)植物較多,這種情況需要提前考慮線路架設(shè)會(huì)碰到的問題,如飛禽停留對(duì)其造成的影響。

(3)施工處非?？諘?這種情況下只需考慮雷電帶來的影響,并采取相應(yīng)的防雷措施即可。

當(dāng)不可避免地遇到復(fù)雜的地理環(huán)境時(shí),可采用無人機(jī)來

勘測(cè)地形。無人機(jī)以其靈活性和適應(yīng)性,在項(xiàng)目施工勘探方面極大地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)測(cè)繪方式的不足,不僅節(jié)省了大量人力、物力,確保了人們?cè)诳碧竭^程中的安全,并且可以結(jié)合現(xiàn)有的電腦技術(shù),使項(xiàng)目在前期設(shè)計(jì)時(shí)就提前避免一些錯(cuò)誤,使施工線路設(shè)計(jì)更加合理,確保項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性以及設(shè)計(jì)的可行性。

2無人機(jī)飛行航跡實(shí)時(shí)測(cè)量原理及方案

2.l無人機(jī)飛行航跡實(shí)時(shí)測(cè)量原理

完成勘測(cè)任務(wù)的核心是航跡規(guī)劃,無人機(jī)三維航跡規(guī)劃即在綜合考慮三維地形、無人機(jī)任務(wù)執(zhí)行時(shí)間和巡航時(shí)間、飛行區(qū)域限制等多重因素的前提下,為無人機(jī)規(guī)劃滿足現(xiàn)實(shí)條件的高效的飛行航跡,以確保巡檢任務(wù)安全順利地執(zhí)行。有效的巡檢路徑可保障飛行滿足無人機(jī)自身的各項(xiàng)約束條件,圓滿完成巡檢任務(wù)。

根據(jù)飛行航跡實(shí)時(shí)測(cè)量所需條件確定測(cè)量系統(tǒng)由四部分組成:測(cè)量站點(diǎn)、光端機(jī)、綜合處理平臺(tái)、無人機(jī)標(biāo)志物。

各測(cè)量站點(diǎn)由攝像機(jī)、固定支架、保護(hù)罩三部分組成。攝像機(jī)用于獲取無人機(jī)影像,測(cè)量站點(diǎn)形成測(cè)量控制網(wǎng),每個(gè)攝影測(cè)量控制網(wǎng)為兩個(gè)攝像機(jī)視場(chǎng)重疊區(qū)域,只要無人機(jī)出現(xiàn)在攝影測(cè)量控制網(wǎng)內(nèi),就可以采用攝影測(cè)量原理解算出其空間坐標(biāo)。保護(hù)罩為全封閉式,用于系統(tǒng)閑置時(shí)保護(hù)攝像機(jī),每次測(cè)量結(jié)束后都應(yīng)先將攝像機(jī)鏡頭保護(hù)蓋蓋好,然后再打開保護(hù)罩。固定支架主要用于固定攝像機(jī),保證攝像機(jī)在工作時(shí)位置和姿態(tài)不發(fā)生改變。固定支架上配有氣泡水準(zhǔn)器,氣泡水準(zhǔn)器可以保證安裝時(shí)的水平度,并用來驗(yàn)證支架是否發(fā)生位移。

HD-sDI在普通sYV-75-5電纜上的傳輸距離只有百米左右,使其應(yīng)用受到很大限制。為解決HD-sDI高清信號(hào)源遠(yuǎn)距離傳輸出現(xiàn)的問題,如信號(hào)偏色、模糊,信號(hào)產(chǎn)生重影和拖尾及網(wǎng)紋干擾等,需選用合適的光端機(jī),包括光發(fā)射機(jī)和光接收機(jī),其中光發(fā)射機(jī)可實(shí)現(xiàn)視頻信號(hào)在光纖上的無損傳輸,光接收機(jī)可實(shí)現(xiàn)視頻信號(hào)在光纖上的無損接收。

綜合處理平臺(tái)由工控機(jī)和高清視頻采集卡組成,其中,高清視頻采集卡負(fù)責(zé)8個(gè)測(cè)量站點(diǎn)視頻數(shù)據(jù)的采集,工控機(jī)上包含有數(shù)據(jù)記錄軟件和數(shù)據(jù)處理軟件。數(shù)據(jù)記錄軟件基于高清采集卡sDK每隔1s對(duì)所有通道的數(shù)據(jù)進(jìn)行拍照記錄,待數(shù)據(jù)記錄完畢后運(yùn)行數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行影像數(shù)據(jù)的處理,具體包括無人機(jī)識(shí)別檢測(cè)及像點(diǎn)坐標(biāo)量測(cè)、直升機(jī)三維位置解算等。

2.2無人機(jī)飛行航跡實(shí)時(shí)測(cè)量方案

無人機(jī)航跡測(cè)量需進(jìn)行無人機(jī)像素點(diǎn)識(shí)別、攝像機(jī)檢校、外場(chǎng)標(biāo)定、攝像機(jī)外方位元素測(cè)定、物方點(diǎn)空間位置解算以及軟件設(shè)計(jì)。其中,系統(tǒng)軟件主要指綜合處理平臺(tái)上的綜合處理軟件,綜合處理軟件主要分5個(gè)模塊:數(shù)據(jù)采集模塊、外方位元素解算模塊、直升機(jī)識(shí)別模塊、位置解算模塊、位置顯示模塊。

2.2.1數(shù)據(jù)采集模塊

測(cè)量站點(diǎn)通過光端機(jī)傳輸?shù)母咔逡曨l經(jīng)采集卡采集,可以進(jìn)行顯示、記錄,由于無人機(jī)飛行速度較慢(≤10m/s),考慮到sDI視頻數(shù)據(jù)幀頻為25Hz,可將數(shù)據(jù)采集周期設(shè)為100ms,即綜合處理平臺(tái)每隔100ms對(duì)測(cè)量站點(diǎn)的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行拍照存儲(chǔ),以供后續(xù)處理。

2.2.2外方位元素解算模塊

每一個(gè)測(cè)量站點(diǎn)在進(jìn)行工作前都需要運(yùn)行外方位元素解算模塊,外方位元素解算分為兩個(gè)過程,首先是攝像機(jī)影像上的控制點(diǎn)識(shí)別與像素坐標(biāo)測(cè)量,然后是根據(jù)共線方程反求外方位元素。

2.2.3直升機(jī)識(shí)別模塊

每個(gè)測(cè)量站點(diǎn)記錄的數(shù)據(jù)都為時(shí)間上連續(xù)的影像序列,由于影像分辨率較大,整幅影像的匹配識(shí)別較為復(fù)雜,可以采用檢測(cè)影像增量(即當(dāng)前幀減去參考幀)的方法,當(dāng)出現(xiàn)影像增量的時(shí)候,在出現(xiàn)增量的區(qū)域進(jìn)行特征提取,如果該區(qū)域有紅色的圓形特征被提取出來,則視為直升機(jī)出現(xiàn)在該測(cè)量站點(diǎn)視場(chǎng)內(nèi)。當(dāng)直升機(jī)被識(shí)別出來后,就可以根據(jù)提取出的特征計(jì)算直升機(jī)質(zhì)心的像素坐標(biāo)。當(dāng)同一組的兩個(gè)測(cè)量站點(diǎn)的影像增量都不為0時(shí)就可以將兩幅影像進(jìn)行同名點(diǎn)匹配,匹配可以直接截取出現(xiàn)影像增量的一塊區(qū)域進(jìn)行,完成匹配并計(jì)算出同名點(diǎn)的像素坐標(biāo)后,即可運(yùn)行位置解算模塊。

2.2.4位置解算模塊

位置解算模塊只會(huì)運(yùn)行在同一組的兩個(gè)測(cè)量站點(diǎn)同時(shí)出現(xiàn)影像增量的時(shí)候,它是基于兩張影像上同名點(diǎn)的共線方程(四個(gè)方程式解算三個(gè)未知數(shù))的一種最佳擬合逼近方法,在計(jì)算得到物方點(diǎn)空間坐標(biāo)的同時(shí)還能得到該計(jì)算結(jié)果的誤差系數(shù)。當(dāng)無人機(jī)同時(shí)出現(xiàn)在兩組測(cè)量站點(diǎn)的攝影測(cè)量控制網(wǎng)時(shí),必然會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)不同的計(jì)算結(jié)果,攝影距離近的測(cè)量站點(diǎn)計(jì)算精度更高,因此最終輸出結(jié)果為距離近的測(cè)量站點(diǎn)計(jì)算結(jié)果。

2.2.5位置顯示模塊

位置顯示模塊負(fù)責(zé)直升機(jī)位置的顯示,即把直升機(jī)的位置按時(shí)間顯示出來并加以記錄。綜合處理平臺(tái)分主、從兩個(gè),從綜合處理平臺(tái)上不運(yùn)行位置顯示模塊,在完成位置解算后直接將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)線傳遞給主綜合處理平臺(tái),主綜合處理平臺(tái)接收到此數(shù)據(jù)后再運(yùn)行位置顯示模塊。

以10個(gè)站點(diǎn)為例,整個(gè)軟件的運(yùn)行過程如圖1所示。

2.2.6數(shù)據(jù)延時(shí)分析

本方案采用的攝像機(jī)為定焦鏡頭、手動(dòng)光圈,測(cè)量站點(diǎn)使用相同型號(hào)配置的攝像機(jī),因此不會(huì)出現(xiàn)因相機(jī)拍攝場(chǎng)景不同而產(chǎn)生的攝像機(jī)成像積分時(shí)間差異。

攝像機(jī)如距綜合處理平臺(tái)較遠(yuǎn),其輸出的sDI視頻需經(jīng)過光端機(jī)傳輸至綜合處理平臺(tái),光端機(jī)需要將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)為光信號(hào),然后再將光信號(hào)還原為數(shù)字信號(hào),這兩次轉(zhuǎn)換都會(huì)產(chǎn)生一定的延遲。經(jīng)實(shí)際測(cè)定,光端機(jī)信號(hào)轉(zhuǎn)換延時(shí)約為50ms,以無人機(jī)最大飛行速度I0m/s計(jì)算,在該延時(shí)內(nèi)無人機(jī)已移動(dòng)0.5m,在最遠(yuǎn)距離240m的情況下,像素誤差都有5個(gè)像元,因此,本文中進(jìn)行位置解算時(shí)只能按組解算,而同一組攝像機(jī)的sDI信號(hào)傳輸方式必須保持一致。

3試驗(yàn)分析

3.1站點(diǎn)布設(shè)

在給定攝影機(jī)的條件下,以正直攝影方式拍攝尺寸為Ax的物體,B為攝影基線,則有如下關(guān)系式:

如圖2所示,H為攝影距離,本文取I00m:f為攝影機(jī)主距,本文取17mm:a為8.8mm?？紤]到在100m測(cè)量范圍內(nèi)的站點(diǎn)布設(shè)密度,基線應(yīng)盡可能長(zhǎng),但要考慮重疊度,故取基線B為37m,重疊度為48%,沿著飛機(jī)航向需要布設(shè)4個(gè)測(cè)量站點(diǎn),如圖3所示。

本文在一個(gè)長(zhǎng)250m、寬I80m的區(qū)域測(cè)試無人機(jī)的實(shí)時(shí)航線。本文設(shè)計(jì)的I8個(gè)相機(jī)在設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)了二度重疊I00%覆蓋以及三度重疊50%覆蓋。如圖4所示,相機(jī)I~7覆蓋了區(qū)域中間60m寬的區(qū)域,相機(jī)12~18覆蓋了區(qū)域下方60m寬的區(qū)域,相機(jī)8~11覆蓋了區(qū)域上方60m寬的區(qū)域。區(qū)域中部的兩個(gè)全站儀觀測(cè)點(diǎn)用于坐標(biāo)系統(tǒng)的定義,在每個(gè)相機(jī)右前方(或者左前方)3m處的全站儀用于單個(gè)相機(jī)的外定向。

由于相機(jī)和主控計(jì)算機(jī)的距離很遠(yuǎn),在300m左右,因此采用光纖代替網(wǎng)線,采用光纖傳播的軟觸發(fā)代替串口線傳播的硬觸發(fā),經(jīng)過測(cè)試同步時(shí)間可以控制在毫秒級(jí)。

主控計(jì)算機(jī)采用3臺(tái)計(jì)算機(jī),3臺(tái)計(jì)算機(jī)之間采用定時(shí)裝置來控制同步觸發(fā)。計(jì)算機(jī)的總硬盤空間為6TB,可以存儲(chǔ)10h以上的數(shù)據(jù)。

相機(jī)與工控機(jī)連接關(guān)系如圖5所示。

3.2近景攝影測(cè)量的解算

在近景攝影測(cè)量中,一般利用大量的控制點(diǎn)采用DLT算法直接解算出相機(jī)的外方位元素和待測(cè)點(diǎn)的空間坐標(biāo)。但在本方案中,由于目標(biāo)在空中飛行,無法獲得具有絕對(duì)位置信息的控制點(diǎn),只能采取相對(duì)控制的方式進(jìn)行解算。

該方案中相對(duì)控制的方式是在布設(shè)完人工標(biāo)志點(diǎn)后,直接以飛機(jī)的質(zhì)心為原點(diǎn),以機(jī)身方向?yàn)樽鴺?biāo)軸建立空間直角坐標(biāo)系,測(cè)定人工標(biāo)志在該坐標(biāo)系中的坐標(biāo)(x,y,:),則有以

下公式:

式中,(X,y,Z)為人工標(biāo)志點(diǎn)的物方空間坐標(biāo):(X+,y+,Z+)為飛機(jī)質(zhì)心的物方空間坐標(biāo):R為飛機(jī)姿態(tài)角所組成的旋轉(zhuǎn)矩陣。

將上述公式加入共線方程組,可以看出在雙像前方交會(huì)解算過程中方程未知數(shù)包括直升機(jī)的實(shí)時(shí)位置姿態(tài),共計(jì)6個(gè)未知數(shù),至少需要0對(duì)同名像點(diǎn)2個(gè)方程式才能進(jìn)行解算。

對(duì)于圖像中無人機(jī)的提取與位置計(jì)算,首先通過背景差分和二值化獲得運(yùn)動(dòng)目標(biāo)區(qū)域,然后使用連通域搜索獲得運(yùn)動(dòng)目標(biāo)連通域,使用連通域大小和包圍盒寬度、高度及寬高比等約束,對(duì)連通域進(jìn)行篩選,余下的連通域的幾何中心用作無人機(jī)像點(diǎn)候選點(diǎn)。這些過程對(duì)于不同相機(jī)得到的圖像來說是相互獨(dú)立的,分別由不同的線程并行處理。

然后進(jìn)行候選點(diǎn)的匹配和前方交會(huì),根據(jù)重投影誤差、無人機(jī)速度和飛行方向進(jìn)一步對(duì)候選匹配點(diǎn)對(duì)進(jìn)行篩選,最終找到滿足約束的最佳點(diǎn)位作為無人機(jī)三維坐標(biāo)。

上面所述背景差分是指選取調(diào)整曝光時(shí)間后的第一幀影像作為初始背景,然后根據(jù)新的影像調(diào)整背景,調(diào)整方式如下:

式中,BK表示背景:RoUND表示四舍五入:I+di表示當(dāng)前圖像和背景的灰度差值:w(I+di)為權(quán)值函數(shù),z為一正常數(shù)。

所述航線匯總是指,客戶端計(jì)算機(jī)在開始無人機(jī)位置計(jì)算之前,與服務(wù)器端建立TCP連接。在解算過程中把處理結(jié)果實(shí)時(shí)發(fā)送到服務(wù)器端,服務(wù)器端接收到客戶端的數(shù)據(jù)后,存儲(chǔ)到一個(gè)數(shù)組里,并將航線繪制到屏幕上,如圖6所示。

3.3精度分析

該方案中,以像素坐標(biāo)為量測(cè)值,采用相對(duì)控制的方式,將飛機(jī)位置姿態(tài)作為未知數(shù)進(jìn)行求解。下面參考正直攝影方式,其誤差計(jì)算公式如下:

方向的解算誤差:m為像點(diǎn)量測(cè)誤差。

在像點(diǎn)量測(cè)過程中,量測(cè)誤差一般為5~1+um,據(jù)此可以算出測(cè)量精度為厘米級(jí)。

3.4測(cè)試結(jié)果分析

解算出了人工標(biāo)志點(diǎn)的實(shí)時(shí)位置后,可進(jìn)一步推算出無人機(jī)的航跡,如圖7所示,虛線路徑為規(guī)劃的標(biāo)準(zhǔn)路徑,實(shí)線為無人機(jī)實(shí)際航跡。

由圖中的曲線可知,無人機(jī)實(shí)際航跡與規(guī)劃的標(biāo)準(zhǔn)路徑偏差極小,可以拍攝復(fù)雜地形處的情況,與工作人員一起完成線路設(shè)計(jì)時(shí)的勘測(cè)工作。

4結(jié)語

隨著全社會(huì)用電需求的持續(xù)增長(zhǎng),輸電線路的負(fù)荷能力面臨嚴(yán)峻考驗(yàn)。為了更好地完成電能的輸送,必須增加更多的輸電線路。在輸電線路廣泛覆蓋的今天,新增輸電線路的難度日益增加。利用無人機(jī)航攝,能夠清晰地看出各種地形的不同情況,為線路路徑選擇、勘測(cè)提供更為直觀、生動(dòng)的圖像信息,彌補(bǔ)線劃圖專業(yè)性、符號(hào)化的缺陷,使線路設(shè)計(jì)更加合理。