引言

輸電線路是電力系統(tǒng)中最為基礎(chǔ)也最為重要的一個部分,目前我國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)計過程中,會根據(jù)實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,就會導(dǎo)致電網(wǎng)局部停電,甚至大范圍停電。與此同時,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)前對線路周圍的環(huán)境進行調(diào)查,最終選擇一個合適的路徑。

目前,無人機正逐漸被用于電力系統(tǒng)的各個方面。本文針對線路設(shè)計過程中采用無人機勘測提出了一種無人機航跡實時測量方案。

1線路設(shè)計時的勘測

通常,涉及輸電線路建設(shè)的工程規(guī)模較大,線路建設(shè)的長度較長,因此在線路的規(guī)劃設(shè)計階段,除了保證整體布局的合理性以外,在針對路徑進行具體設(shè)計時,還要盡可能從多個角度出發(fā)對其進行綜合考量。在對輸電線路的具體路徑進行規(guī)劃時,應(yīng)結(jié)合實際地理情況及單位長度線路建設(shè)成本,盡可能錯開復(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,為線路運行的穩(wěn)定性和安全性提供有力保障。

同時,在項目施工階段,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)境會對項目產(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策:

(1)施工現(xiàn)場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)場周圍各種動植物較多,這種情況需要提前考慮線路架設(shè)會碰到的問題,如飛禽停留對其造成的影響。

(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,可采用無人機來

勘測地形。無人機以其靈活性和適應(yīng)性,在項目施工勘探方面極大地彌補了傳統(tǒng)測繪方式的不足,不僅節(jié)省了大量人力、物力,確保了人們在勘探過程中的安全,并且可以結(jié)合現(xiàn)有的電腦技術(shù),使項目在前期設(shè)計時就提前避免一些錯誤,使施工線路設(shè)計更加合理,確保項目的經(jīng)濟性以及設(shè)計的可行性。

2無人機飛行航跡實時測量原理及方案

2.l無人機飛行航跡實時測量原理

完成勘測任務(wù)的核心是航跡規(guī)劃,無人機三維航跡規(guī)劃即在綜合考慮三維地形、無人機任務(wù)執(zhí)行時間和巡航時間、飛行區(qū)域限制等多重因素的前提下,為無人機規(guī)劃滿足現(xiàn)實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自身的各項約束條件,圓滿完成巡檢任務(wù)。

根據(jù)飛行航跡實時測量所需條件確定測量系統(tǒng)由四部分組成:測量站點、光端機、綜合處理平臺、無人機標(biāo)志物。

各測量站點由攝像機、固定支架、保護罩三部分組成。攝像機用于獲取無人機影像,測量站點形成測量控制網(wǎng),每個攝影測量控制網(wǎng)為兩個攝像機視場重疊區(qū)域,只要無人機出現(xiàn)在攝影測量控制網(wǎng)內(nèi),就可以采用攝影測量原理解算出其空間坐標(biāo)。保護罩為全封閉式,用于系統(tǒng)閑置時保護攝像機,每次測量結(jié)束后都應(yīng)先將攝像機鏡頭保護蓋蓋好,然后再打開保護罩。固定支架主要用于固定攝像機,保證攝像機在工作時位置和姿態(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)器可以保證安裝時的水平度,并用來驗證支架是否發(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高清信號源遠距離傳輸出現(xiàn)的問題,如信號偏色、模糊,信號產(chǎn)生重影和拖尾及網(wǎng)紋干擾等,需選用合適的光端機,包括光發(fā)射機和光接收機,其中光發(fā)射機可實現(xiàn)視頻信號在光纖上的無損傳輸,光接收機可實現(xiàn)視頻信號在光纖上的無損接收。

綜合處理平臺由工控機和高清視頻采集卡組成,其中,高清視頻采集卡負(fù)責(zé)8個測量站點視頻數(shù)據(jù)的采集,工控機上包含有數(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對所有通道的數(shù)據(jù)進行拍照記錄,待數(shù)據(jù)記錄完畢后運行數(shù)據(jù)處理軟件進行影像數(shù)據(jù)的處理,具體包括無人機識別檢測及像點坐標(biāo)量測、直升機三維位置解算等。

2.2無人機飛行航跡實時測量方案

無人機航跡測量需進行無人機像素點識別、攝像機檢校、外場標(biāo)定、攝像機外方位元素測定、物方點空間位置解算以及軟件設(shè)計。其中,系統(tǒng)軟件主要指綜合處理平臺上的綜合處理軟件,綜合處理軟件主要分5個模塊:數(shù)據(jù)采集模塊、外方位元素解算模塊、直升機識別模塊、位置解算模塊、位置顯示模塊。

2.2.1數(shù)據(jù)采集模塊

測量站點通過光端機傳輸?shù)母咔逡曨l經(jīng)采集卡采集,可以進行顯示、記錄,由于無人機飛行速度較慢(≤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,即綜合處理平臺每隔100ms對測量站點的視頻數(shù)據(jù)進行拍照存儲,以供后續(xù)處理。

2.2.2外方位元素解算模塊

每一個測量站點在進行工作前都需要運行外方位元素解算模塊,外方位元素解算分為兩個過程,首先是攝像機影像上的控制點識別與像素坐標(biāo)測量,然后是根據(jù)共線方程反求外方位元素。

2.2.3直升機識別模塊

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

2.2.4位置解算模塊

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

2.2.5位置顯示模塊

位置顯示模塊負(fù)責(zé)直升機位置的顯示,即把直升機的位置按時間顯示出來并加以記錄。綜合處理平臺分主、從兩個,從綜合處理平臺上不運行位置顯示模塊,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,主綜合處理平臺接收到此數(shù)據(jù)后再運行位置顯示模塊。

以10個站點為例,整個軟件的運行過程如圖1所示。

2.2.6數(shù)據(jù)延時分析

本方案采用的攝像機為定焦鏡頭、手動光圈,測量站點使用相同型號配置的攝像機,因此不會出現(xiàn)因相機拍攝場景不同而產(chǎn)生的攝像機成像積分時間差異。

攝像機如距綜合處理平臺較遠,其輸出的sDI視頻需經(jīng)過光端機傳輸至綜合處理平臺,光端機需要將數(shù)字信號轉(zhuǎn)為光信號,然后再將光信號還原為數(shù)字信號,這兩次轉(zhuǎn)換都會產(chǎn)生一定的延遲。經(jīng)實際測定,光端機信號轉(zhuǎn)換延時約為50ms,以無人機最大飛行速度I0m/s計算,在該延時內(nèi)無人機已移動0.5m,在最遠距離240m的情況下,像素誤差都有5個像元,因此,本文中進行位置解算時只能按組解算,而同一組攝像機的sDI信號傳輸方式必須保持一致。

3試驗分析

3.1站點布設(shè)

在給定攝影機的條件下,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為攝影機主距,本文取17mm:a為8.8mm?？紤]到在100m測量范圍內(nèi)的站點布設(shè)密度,基線應(yīng)盡可能長,但要考慮重疊度,故取基線B為37m,重疊度為48%,沿著飛機航向需要布設(shè)4個測量站點,如圖3所示。

本文在一個長250m、寬I80m的區(qū)域測試無人機的實時航線。本文設(shè)計的I8個相機在設(shè)計中實現(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I~7覆蓋了區(qū)域中間60m寬的區(qū)域,相機12~18覆蓋了區(qū)域下方60m寬的區(qū)域,相機8~11覆蓋了區(qū)域上方60m寬的區(qū)域。區(qū)域中部的兩個全站儀觀測點用于坐標(biāo)系統(tǒng)的定義,在每個相機右前方(或者左前方)3m處的全站儀用于單個相機的外定向。

由于相機和主控計算機的距離很遠,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)過測試同步時間可以控制在毫秒級。

主控計算機采用3臺計算機,3臺計算機之間采用定時裝置來控制同步觸發(fā)。計算機的總硬盤空間為6TB,可以存儲10h以上的數(shù)據(jù)。

相機與工控機連接關(guān)系如圖5所示。

3.2近景攝影測量的解算

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

該方案中相對控制的方式是在布設(shè)完人工標(biāo)志點后,直接以飛機的質(zhì)心為原點,以機身方向為坐標(biāo)軸建立空間直角坐標(biāo)系,測定人工標(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)志點的物方空間坐標(biāo):(X+,y+,Z+)為飛機質(zhì)心的物方空間坐標(biāo):R為飛機姿態(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解算過程中方程未知數(shù)包括直升機的實時位置姿態(tài),共計6個未知數(shù),至少需要0對同名像點2個方程式才能進行解算。

對于圖像中無人機的提取與位置計算,首先通過背景差分和二值化獲得運動目標(biāo)區(qū)域,然后使用連通域搜索獲得運動目標(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,對連通域進行篩選,余下的連通域的幾何中心用作無人機像點候選點。這些過程對于不同相機得到的圖像來說是相互獨立的,分別由不同的線程并行處理。

然后進行候選點的匹配和前方交會,根據(jù)重投影誤差、無人機速度和飛行方向進一步對候選匹配點對進行篩選,最終找到滿足約束的最佳點位作為無人機三維坐標(biāo)。

上面所述背景差分是指選取調(diào)整曝光時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,客戶端計算機在開始無人機位置計算之前,與服務(wù)器端建立TCP連接。在解算過程中把處理結(jié)果實時發(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,存儲到一個數(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)為量測值,采用相對控制的方式,將飛機位置姿態(tài)作為未知數(shù)進行求解。下面參考正直攝影方式,其誤差計算公式如下:

方向的解算誤差:m為像點量測誤差。

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

3.4測試結(jié)果分析

解算出了人工標(biāo)志點的實時位置后,可進一步推算出無人機的航跡,如圖7所示,虛線路徑為規(guī)劃的標(biāo)準(zhǔn)路徑,實線為無人機實際航跡。

由圖中的曲線可知,無人機實際航跡與規(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)計時的勘測工作。

4結(jié)語

隨著全社會用電需求的持續(xù)增長,輸電線路的負(fù)荷能力面臨嚴(yán)峻考驗。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、勘測提供更為直觀、生動的圖像信息,彌補線劃圖專業(yè)性、符號化的缺陷,使線路設(shè)計更加合理。