输电线路无人机超视距巡视智能操控系统研发与应用

王金城 陈清江

【摘 要】受输电线路所处地形条件的限制，无人机飞手在进行超视距电力巡检时，难以及时准确地判断无人机的飞行状况，严重影响无人机的飞行安全和作业效率。本文运用无人机低空遥感技术，自主研发了一款能在视距外飞行的可视化辅助系统——输电线路无人机超视距巡视智能操控系统。该系统具有航线自动规划、一键起飞、自主作业、自动返航、断点续飞、智能避障等特点，内置多种智能业务化作业模式，无需人工干预，即可实现输电线路的超视距智能巡视。利用该系统的点云采集模块对中山市沙溪镇110kV的输电线路进行超视距测试应用，结果表明，无人机作业安全，获取的点云数据质量高、精度高、燥点少。

【关键词】输电线路；无人机；电力巡检；超视距巡视；智能操控系统

中图分类号： TM755 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）32-0005-004

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.32.002

【Abstract】Due to the limitation of the terrain conditions of the transmission line， it is difficult for the UAV flying hand to judge the flight condition of the UAV in time and accurately during the over-the-horizon power inspection， which seriously affects the flight safety and operation efficiency of the UAV. In this paper， the UAV low-altitude remote sensing technology is used to independently develop a visual aid system that can fly outside the line of sight——Transmission Line UAV Over-the-Horizon Patrol Intelligent Control System. The system has the characteristics of automatic route planning， one-button take-off， autonomous operation， automatic return flight， breakpoint continuous flight， intelligent obstacle avoidance， etc. The system built-in multiple intelligent business operation modes， which can realize the over-the-horizon of the transmission line without manual intervention Smart patrol. The point cloud acquisition module of the system is used to test the over-the-horizon patrol of the 110kv transmission line in Shaxi Town， Zhongshan City. The results show that the UAV operation is safe， and the acquired point cloud data has high quality， high precision and less dry spots.

【Key words】Transmission line； UAV； Power inspection； Over-the-horizon inspection； Intelligent control system

0 引言

随着经济的高速发展，高等级、长距离输电线路越来越多，输电线路分布点多、面广，所处地形复杂，自然环境恶劣，使得电力巡检的难度不断加大，传统的人工巡检已无法满足当前的作业需求[1-3]。无人机技术的发展和通航领域政策的逐步放开，有效地解决了电力巡检的难题，推进了传统人工巡检模式向机巡模式的转变[4-5]。南方电网“十三五”规划明确提出，要全面推行“机巡+人巡”的巡线模式，并在2020年底基本实现“机巡为主、人巡为辅”的协同巡检目标[6]。

随着无人机市场的不断扩大和无人机电力巡检应用的不断深入，多旋翼无人机现已广泛应用于架空输电线路巡视作业[7-8]。无人机飞手通常是在通讯控制的有效范围内通过目测及实时图传信息来判断飞行的环境，从而手动控制安全飞行，但由于电力巡检作业环境复杂，在线路杆塔处于无人机飞手视距范围外、跨越河流、山脉等作业环境时，单凭无人机自带摄像头传回的实时图像信息难以及时准确判断飞机航向、无人机与障碍物间距离等威胁安全飞行的环境状况，无法提前预判并及时调整无人机飞行状态，成为制约无人机超视距作业的关键难点之一，严重影响了飞行安全与作业效率[9-10]。目前，输电线路无人机超视距飞行巡视尚无有效的辅助飞行作业系统。因此，本文基于无人机电力巡检作业的持点，自主研发一款能在视距外飞行的可视化辅助系统，以降低无人机沿线飞行时启停次数，方便操作手实时監控无人机飞行状态，提高飞行效率及可靠性。

1 系统研发

1.1 系统总体架构

输电线路无人机超视距巡视智能操控系统根据无人机电力巡检作业的持点，采用分层式的设计理念，从数据传递层面上将系统分为数据采集层、数据存储与传输层、数据处理层，三个层次协调运行以对作业现场进行智能监管，实现输电线路无人机超视距的安全巡检，系统总体架构如图1所示。

1.1.1 数据采集层

数据采集层是整个系统的底层，主要由无人机及其搭载的数据采集装置及相关设备组成，负责采集施工现场的实时影像信息，通过多种通讯方式将采集的数据传输至数据存储与传输层。数据采集层设备主要由无人机构成，其上搭载有传感器、GPS导航模块、复含避障模块等装置，其中传感器可实现对作业现场的数据采集，而无人机通过搭载导航模块和避障模块，可以实现其自主导航以及智能避障功能，从而实现数据采集的无人化控制。

1.1.2 数据存储与传输层

数据存储与传输层在整个系统中起到承上启下的作用，主要负责作为数据的中转站将无人机采集到的数据传输回无人机超視距巡视智能操控系统，以便无人机超视距巡视智能操控系统能实时监控无人机的实时状态。

1.1.3 数据处理层

数据处理层主要负责用数据处理软件来处理无人机采集得到的影像资料，得到作业现场的二维数据或三维数据，实现二维影像数据分析以及三维影像数据生成及测量等。

1.2 系统开发与部署

输电线路无人机超视距巡视智能操控系统是基于Android操作系统和大疆SDK自主研发的、针对输电线路超视距巡检作业特点深度定制的无人机智能操作系统。系统开发部署包括可行性评估、产品原型、产品界面设计与框架搭建、规范设计及功能实现、产品测试、产品上线及方案优化等内容。

系统运用无人机低空遥感技术，基于传递函数模型，利用根轨迹方法，按照“由内到外”的顺序依次设计内、外回路的增益，来完成复杂地形条件下长距离、超视距多旋翼微型无人机自动控制。其结构图如图2所示。

1.3 系统功能

输电线路无人机超视距巡视智能操控系统具有KML文件导入、航飞参数设置、自动航线规划、一键式起降、自主作业、智能安全检查、实时图传、天气预报、智能避障等功能，内置正射影像、倾斜摄影、树障巡视、点云采集等多种智能业务化作业模式，无需人工干预，即可实现输电线路无人机超视距智能化巡视，减少人工操作，降低职业门槛，保证飞行安全，减少事故率。系统还接入了中国气象大数据，能够对任意航飞区域进行实况天气分钟级预测和一周内天气预报，保障作业安全。

1.3.1 正射影像模块

正射影像模块主要用于正射数据的采集，支持矩形和多边形航飞区域的绘制和航线自动规划功能，可对航飞区域进行旋转、平移、放大、缩小等操作，可任意选择航线进行断点续飞。提供飞行区域大小提示功能，显示飞行范围的大小以及完成该范围预计需要的时间，并通过颜色来提示是否超出安全飞行范围，其中黄色表示需要注意飞行，红色表示无法飞行。

1.3.2 倾斜影像模块

倾斜摄影模块主要用于三维倾斜影像数据的采集，支持矩形和多边形航飞区域的绘制以及5个架次的多边形航线规划功能，可任意选择航线进行断点续飞。具有飞行区域大小提示功能，支持旁向重叠度、航向重叠度、航线高度、测绘基准面高度等航飞参数的设置和分辨率、航飞速度的显示，并提供规划路径保存和历史任务载入功能。

1.3.3 树障巡视模块

树障巡视模块主要用于树障隐患数据的采集，提供视频拍摄和定时拍照两种任务模式，可直接导入杆塔的位置文件，也可手动确定杆塔的位置，能够对杆塔进行追加、删除等操作。系统能够自动根据杆塔线路规划航线，并自动控制无人机沿规划线路进行数据采集，支持可变航高的数据采集。提供直线返航和原路返航两种返航模式。

1.3.4 点云采集模块

点云采集模块主要用于控制激光雷达设备获取输电线路的点云数据，支持杆塔位置文件的导入功能。通过选择目标杆塔线路，可一键生成航线任务，自动完成该线路三维点云模型数据采集。提供激光雷达设备的校准功能，可自动采集POS信息和点云数据，可设置航线高度、起降高度、飞行速度、侧面距离、层数、层高等参数，任务完成后无人机将智能返航。

2 系统应用

利用研发的输电线路无人机超视距巡视智能操控系统，在广东省中山市沙溪镇进行超视距测试应用，本文以中山市沙溪镇某输电线路为例，对系统的应用流程进行介绍。

2.1 研究区概况

沙溪镇隶属广东省中山市，位于市境西部，东与石岐城区接壤，西南邻大涌镇，西接横栏镇，北连东升镇坦背、西区沙朗，总面积55平方公里，辖区内设有15个行政村和1个社区。沙溪镇地势南高北低，丘陵与平原各半，东南和中南部为丘陵台地，一般海拔20多米，主要有凤凰山、黄峰山、码头山等山岗，其中凤凰山海拔64.3米，为全镇最高点。本研究区位于黄峰山与凤凰山之间的山凹上，东面为黄峰山，西面为凤凰山，地形呈东北高，西南低之势，为山丘林地地区，输电线路电压等级为110kV。

2.2 系统应用

输电线路无人机超视距巡视智能操控系统的数据采集模块众多，本文以点云采集模块为例，对沙溪镇110kV输电线路进行了超视距测试应用，作业流程如图6所示。

图6 输电线路无人机超视距巡视智能操控系统点云采集作业流程

2.2.1 无人机设备连接

在系统使用之前，打开遥控器并开启无人机，将装有系统的手机或平板通过USB数据线连接到遥控器上，在弹出的选项框中选择本系统。然后，进入系统主界面，查看飞机是否连接成功，当“设备未连接”变为飞机的名称时，表示飞机已连接成功。

2.2.2 数据采集模式选择

系统主要包括正射影像、倾斜摄影、树障巡视、点云采集等数据采集模式。在菜单栏中选择模式切换，根据不同的任务需求选择不同的数据采集模式，本文选择点云采集模式。

2.2.3 杆塔坐标导入

导入杆塔坐标文件，支持kml、excel等格式。根据线路长度和飞行时长，选择无人机飞行的杆塔。本文导入110kV输电线路的杆塔坐标，并选择超视距的杆塔进行作业。

2.2.4 航飞参数设置及路径自动规划

航飞参数主要分为航线参数和收敛参数，其中航线参数包括航线高度、起降高度、飞行速度、侧面距离、层数、层高、两端收窄等，收敛参数包括高度、半径、速度等。根据航飞的路径对其进行设置，系统根据设置的参数自动规划航线。

2.2.5 激光点云设备连接与数据采集

开启激光点云设备，单击系统上的连接按钮，搜索附近的激光点云设备，进行激光点云设备的连接。然后单击POS采集和点云采集，启动激光点云设备的数据采集功能，采集POS信息和点云数据。

2.2.6 无人机飞行安全检查

各项准备工作完成之后，点击开始按钮，系统将会弹出飞行安全检查对话框，自动对无人机进行十项安全检查，飞行安全检查主要涉及无人机飞行作业时所要考虑的常规因素。

2.2.7 无人机全自动数据采集

完成飞行前安全检查后执行滑动起飞操作，无人机将自主起飞，并按照规划的航线全自动执行采集任务，获取输电线路的激光点云数据。在飞行的过程中，系统具有智能避障功能，可有效地保证飞机作业安全。执行完航飞任务后，无人机将自动返航。

结果表明，输电线路无人机超视距巡视智能操控系统具有航线自动规划、一键起飞、自主作业、自动返航、断点续飞、智能避障等特点，可有效地完成超视距的输电线路无人机巡视作业，保证作业安全。此外，利用系统采集得到的点云数据，与传统手段相比，具有质量高、精度高、燥点少等优点。因此，本文研发的输电线路无人机超视距巡视智能操控系统对于超视距的无人机输电线路巡视作业具有良好的适用性。

除点云采集模块外，本次实验还全面测试了输电线路无人机超视距巡视智能操控系统的其他功能和性能，包括正射影像、倾斜摄影、树障巡视等模块功能，以及无人机稳定性和可靠性。结果表明，系统具有启动时间短，CPU、内存占用低，流量、电量耗用少，响应速度快，稳定性高，网络性能优等特点，能够安全高效的完成超视距的正射、倾斜、树障数据采集任务。

3 总结

本文运用无人机低空遥感技术，基于Android操作系统和大疆SDK，自主研发了一款能在视距外飞行的可视化辅助系统——输电线路无人机超视距巡视智能操控系统。该系统兼容广、功能强、效率高、更智能、更稳定、更安全，能有效地解决无人机飞手由于地形条件限制無法及时准确判断超视距的无人机飞行状况而造成作业不安全、效率低下等问题。

输电线路无人机超视距巡视智能操控系统具有航线自动规划、一键起飞、自主作业、自动返航、断点续飞、智能避障等功能，内置正射影像、倾斜摄影、树障巡视、点云采集等多种智能业务化作业模式，无需人工干预，即可实现输电线路无人机超视距智能化巡视，有效地减少了人工操作，降低了职业门槛，保证了飞行安全，减少了事故率。

利用输电线路无人机超视距巡视智能操控系统的点云采集模块，对中山市沙溪镇110kV的输电线路进行超视距测试应用。结果表明，利用系统采集得到的点云数据质量高、精度高、燥点少。此外，还对输电线路无人机超视距巡视智能操控系统的其他功能和性能进行了全面测试，结果表明，系统具有启动时间短，CPU、内存占用低，流量、电量耗用少，响应速度快，稳定性高，网络性能优等特点，能够安全高效的完成超视距的正射、倾斜、树障数据采集任务。因此，本文研发的输电线路无人机超视距巡视智能操控系统对于超视距的无人机输电线路巡视作业具有良好的适用性。

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