基于无人机激光雷达航空遥感的电网三维信息数据采集系统

2021-03-24曾仕伦汪晓帆陈亮朱礼鹏李建兵

数字技术与应用 2021年1期

曾仕伦汪晓帆陈亮朱礼鹏李建兵

(国网四川省电力公司眉山供电公司,四川眉山 620010)

0 引言

该数据采集系统能够有效的适用于变电站周边环境的变化,具有低成本、高集成化的特点,通过对激光雷达硬件进行微型化的设计,使得相关的采集人员可以方便的解决在数据采集过程中所面临的一系列问题。对无人机激光雷达遥感的电网三维信息数据采集进行系统化后,可以大大的提高了变电站设备的工作效率,加强了相关人员的巡检效率,与此同时,变电站的运行成本也会得以下降。

1 无人机载激光雷达技术适用于现代测量的需求

对传感器集成技术进行研究的过程中,主要考虑传感器的构建设计和传感器本身的加工水平,只有使用标准的方法和可靠的运行接口才能够有效地提供无人机的荷载能力和在不同空间下的使用情况。对系统硬件进行小型化设计,要实现以下几个目标:

首先要稳定平台,在平台上搭载可以运行多种任务的传感器,让载体运动得以有效地进行并且不受干扰,最终实现稳定和指向的有效运转。对平台进行高温度性的技术性研究,可以保证在进行运作时多传感技术接受到的数据不受到平台扰动的影响[1]。

由于高精度的工作水平,对系统有着精确的要求,面对现有的相关技术和产品,无人机巡线的工作水平需要提高,这样就可以满足惯导的工作水平,此外,在起到加强进度,满足体积和重量的同时,还将系统的定位精度提高到原来的数倍之上。

对于无人机来说,其平台部分主要包括的是机载设备和探测的传感器。为了让无人机到预定的位置进行工作,将故障进行定位,系统必须进行POS定位系统的安装。工作人员在定位后,可以对地面物体进行三维成像的建模。在建模的同时,需要加入到激光扫描仪和热红外线成像仪的设备。热红外成像仪的出现,可以有效的对温度进行异常检测。数学光学照相机的加入也是非常有必要的,它的存在可以将电力设备和地面目标进行识别,并且成像。此外,为了对视频信息进行连续的获取,需要运用摄像机对无人机的工作状态进行实时的监控,只有这样才能保证相关监测人员在第一时间内获取准确的数据结果,其中无人机的空间信息采集的系统,最重要的部分便是无线传输系统[2]。无线传输系统的存在,可以使得地面控制人员能够在短时间内获得相关准确的信息,对多种传感器所获取的电力状况做出准确而迅速的反应。由于山区地形状况比较复杂,并且难以大范围覆盖,必须应用浮空器载作为中转站进行多平台的连接。

2 无人机载激光雷达集成方案技术流程

为了满足以上功能,需要进行多种传感器的相互配合,这样就构成了多传感器集成。多传感器集成是通过数个通讯接口来组合实现目标的。该组合的存在可以将地面设备所传来的信息来发,发送给各个系统,并将各传感器所收集来的数据进行采集,并对无人机系统进行接口控制。这种组合主要有接口部分分系统通信部分以及数据采集部分在内的多个部分组成[3]。由于无人机自身平台进度比较大,在刮风和下雨天气时,容易受到影响,为了保证无人机对地面可以进行准确的测量,需要加入伺服稳定系统。该系统的存在,可以隔离无人机平台在振动时对于光学照相机和激光扫描仪的影响,此外,在加载入该系统以后,无人机具有调整功能,可以对左右两侧的情况进行观测。对平台进行稳定,可以最大限度的加强飞机在空中的观察角度,保证飞机在飞行时具有高效的作业能力[4]。

由于稳定平台具有多种多样的结构,目前主要有四轴稳定平台、双轴稳定平台和三轴稳定平台在内的三种旋转轴稳定平台。对于四轴稳定平台来说,它主要通过两种组合方式进行组合,第一种组合方式便是将一个单一轴平台加入到三轴稳定平台的内框架上,通过三轴稳定平台的稳定系统,使得整体不受到震动的影响,这样可以保证框架的准确精度。传感器可以安装到单轴调整装置上,在这种情况下,传感器可以进行单轴的扫描调整。对于三轴平台内的高精度型测量设备和顺时惯性信息的获取,使用者可以调整单轴装置的调整参数,计算出传感器的瞬时姿态信息。第二种方法便是采用两个双轴稳定平台,在使用过程中,使他的稳定系统内框架不受到震动的影响,即不管外界如何摇晃,内框架始终保持着平衡的位置。由于四周稳定,平台结构较复杂,并且加工精度较一般稳定平台较高,这就使得四种电瓶台在造价上多出其他稳定平台的数倍布置,但是新型的测量装备可以不依靠平台的稳定性,对传感器的自带信息进行直接测量。所以在稳定平台的选取上,一般直接选用三轴稳定平台和导航系统的组合。这样可以实现传感器的顺序稳定和姿态信息的准确测量。由于现代计算机技术的不断进步。惯性测量技术的出现,使得相关的工作人员已经不钟爱于专有的稳定平台,而是直接采用三轴稳定平台和具有扫描功能的传感器,进行高精度信息的获取。和四轴稳定平台相比,两周稳定平台在功能上具有可靠,简单的特点,并且成本更加低廉。这使得双轴稳定平台可以更好地适用于小型传感器,与此同时,在一定程度上,大型传感器也可以应用双轴稳定平台。但是在稳定程度上,双轴稳定平台对于波束稳定不能够实。

3 多传感器时间同步技术实施

通过对姿态测量单元,对测量载机的速度和位置相关信息的获取时。实时准确能够及时地为这些图像提供相关的补偿数据。同时在传感器上为平台的实施劳动提供相关数据。通过POS对未知自带数据系统进行控制,最终将数据输入到数据形成器当中,使用者可以将这些数据作为辅助数据来与原始图像进行合作,最终形成图像的定位。

由于时间对准是多平台,并且同步的定位。因此,在进行数据对准时,必须时刻做到时间统一的原则,这表明在对准时间时每个平台的实践零点必须一致,而且收发信号的时间也必一致。在进行数据的时间配标时,一定要将多传感器进行有效的融合。多种类型传感器在对于同一时间的不同信息收集时,接受时间和接受速度都有所不同,因此,使用者必须将各自传感器的数值进行外推,或者进行到同一时刻,只有这样可以进行进一步的处理,对于目标进度和目标速度的追求,可以追求到毫秒或者秒级别即可。在这种情况下,大部分人都采用的是数据拟合法和数值差值法[5]。

对于时间配种虚拟融合法和内插外推法是两种非常有效的基本方法。由于两者所适应的情况有所不同,虚拟融合法通可以适用于起始时间相同,但是运转周期相差整数倍的情况来进行,它通过对数据的多次测量将降低同步的数据进行统一。而内插外推法针对的是不同传感器,时刻不同步的问题,它通过内插外推,将传感器推送到同一时刻进行。虚拟融合法将多个测量数据使用最小二乘法进行,虚拟的数据测量,极大的减小了测量数据的压缩。且在各传感器之间,只有数据率的差别。并且属于融合算法的精度是取决于高数据传感器的测量数据,融合时间的长短,也影响着虚拟融合法的测量精度,也就是说,测量数据越大,测量精度越高,花费的时间越短,测量精度也会越高。

4 激光雷达数据采集系统硬件实施

激光雷达的数据采集系统适用于对电力线路进行研究以及电力线路走廊的数据采集系统。这种采集系统成本低,集成化高,并且朝着微型化等方面进行发展。在近些年来的发展过程中,传感器小型化已经成为相关的研究热点。对数据进行智能化采集以及进行精准化定位,以及成为相关领域的研究前列。在此过程当中,要针对脉冲式激光测距模块进行系统性开发,可以通过卫星定位系统提供实时的卫星数据,将获取的激光雷达采集数据进行同步信息集合。最后根据控制模块(如图1)提供的控制信号记录相关的坐标数据。对于激光测距系统以及相关的控制平台,开发平台要提供相关的控制模块,将原始的时钟信号转变为多角度的控制信号,将误差规范在毫秒之内[6]。

图1 综合控制模块Fig.1 Integrated control module

数据储存模块实时采集惯性导航模块、激光测距模块结果数据与GPS/IMU外触发信号数据,将结果时间同步之后的多传感器数据写入数据储存模块中的SD 卡内,也可通过网线将数据写入上位机,再将外触发信号同步数据写入SD卡,系统同步精度为1ms以内。

5 无人机载激光雷达数据快速处理与三维数据生成实施方案

对于无人机遥感高性能的集群处理,主要包括三个部分,高速储存的系统网络以及相关的服务和用户的操作环境。高速的储存系统可以提供海量的数据管理方案,用户可以使用普通的台式机进行高速信息局域网的建立,在对相关文件进行分布式,可以提供遥感数据的储存和遥感数据的查询。通过多个计算节点的处理,将计算库中的任务分配到不同节点,进行多线程的处理后形成最终的处理结果。在操作环境上面,用户可以使用网络环境和图形界面系统对数据进行采集。

此外,由于时间同步技术在一定程度上很难满足高度的精确性,所以所有的设备必须采用GPS功能。在对设备的选取上,外国借口的黑匣子是最好的选为了对几何图样进行纠正,可以对无人机的图像进行镶嵌处理,这就要求相关人员要在两张图像上面根据几何优先的策略进行拼接线的选定,然后利用多条拼接线构成一张拼接网,最终在这张网上面沿着拼接缝进行羽化处理。最后,为了保证准确性,还要进行优化处理。在处理地面点云数据的时候,要充分考虑光学在内的多种因素的影响。