插件式无人机精确测量树障装置的研制

张鹏飞

（广东电网有限责任公司江门供电局，广东江门 529000）

0 引言

随着城市化进程的加快和输电线路线电压等级的提升，在物体与导线安全距离不足时会高压电击穿空气，出现隔空放电的情况，对输电线路的日常运维以及周边居民群众的人身安全造成严重影响。

在此背景下，研制插件式无人机精确测量树障装置，研究将测量装置搭载到常规作业无人机上，预防因线路下方净空距离不足而发生的跳闸事故，为不同区域防树障特巡周期的科学制定提供依据，也为输电线路青赔工作提供具体的树障距离依据。

1 运行原理

研制一套插件式无人机精确测距装置，通过在常规的作业无人机上搭载激光测距模块，准确测量导线跳线弧垂的对地水平和垂直距离。

1.1 测量转角较大的耐张塔导线跳线弧垂

对于转角耐张塔横担嘴和导线跳线弧垂不在同一垂直面，无人机可以在通过水平和垂直向下两个方向的距离测量实现导线跳线弧垂对横担嘴（对地）净空距离的准确测量，图1 中黑色方块是搭载了插件式精确测距装置的无人机（下文简称为“无人机”），调整无人机摄像头横向0°对准横担嘴，使水平方向的测距激光对准横担嘴，调整无人机摄像头横向90°向下对准导线跳线弧，使垂直方向的测距激光对准导线跳线弧垂正上方。调整好无人机位置后，使用水平方向测距测出无人机距离横担嘴的距离d，使用垂直方向测距测出无人机距离导线跳线弧垂的距离h，运用勾股定理计算此导线跳线弧垂对地距离为

图1 转角较大的耐张塔

1.2 测量转角较小的耐张塔导线跳线弧垂

对于转角较小的耐张塔，由于横担嘴与导线跳线弧垂的水平距离特别小，小于无人机能够贴近横担嘴的最小距离，此时需要通过水平、垂直距离差来测量计算（图2）。首先调整无人机摄像头横向0°对准横担嘴，使水平方向的测距激光对准横担嘴，测量无人机对地面的垂直距离h1和无人机水平方向对横担嘴的垂直距离d1。然后降低无人机飞行高度，调整摄像头横向0°对准导线跳线弧垂，使水平方向的测距激光对准导线跳线弧垂，测量无人机对地面的垂直距离h2和无人机水平方向对导线跳线弧垂的垂直距离d2，运用勾股定理计算导线跳线弧垂对地距离为

图2 耐张塔导线跳线弧垂测量原理

1.3 测量导线跳线弧垂对塔身的距离

对于测量导线跳线弧垂对塔身的工况，需要测量导线跳线弧垂距离同垂直平面点塔身的距离（图3）。控制无人机飞到导线跳线弧垂和塔身之间，调整无人机摄像头横向0°对准导线跳线弧垂，使水平方向的测距激光对准导线跳线弧垂，测量无人机对导线跳线弧垂的垂直距离d1；控制无人机旋转180°，使无人机正对塔身，测量无人机对与导线跳线弧垂同垂直平面点塔身的垂直距离d2，导线跳线弧垂距离同垂直平面点塔身的距离为d1+d2。

图3 线跳线弧垂对塔身的距离测量原理

2 插件式无人机测量装置的研制

2.1 无人机插件固定夹具

插件式无人机测量装置以感光元件为核心，将该插件式传感器搭载在无人机上。以3D 打印技术为支撑，设计插件式传感器无人机插件固定夹具，使前、后光路不受无人机本体的遮挡，且能够稳固地固定于无人机机身上。插件式无人机测量装置以大疆精灵4 型无人机的机身为基础展开设计，在无人机机身的正前方及两侧安装夹具与传感器模块，最大程度地减少对无人机飞行姿态的影响。

2.2 测距传感器

测距传感器所能测量的距离上限受基线、相机焦距和视差的影响，与基线和焦距成正比，与视差成反比，要设计一台测距上限高的双目测距仪，需要选择焦距较长、分辨率较高的相机，并设置较长的基线。

2.3 机载发射机

机载发射机负责读取各个传感器的测量数据，并将数据远程发送到手持式接收机。发射机采用高性能处理器，通过标准接口与传感器进行通信，并通过数据传输技术将传感器的测量数据通过数传模块发送到手持式接收机。

2.4 手持式接收机

手持式接收机负责接收发射机传输的传感器数据信息，并在显示屏上显示出来。接收机由无线数传模块、电池电源模块、显示器模块组成。

3 实验验证

为验证插件式无人机测量装置的可靠性、稳定性、数据传输准确性，以及对于多种场景的适应能力。本文对插件式无人机测试装置进行了应用场景适应性、测量准确率等指标的测试，测量方法为：首先进行水平方向的测距，控制无人机飞到树木的正上方，向输电线路投射激光测距，测量沿线树木距离线路导线的水平距离。然后进行垂直方向的测距，控制无人机飞到线路同一高度的位置，向下方树木投射激光测距，测量沿线树木距离线路导线的垂直距离。通过两个方向的距离测量实现输电线路对地或对线底树障、外破点净空距离的准确测量，降低工作难度，提高距离测量的准确性。

模拟某220 kV 线路的重点树障隐患区段，分别布置3 处测试点，通过两个方向的距离测量实现输电线路对地或对线底树障、外破点净空距离的准确测量。针对不同测试点的测试数据见表1，可以看出计算高度均略高于测量值，同时随着高度的增加误差会随之增大，但最达相对误差不超过3%，证明测量整体在可允许范围内，验证了本装置可以准确测量导线跳线弧垂对树木的距离。

表1 测量高度与误差

测试数据说明，插件式无人机精确测量树障装置可以应用于实际的输电线路运维中。一方面激光测距装置可以减少常规作业无人机在防树障特巡飞行中的炸机风险，另一方面也可以准确地测量出树障对线路的水平和垂直距离。通过在多塔型、多场景的应用验证，进一步验证了本装置的可行性和可靠性。

4 结束语

通过现场实际应用，验证了本文设计的插件式无人机测量装置具备低功耗、无线传输、精确测量等关键能力，能准确地测量输电线路弧垂对地或对线底物体的净空距离，降低防树障特巡中无人机测量树障对线路的水平和垂直距离的飞行难度，和弧垂对地距离的测量难度，实现无人机激光测距，可以准确测量出树障对线路的水平和垂直距离。