基于激光雷达三维建模模式的无人机输电线路自主精细化巡检技术研究.pdf
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1、2023年第3期(总第30 3期)doi:10.3969/j.issn.1009-3230.2023.03.004应用能源技术15基于激光雷达三维建模模式的无人机输电线路自主精细化巡检技术研究廖华,刘琦(中国南方电网有限责任公司超高压输电公司柳州局,广西柳州5450 0 6)摘要:为解决目前输电线路铁塔自主精细化巡检技术实用性不足的问题,文中提出了一种基于激光雷达三维建模模式的无人机输电线路铁塔自主巡检技术。首先,利用机载激光雷达对输电线路通道进行扫描,根据采集数据进行点云解算形成具备精准地理位置信息的点云模型,以自动识别算法和人机交互相结合的方式对塔身、电力线及关键拍摄部件等点云进行分类提取
2、。然后,在计算机软件中用自动规划算法初步确定出关键巡检点位的无人机及任务设备动作参数,再通过人工调整和完善,实现最终精准巡检航线的规划。在此后作业中,无人机可调用规划航线在RTK定位下实现铁塔的自主精细化巡检。该技术飞巡精度可达实际应用需求,航线规划效率高、柔性高,可有效减少人工劳动,提高了输电铁塔精细化巡检的自动化水平。关键词:无人机;激光雷达;自主巡检;输电线路中图分类号:TM75Research on Autonomous and Fine Inspection Technology ofTransmission Line Tower Based on Laser RadarThree-
3、dimensional Modeling Mode(Liuzhou Bureau of UHV Transmission Company,China Southern Power GridCo.Ltd.,Liuzhou 545006,China)Abstract:In order to solve the problem of insufficient practicability of autonomous and fineinspection technology of transmission line tower,this paper proposes an autonomous in
4、spectiontechnology of transmission line tower based on laser radar three-dimensional modeling mode.Firstly,the transmission line corridor is scanned by airborne laser radar,and the point cloud model withaccurate geographic location information is formed by point cloud calculation according to the co
5、llecteddata.The point clouds of tower body,power line and key shooting components are classified andextracted by combining automatic recognition algorithm and human-computer interaction.Then,inthe computer software,the automatic planning algorithm is used to preliminarily determine the actionparamet
6、ers of the drone and task equipment at the key inspection points,and then adjust and improvethem manually to realize the final accurate inspection route planning.In the subsequent operation,thedrone can call the planned route to realize the autonomous and fine inspection of the tower under RTKpositi
7、oning.The accuracy of this technology can meet the actual application requirements,and theroute planning efficiency and flexibility are high.It can effectively reduce manual labor and improvethe automation level of fine inspection of transmission tower.Key words:drone;laser radar;autonomous inspecti
8、on;transmission line收稿日期:2 0 2 3-0 1-10作者简介:廖华(19 8 6),男,专科,助理工程师,从事输电线路运行与维护工作。文献标志码:ALIAO Hua,LIU Qi0修订日期:2 0 2 3-0 2-19文章编号:10 0 9-32 30(2 0 2 3)0 3-0 0 15-0 5160引言目前,最常采用的无人机输电线路巡视方式有精细化巡检、可见光通道巡检、倾斜摄影通道巡检、激光扫描三维成像等类型。其中精细化巡检是指利用多旋翼无人机悬停在输电线路铁塔周边,对输电线路铁塔、通道及附属设施进行全方位的巡视,可以发现螺栓、销钉级别的微小缺陷,可替代传统的人工
9、登塔检查,已经在输电线路巡检中得到了广泛应用1-3。然而,输电线路无人机精细化巡检拍摄点位多、距离障碍物近且飞行路线复杂,对操作人员技能水平要求很高,不同作业人员巡检效果难以统一,良不齐的巡检数据容易产生漏检隐患,另外劳动强度大、作业效率低,推广过程中暴露出了大批量高水平飞手培养困难的问题4-5。近年来部分研究尝试将计算机视觉及边缘计算技术应用于无人机自动巡检6 ,然而基于智能识别技术的自主巡检仅能应用于巡检对象标准或巡检航线较简单的情况,输电铁塔各类结构标准化程度较低、巡视航线复杂,目前这种技术尚不能满足实际应用需求7 。为了解决以上问题,文中将激光雷达三维建模技术与计算机飞巡航线规划技术相
10、结合,利用自动识别技术辅助进行点云分类及航线规划,此外在激光雷达扫描和自动巡检两个环节应用RTK技术提高定位精度,最终实现了输电线路铁塔的自主精细化巡检。1无人机激光雷达三维建模1.1系统构成激光雷达(Light Detection and Ranging,Li-DAR)是一种用于地理空间三维信息获取的新技术,在测绘领域到了广泛应用8-9 。目前电力巡线方面,主要是利用机载LiDAR扫描获取精确的线路走廊三维地形和地物信息,从而实现导线对地物安全距离检测距分析。文中则主要是利用精准三维模型进行无人机飞巡航线规划。激光雷达系统主要由激光雷达扫描仪、惯性测量单元(IMU)以及GNSS位置测量单元组
11、成。LiDAR用应用能源技术于测量激光信号发射点与地面点间的精确距离;IMU对激光主光轴的姿态信息进行测量;基于RTK的GNSS测量单元用于测量精确的 GPS 坐标,其中RTK(r e a l t i m e k i n e m a t i c)是一种载波相位差分技术,可以消除在GPS定位中产生的大部分误差,大幅度提高定位精度,将定位精度提升至厘米级别。1.2数据采集数据采集过程利用某型号无人机搭载激光雷达设备,根据已知的输电线路铁塔GPS坐标,自动生成巡检航线沿输电线路通道飞行,激光雷达同步运行完成数据采集,机载RTK激光雷达数据采集流程图如图1所示。为获取经RTK校正的GPS数据(DGPS
12、),飞行扫描前需先架设地面基站并搜寻获取RTK定位信号。最终采集数据由激光雷达测距数据、DGPS数据、IMU模块测量的姿态数据构成,采样数据在同步时间戳控制下以200Hz频率进行采样,并存储至激光雷达存储器芯片中。Lidar激光雷达距离IMU系统俯仰角偏航角翻滚角机载GPS系统差分修正DCPS数据位置坐标地面CPS基站图1机载RTK激光雷达数据采集流程图1.3楼数据预处理数据预处理即是进行POS结算,生成激光点云数据数据的过程。激光点云是扫描获取的各个地面离散点的集合,常采用以las 的格式存储该数据。激光点云数据解算过程中,将测量点在激光发射器的测量坐标系下的坐标p(;,yi,z)通过坐标变
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