CN108614274A - 基于多旋翼无人机的交叉式跨越线距离测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多旋翼无人机的交叉式跨越线距离测量方法和装置。在测量时，多旋翼无人机依次沿两条交叉式跨越线以固定距离飞行，利用无人机空间定位技术以及IMU角度检测技术结合二维激光雷达扫描到的距离数据可以获取检测区域空间三维空间点云数据，进而建立架空输电线交叉跨越净空距离曲线模型，以实现架空输电线交叉跨越净空距离的准确测量，解决现有交叉式跨越线巡检方法存在的效率和精度低、环境适应性差以及实时性差的问题，具有操作便捷、安全，且测量精度高、效率高的优点。

Description

基于多旋翼无人机的交叉式跨越线距离测量方法及装置

技术领域

本发明涉及电力巡检设备结合无人机应用技术领域，具体是一种基于多旋翼无人机的交叉式跨越线距离测量方法及装置。

背景技术

输电线路是电能传输的通道，是电网必不可少的重要组成部分。输电线路在交叉跨越间距过小时，导线之间会相互干扰甚至发生放电，进而导致事故的发生。虽然我国已经在输电线路架设领域出台系列规范，但输电线路在交叉跨越时会受到强风、地陷、树木生长、温度变化、电线老化、高温、用电量剧增等因素影响，上下的两束高压线路之间的间距会发生变化，依然存在发生严重事故的风险。尤其是近年来，随着我国社会经济高速发展，城镇化建设快速推进，超高压、大容量、长距离输电线路越建越多，现有的输电走廊资源变得日趋紧张，使得架空线路的交叉跨越现象越来越多，导致由于输电线路交叉跨越距离不足引起的线路放电事故频繁发生。

目前输电线交叉跨越巡检的现状是：基本依靠传统的人工巡检，受自然条件的限制，无法满足实际需要。在测量输电线交叉跨越时，通常采用经纬仪、全站仪等技术。经纬仪进行测量时要和水准标尺(或塔尺)结合使用。测量时，在电力线附近测绘点上架设仪器，将标尺立于所测电力线的垂直方向下读取视距和垂直角，并根据公式计算电力线交叉处的高度。全站仪进行交叉跨越测量通常采用悬空测量方法，包括有棱镜测量方法和无棱镜测量方法。两种方法都是在距电力主线附近的控测点上架设仪器(一点定向，一点检查)，将棱镜立于架空线路的交叉点下，在测站上先进行棱镜平距测量，后照准悬空交叉的电力线，即可得到该根电力线至地面的距离，依此测出各交叉线距地面的距离，就可以得出净空距离。

但是上述测量交叉式跨越线距离的方式存在效率低、精确度低、成本高、缺乏灵活性等问题，特别是受自然条件限制不能在某些复杂地形开展测量作业，已经无法保证输电线路的安全运行。

发明内容

针对现有交叉式跨越线巡检装置存在的效率和精度低、环境适应性差以及实时性差的问题，本发明提供一种基于多旋翼无人机的交叉式跨越线距离测量方法及装置，其能够实现高精度、高效率地对交叉式跨越线距离进行测量，具有操作便捷、安全的优点。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种基于多旋翼无人机的交叉式跨越线距离测量方法，包括步骤：多旋翼无人机依次沿两条交叉式跨越线以固定距离飞行，实时获取无人机相对起飞点的位置信息，以及交叉式跨越线与无人机的位置数据，获取检测区域空间三维空间点云数据，根据上述点云数据建立架空输电线交叉跨越净空距离曲线模型，根据模型计算得到交叉式跨越线之间的距离。

具体的，包括步骤：

(1)操控多旋翼无人机从指定起飞点起飞，飞至检测区域；

(2)选定第一交叉式跨越线，以固定距离沿该线巡航，通过激光雷达获取第一交叉式跨越线相对于多旋翼无人机的位置数据，同时通过定位模块实时获取无人机相对起飞点的位置信息；

(3)检测区域内的第一交叉式跨越线巡航完毕后，以固定距离沿第二交叉式跨越线巡航，通过激光雷达获取第二交叉式跨越线相对于多旋翼无人机的位置数据，同时通过定位模块实时获取无人机相对起飞点的位置信息；

(4)将步骤(2)、(3)得到的位置数据和定位信息转换为三维空间中的点云数据；

(5)对三维空间中的点云数据，利用拟合技术，通过输电线上若干控制点的坐标来逼近或拟合第一交叉式跨越线和第二交叉式跨越线的空间曲线；

(6)根据步骤(5)所述空间曲线，建立架空输电线交叉跨越净空距离曲线模型。

优选的，多旋翼无人机沿两条交叉式跨越线以固定距离飞行的步骤是：在地面遥控设备上设置无人机与跨越线的安全阈值，无人机上的导航模块根据上述安全阈值自动锁定跨越线，地面的工作人员通过无人机上的摄像头实时查看空中巡检情况。方便其他人工和应急操作。

优选的，步骤(4)中，将步骤(2)、(3)得到的位置数据和定位信息转换为三维空间中的点云数据，步骤是：

(4-1)设定在三维空间中，以无人机指定起飞点作为参考点O，建立直角坐标系[O,e₁,e₂,e₃]，也即oxyz空间；其中，以xoy平面为地面，oz方向垂直于地面向上，无人机相对参考点O的位置为P(x',y',z')；P'(x',y',0)为点P(x',y',z')在xoy平面的投影；设定第一交叉式跨越线、第二交叉式跨越线为L1、L2，M₁(x₁,y₁,z₁)，M₂(x₂,y₂,z₂)分别表示线L1、L2上的点在直角坐标系[O,e₁,e₂,e₃]中的直角坐标信息；M₁PM₂平面即平面y＝y′,其平行于xoz平面；

(4-2)以P为参考点在M₁PM₂平面建立极坐标系，计算点M₁(x₁,y₁,z₁)、M₂(x₂,y₂,z₂)在该极坐标系中的极坐标，记为M₁(ρ₁,θ₁)、M₂(ρ₂,θ₂)；

(4-3)实际测量中，飞行器分别沿线L1、L2巡航，激光雷达采集距离和角度数据经处理后可以得到以P为参考点在M₁PM₂平面建立极坐标系的极坐标数据M₁(ρ₁,θ₁)、M₂(ρ₂,θ₂)，定位模块获得上述的P(x',y',z')，从而通过下述方式得到三维空间中的坐标：

x_i＝x_i'±ρ_i*cos(θ_i)；

y_i＝y_i'；

z_i＝z_i'±ρ_i*sin(θ_i)；

其中,i＝1,2。

优选的，步骤(6)中，建立架空输电线交叉跨越净空距离曲线模型，步骤是：

经分析，架空输电线交叉跨越净空距离近似是t(＝y′)的函数：

f(t)＝at²+bt+c

用最小二乘法原理优化架空输电线交叉跨越净空距离曲线的数学模型：

其中是无人机采集的L1、L2的真实净空距离，通过解上述方程组可以确定净空距离曲线模型f(t)的参数a、b、c。

一种用于实现上述交叉式跨越线距离测量方法的测量装置，包括多旋翼无人机、地面端信息处理设备和遥控设备，在所述多旋翼无人机下方设有激光雷达、摄像头和保护壳，在保护壳内设有定位模块、导航模块、处理器和无线模块，所述激光雷达、摄像头分别与处理器相连，定位模块、导航模块也分别与处理器相连，处理器通过无线模块分别与地面端信息处理设备和遥控设备进行数据通信；在测量时，多旋翼无人机依次沿两条交叉式跨越线以固定距离飞行。本发明通过在无人机上集成激光雷达、摄像头、定位模块和导航模块，能够利用无人机空间定位技术以及角度检测技术实现架空输电线交叉跨越净空距离的准确测量。

优选的，所述保护壳内还设有存储模块，存储模块与处理器相连。用于存储架空高压导线空间点云数据。

优选的，所述多旋翼无人机周边安装有距离检测传感器，距离检测传感器与处理器相连。用来实现无人机在自主巡航过程中能够有效避障功能，确保无人机巡检的作业安全。

优选的，所述定位模块包括IMU角度传感器。该传感器可定位多旋翼无人机位置，获取定位数据。

优选的，所述激光雷达采用脉冲式激光雷达。从而可有效抵抗太阳光干扰。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

第一，高精确度和高效率。本发明装置通过采用定位模块、导航模块和激光雷达，可以综合应用无人机空间定位技术以及IMU角度检测技术，实现架空输电线交叉跨越净空距离的准确测量。现有技术需要进行大量的数据计算，并且要为仪器选择非常合适的多个测量位置，才能得到精确的测量参数，测量过程中，人为因素较大，精确度不高。

第二，突破天然环境限制。能将现有技术不能巡查的特殊环境都纳入巡查范围，如河网地区送电线路与其它架空线交叉，其交叉点有时在河、塘、湖泊等测控点难以选择的区域，有效解决了地面检测人员无法有效且准确测量高压电网导线间距的问题。

第三，实时性强。本发明中，采集的高压电网的高精度空间三维空间点集数据都是实时传输到地面端信息处理设备，进而可在地面端信息处理设备上同步实现对点云数据的建模分析。而现有技术在计算得出距离后，还须结合运行经验或查看架线弧垂表估算弧垂变化量，从而判定交叉跨越物的距离是否满足要求，不能实现交叉跨越距离的实时监测。

附图说明

图1是本实施例的***整体示意图。

图2是本实施例的使用流程示意图。

图3是本实施例中根据采集数据计算三维空间中的点坐标的原理图。

图4是本实施例中以无人机为参考点的极坐标系图。

图中：1-起飞点，2-地面端信息处理设备，3-遥控设备，4-多旋翼无人机，8-第一交叉式跨越线，9-第二交叉式跨越线。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图1所示，本实施例提出一种基于多旋翼无人机的交叉式跨越线距离测量装置，包括多旋翼无人机4，以及设置在地面的地面端信息处理设备2和遥控设备3。在多旋翼无人机4上固定有激光雷达、保护壳和摄像头，其中保护壳内部包含定位模块、导航模块、处理器、存储模块以及无线模块。下面结合图1，对各个部件的结构以及要实现的动作进行具体说明。

本实施例中，所述多旋翼无人机4，用于搭载所述激光雷达、所述摄像头及所述其他功能模块，以实现架空高压导线空间点云数据采集。同时在其周向设有距离检测传感器，可以在自主巡航过程中进行避障。

本实施例中，所述摄像头置于无人机机身上，用于在空中实时摄录。

本实施例中，所述激光雷达固定于多旋翼无人机4的一侧，通过给目标物连续发送光脉冲，然后用传感器接收从物体返回的光，通过探测光脉冲的飞行时间来得到目标物距离，可以实现在28m有效避障距离内，以每秒8000次的扫描频率实现360°全方位扫描，用于探测目标架空高压导线相对所述多旋翼无人机的距离并将数据传给处理器。并且，该装置激光雷达选用脉冲式激光雷达，可以抵抗太阳光干扰。

本实施例中，定位模块采用IMU高精度角度传感器，该传感器可进行角度扫描测量，结合激光雷达扫描到的距离数据可以获取该区域空间三维空间点云数据。IMU高精度角度传感器工作的原理是它包含了三个单轴的加速度计和三个单轴的陀螺仪，加速度计检测物体在载体坐标***独立三轴的加速度信号，而陀螺仪检测载体相对于导航坐标系的角速度信号，测量物体在三维空间中的角速度和加速度，并以此解算出物体的姿态。

本实施例中，导航模块用于配合地面端遥控设备设置的高压线于飞行器的安全阈值实现自动锁定高压导线，使无人机在沿线巡航时与导线保持固定距离，可根据线路走向、弧垂高低自主调整飞行姿态从而规划设计无人机飞行平台的飞行航线。

本实施例中，无线模块，用于连接地面端控制设备和遥控设备、摄像头、激光雷达、定位模块、导航模块、处理器，实现它们之间的信息传递。具体的，可以实现以下功能：一、接收所述地面端遥控设备3发出的指令并将指令传给处理器；二、将所述摄像头摄录的影像实时传给所述处理器处理；三、将激光雷达采集到的架空高压导线相对多旋翼无人机4的距离数据传给处理器计算；四、将所述定位模块获取的多旋翼无人机4的位置数据传给处理器计算；五、把所述摄像头实时摄录影像和所述处理器计算出的架空高压导线空间点云数据传回地面端信息处理设备2。

本实施例中，处理器是飞行平台的运算核心和控制核心，其功能一在于向无人机下达指令，执行所述无线模块接收的来自地面端遥控设备3的指令；其功能二在于处理来自所述摄像头的实时摄录影像，将图像传回地面端，使工作人员可以实时看到空中飞行器巡航的视野和飞行器状态，便于其他人工操作和应急操作；其功能三在于计算所述无线模块传输的来自所述定位模块获取的无人机位置数据和所述激光雷采集到的架空高压导线相对所述多旋翼无人机的距离数据得到架空高压导线空间点云数据，并将架空高压导线空间点云数据存入所述存储模块。

本实施例中，存储模块用于记录交叉跨越式的上下两个点云集数据。

本实施例中，地面端信息处理设备2和遥控设备3，其中遥控设备3用于向多旋翼无人机4发出指令，地面端信息处理设备2用于接收所述无线模块传回的架空高压导线空间点云数据和实时影像，并利用建模的方法对点云数据拟合分析进而对架空高压导线空间点云数据进行综合管理，例如管理人员可以明晰此区域可能存在的交叉跨越隐患，做到早预防、早警惕、早排除。其中用建模的方法对点云数据拟合分析的原理如下：描述输电线空间曲线的数学模型有两种：悬链线模型和抛物线模型，抛物线模型可以看做是悬链线模型的近似情况。通过上述采集到的架空高压导线空间点云数据。可以通过输电线上若干控制点的坐标，采用回归分析或最小二乘拟合方法来逼近或拟合空间曲线。把已知点作为约束条件，直接求解曲线参数，得到重建曲线。而回归分析是应用广泛的数据分析方法之一，其利用数学方法对大量观测数据进行处理，从而得到比较符合事物内部规律的数学表达式。输电线空间曲线模型中参数的确定本质上属于非线性参数回归问题，应用最小二乘法可以得到问题的最优估计。从而实时、高精度、高效率地完成高压电网导线间距检测的相关工作。

下面结合图1、2进一步阐述本发明的工作原理及操作过程：

步骤1：如图1所示，工作人员在地面使用遥控设3备操控多旋翼无人机4从指定起飞点1起飞，飞行至需要检测区域，定位模块记录起飞点1的地理坐标；

步骤2：沿第一交叉式跨越线8自主巡航，结合激光雷达采集架空高压导线相对多旋翼无人机4的距离数据；

步骤3：沿第二交叉式跨越线9自主巡航，结合激光雷达采集架空高压导线相对多旋翼无人机4的距离数据；

步骤4：配合IMU高精度角度传感器，步骤2和步骤3采集的第一交叉式跨越线8、第二交叉式跨越线9相对多旋翼无人机4的距离数据，经处理器计算后可以得到第一交叉式跨越线8、第二交叉式跨越线9相对起飞点1在三维空间的点云数据，并将第一交叉式跨越线8和第二交叉式跨越线9在三维空间中的点云数据通过所述无线模块传回地面端信息处理设备2。

如图3、4所示，将距离数据以及地理坐标转变为三维空间的点云数据，步骤是：

在三维空间中，以无人机指定起飞点作为参考点O，建立直角坐标系[O,e₁,e₂,e₃]；

无人机相对参考点O的位置为P(x',y',z')；

P'(x',y',0)为点P(x',y',z')在xoy平面的投影；

两座高压线塔之间的电线为黑色粗直线L1，L2(为了作图简洁，此处以直代曲)；

M₁(x₁,y₁,z₁)，M₂(x₂,y₂,z₂)是高压电线L1，L2上的点在直角坐标系[O,e₁,e₂,e₃]中的直角坐标信息；M₁PM₂平面即平面y＝y′,其平行于xoz平面；

以P为参考点在M₁PM₂平面建立极坐标系，M₁(ρ₁,θ₁)，M₂(ρ₂,θ₂)是如图3所示目标高压电线L1,L2上的点M₁,M₂相对于参考点P的极坐标信息。

在实际测量时，通过无人机空间定位技术以及IMU角度检测技术可以获得P(x',y',z')的高精度数据；激光雷达采集的距离和角度信息可以确定目标高压电线L1,L2上点M₁,M₂的极坐标数据M₁(ρ₁,θ₁)，M₂(ρ₂,θ₂)。所以目标高压电线L1,L2上点M₁,M₂的直角坐标数据可以通过如下方式计算得出：

x_i＝x_i'±ρ_i*cos(θ_i)；

y_i＝y_i'；

z_i＝z_i'±ρ_i*sin(θ_i)；

其中,i＝1,2

从而根据高压导线空间点云数据，模拟高压电网三维空间。

步骤5：地面端信息处理设备2接收天空端的点云数据，对高压电网进行高精度空间三维空间点集数据构建，利用拟合技术，通过输电线上若干控制点的坐标来逼近或拟合第一交叉式跨越线8和第二交叉式跨越线9的空间曲线。

步骤6：地面端信息处理设备2根据步骤5第一交叉式跨越线8和第二交叉式跨越线9的空间曲线数据，建立架空输电线交叉跨越净空距离曲线模型。

要拟架空高压线L1和L2净空距离曲线，需要通过距离公式展开进一步计算：

由观测数据，拟合结果f_real(t)近似一元二次函数。

因为***误差、偶然误差不可能完全消除，所以这里用最小二乘法对距离曲线做进一步优化，设定净空距离拟合函数f(t)为：

f(t)＝at²+bt+c

通过解上面方程组可得净空距离拟合函数f(t)的准确表达式，进而可以在二位平面上作出净空距离拟合函数图像。

本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于多旋翼无人机的交叉式跨越线距离测量方法，其特征在于，包括步骤：多旋翼无人机依次沿两条交叉式跨越线以固定距离飞行，实时获取无人机相对起飞点的位置信息，以及交叉式跨越线与无人机的位置数据，获取检测区域空间三维空间点云数据，根据上述点云数据建立架空输电线交叉跨越净空距离曲线模型，根据模型计算得到交叉式跨越线之间的距离。

2.根据权利要求1所述的基于多旋翼无人机的交叉式跨越线距离测量方法，其特征在于，包括步骤：

(1)操控多旋翼无人机从指定起飞点起飞，飞至检测区域；

(2)选定第一交叉式跨越线，以固定距离沿该线巡航，通过激光雷达获取第一交叉式跨越线相对于多旋翼无人机的位置数据，同时通过定位模块实时获取无人机相对起飞点的位置信息；

(3)检测区域内的第一交叉式跨越线巡航完毕后，以固定距离沿第二交叉式跨越线巡航，通过激光雷达获取第二交叉式跨越线相对于多旋翼无人机的位置数据，同时通过定位模块实时获取无人机相对起飞点的位置信息；

(4)将步骤(2)、(3)得到的位置数据和定位信息转换为三维空间中的点云数据；

(5)对三维空间中的点云数据，利用拟合技术，通过输电线上若干控制点的坐标来逼近或拟合第一交叉式跨越线和第二交叉式跨越线的空间曲线；

(6)根据步骤(5)所述空间曲线，建立架空输电线交叉跨越净空距离曲线模型。

3.根据权利要求2所述的基于多旋翼无人机的交叉式跨越线距离测量方法，其特征在于，多旋翼无人机沿两条交叉式跨越线以固定距离飞行的步骤是：在地面遥控设备上设置无人机与跨越线的安全阈值，无人机上的导航模块根据上述安全阈值自动锁定跨越线，地面的工作人员通过无人机上的摄像头实时查看空中巡检情况。

4.根据权利要求2所述的基于多旋翼无人机的交叉式跨越线距离测量方法，其特征在于，步骤(4)中，将步骤(2)、(3)得到的位置数据和定位信息转换为三维空间中的点云数据，步骤是：

(4-1)设定在三维空间中，以无人机指定起飞点作为参考点O，建立直角坐标系[O,e₁,e₂,e₃]，也即oxyz空间；其中，以xoy平面为地面，oz方向垂直于地面向上，无人机相对参考点O的位置为P(x',y',z')；P'(x',y',0)为点P(x',y',z')在xoy平面的投影；设定第一交叉式跨越线、第二交叉式跨越线为L1、L2，M₁(x₁,y₁,z₁)，M₂(x₂,y₂,z₂)分别表示线L1、L2上的点在直角坐标系[O,e₁,e₂,e₃]中的直角坐标信息；M₁PM₂平面即平面y＝y′,其平行于xoz平面；

(4-2)以P为参考点在M₁PM₂平面建立极坐标系，计算点M₁(x₁,y₁,z₁)、M₂(x₂,y₂,z₂)在该极坐标系中的极坐标，记为M₁(ρ₁,θ₁)、M₂(ρ₂,θ₂)；

(4-3)实际测量中，飞行器分别沿线L1、L2巡航，激光雷达采集距离和角度数据经处理后可以得到以P为参考点在M₁PM₂平面建立极坐标系的极坐标数据M₁(ρ₁,θ₁)、M₂(ρ₂,θ₂)，定位模块获得上述的P(x',y',z')，从而通过下述方式得到三维空间中的坐标：

x_i＝x_i'±ρ_i*cos(θ_i)；

y_i＝y_i'；

z_i＝z_i'±ρ_i*sin(θ_i)；

其中,i＝1,2。

5.根据权利要求2所述的基于多旋翼无人机的交叉式跨越线距离测量方法，其特征在于，步骤(6)中，建立架空输电线交叉跨越净空距离曲线模型，步骤是：

经分析，架空输电线交叉跨越净空距离近似是t的函数，t＝y′，

f(t)＝at²+bt+c

用最小二乘法原理优化架空输电线交叉跨越净空距离曲线的数学模型：

其中是无人机采集的L1、L2的真实净空距离，通过解上述方程组可以确定净空距离曲线模型f(t)的参数a、b、c。

6.一种用于实现权利要求1-5任一项所述交叉式跨越线距离测量方法的测量装置，其特征在于，包括多旋翼无人机、地面端信息处理设备和遥控设备，在所述多旋翼无人机下方设有激光雷达、摄像头和保护壳，在保护壳内设有定位模块、导航模块、处理器和无线模块，所述激光雷达、摄像头分别与处理器相连，定位模块、导航模块也分别与处理器相连，处理器通过无线模块分别与地面端信息处理设备和遥控设备进行数据通信；在测量时，多旋翼无人机依次沿两条交叉式跨越线以固定距离飞行。

7.根据权利要求6所述的测量装置，其特征在于，所述保护壳内还设有存储模块，存储模块与处理器相连。

8.根据权利要求6所述的测量装置，其特征在于，所述多旋翼无人机周边安装有距离检测传感器，距离检测传感器与处理器相连。

9.根据权利要求6所述的测量装置，其特征在于，所述定位模块包括IMU角度传感器。

10.根据权利要求6所述的测量装置，其特征在于，所述激光雷达采用脉冲式激光雷达。