CN113376641A - 电力架空线缆垂度的激光飞行检测方法及实现 - Google Patents

Abstract

一种用于电力架空线缆垂度的激光飞行检测方法及实现，由旋翼飞行器机载激光雷达/测距传感器，旋翼飞行器飞至被检架空电缆上方，进行测量；然后筛选测量数据；这些测量数据用于架空电缆的弧垂、对地距离的计算；1)对于任一电缆的某一测点的测量方法为：旋翼飞行器保持飞行高度与飞行速度不变，在飞行检测平面内以垂直于线缆走向的方向匀速横向扫过线缆；与此同时，激光雷达/测距传感器发出垂直于飞行检测平面且方向向下的检测激光束序列，持续获取飞行检测平面下方的线缆和障碍高度数据；2)利用模糊筛选器筛选测量数据，得到有效数据。

Description

电力架空线缆垂度的激光飞行检测方法及实现

技术领域

本发明属于无人机在架空线缆检测中的应用，具体是一种电力架空线缆垂度的激光飞行检测技术及实现方法。

背景技术

架空线缆是电力传输线路的主要实现形式，具有跨度大、距离远、覆盖地域广阔、地形、地貌复杂多样等特点。电力线缆的弧垂、距地高度及其分布状况对电力***安全、稳定运行均会产生直接的影响，也是电力线路施工、***运行的重要指标。其影响因素较多，影响机理也相对复杂，诸如导线的应力、覆冰、环境风速、覆盖区域的地形地貌以及运动物体等的异常与变化都会引起线缆弧垂及其相对地面距离的明显变化。同时，线缆高度、跨度、覆盖区域的地貌、风霜雨雾尘霾等恶劣气候环境条件也给电力线缆弧垂及其对地距离等的测量、监测带来更大的困难。上述的种种因素，使得电力架空线缆的弧垂、对地距离检测与监控成为电力施工、电力巡检的一个重要研究内容。

目前为止，架空输电线路的弧垂/距地测量主要执行弧垂检测，检测手段包括人工检测法、参数检测法与位置检测法等。其中，人工检测方法借助弛度板、观测仪、经纬仪等仪器装置，观测、计算相关参数，获取线缆垂度并调整。其典型方法包括等长法、异长法、角度法、准绳-秒表法、基线法等。受人工限制，无法实现弧垂的实时在线检测，同时高山、湖泊以及风霜雨雾等环境气候的影响较大，且强度大、效率低、存在安全隐患。

参数检测方法是弧垂检测与监测的一类间接方法，它利用输电线路的导线温度、应力、杆塔端的线路倾角以及电力传输产生的电磁场等影响参数，计算并检测弧垂。参数检测方法需事先通过理论分析、影响参数实验等手段，建立弧垂与参数的影响关系数学模型。典型的参数检测方法包括温度-弧垂检测法、应力-弧垂检测法、倾角-弧垂检测法、电磁场-弧垂检测方法等。

相较于人工方法，参数检测方法能够极大降低劳动强度，提高检测效率。同时，作为一类间接检测方法，模型精度、温度梯度与差异、材料差异与均匀性、风霜雨雾等环境因素以及传感器设置与布局等均会影响检测精度，产生检测偏差。此外，相关传感器安装、绝缘等也是该类方法需要考虑的问题。

位置检测方法是近来广受重视的一类线缆弧垂直接检测方法，它利用无人机、GPS、图像识别检测以及基于微波、声呐等新型测距技术，解决电力线缆弧垂检测中的大跨度、远距离、复杂地貌、环境问题；通过获取架空输电线缆的空间三维形状，结合根据线缆与杆塔间的几何位置关系，确定线缆的实际弧垂及分布状况。

典型的位置检测方法包括图像检测方法、全球导航卫星定位检测方法、声呐/微波检测方法等，该类方法受地形、地貌、温度、气候、跨距等的影响较小，检测方便、效率高，能达到较高的精度；同时存在***运算处理与结构复杂，成本高昂，需长距离复杂环境通信、高精度GPS定位***以及高品质图像采集与识别算法与***等问题。

总体而言，纵然存在通信、导航、识别算法等方面的诸多问题，集合了GPS、旋翼飞行器以及声呐/微波测距等新兴技术的输电线路状况位置检测方法，仍然不失为高压电力线缆的弧垂及分布状况、对地距离全貌的检测与监测的一个完美解决方案；同时，也是该领域当前研究的一个重要内容。

发明内容

本发明的目的是，提出一种利用旋翼无人机对架空电缆的弧垂、对地距离进行检测和确定的技术方案。在弧垂计算过程中所需的测点高度数据获取过程中，采用模糊筛选器筛选数据，并把筛得数据送给地面计算机进行弧垂计算。

现有技术采用的位置检测方法是近来广受重视的一类线缆弧垂直接检测方法，典型的位置检测方法包括图像检测方法、全球导航卫星定位检测方法、声呐/微波检测方法等。该些方法受地形、地貌、温度、气候、跨距等的影响较小，检测方便、效率高，能达到较高的精度。但是这些方法存在***运算处理与结构复杂，成本高昂，需长距离复杂环境通信、高精度GPS定位***以及高品质图像采集与识别算法与***等问题。

本方法采用激光雷达或激光测距传感器采集数据，数据量以及数据传输量较小、数据运算及***复杂程度低、数据处理相对简单，通过数据筛选识别电缆，检测精度高。

本发明具体为：一种电力架空线缆垂度的激光飞行检测方法，由旋翼飞行器机载激光雷达/测距传感器，旋翼飞行器飞至被检架空电缆上方，进行测量；然后筛选测量数据；这些测量数据用于架空电缆的弧垂、对地距离计算；

线缆的待测点位置是线缆杆塔之间距离的n等分点。

1)对于任一电缆的某一测点的测量方法为：

旋翼飞行器保持飞行高度与飞行速度不变，在飞行检测平面(即固定飞行高度)内以垂直于线缆走向的方向匀速横向(即电缆的水平径向)扫过线缆；

与此同时，激光雷达/测距传感器发出垂直于飞行检测平面且方向向下的检测激光束序列，持续获取飞行检测平面下方的线缆和障碍高度数据；

2)利用模糊筛选器筛选测量数据，得到一组典型有效数据，这组数据包括h₀、h₁、h₂、…、h_n-1、h_n，其中：h₀、h_n为测点处待测线缆两侧的地面数据，h₁、h₂、…、h_n-1为测点处待测线缆上的高度信息数据；

筛选测量数据的方法为：

首先进行定义，以被测位置离开检测平面的距离为高度，定义：[h₀,h₁,h₂,…,h_n-1,h_n]为一个含有n+1个测点高度数据的集合A，飞行扫描检测速度V_s，激光雷达/测距传感器采样周期T_s，同时特做以下定义：

测点左端高度变化δ₁：δ₁＝h₁-h₀ (1)

测点右端高度变化δ₂：δ₂＝h_n-h_n-1 (2)

测点高度保持状况Δh：Δh＝|MIN(h₁，...，h_n-1)-H| (3)

测点计算直径偏差Δd：Δd＝|d-d₀|＝|(n-1)T_sV_s-d₀| (4)

对一组含有n+1个检测数据构成的数据集A，若数据集A满足以下所有条件，则认为数据集A中数据为测点有效数据，亦即A为测点有效数据集；

条件包括：

测点左端高度数据急剧变小；测点右端高度数据急剧变大；测点距飞行检测平面高度差基本不变，Δh取值较小；测点的线缆计算直径d接近线缆实际直径d₀，Δd取值较小；

式(3)中，H是飞行检测平面与线缆测点的设定距离；

式(4)中的d为线缆计算直径，通过d＝(n-1)T_sV_s估算得到；其中d₀为线缆实际直径；

模糊筛选器设计方法为：

分别定义正大、正小、零、负小、负大5个模糊数，用以描述测点数据集A的左端高度变化δ₁、右端高度变化δ₂；模糊变量δ₁、δ₂的隶属度函数分别为：

定义大、中、小3个模糊数，用以描述测点数据集的高度保持状况Δh、计算直径偏差Δd，分别对应模糊集B、M、S，模糊变量Δh、Δd的隶属度函数分别为：

在数据集A的论域上定义标准有效测点数据集B，B为含有n+1个数据的集合[h_b0,h_b1,h_b2,…,h_bn-1,h_bn]，B的左端高度变化δ_b1、测点右端高度变化δ_b2、测点高度保持状况Δh_b、测点计算直径偏差Δd_b，则有：

δ_b1对NB隶属度μ_δb1-NB为“1”，即测点左端高度数据急剧变小；

δ_b2对PB隶属度μ_δb2-PB为“1”，即测点右端高度数据急剧变大；

Δh_b对S隶属度μ_Δhb-S为“1”，即Δh为“0”，测点距飞行检测平面高度差不变；

Δd_b对S隶属度μ_Δdb-S为“1”，即测点的线缆计算直径d等于线缆实际直径d₀，Δd取值较小(为“0”)。

假定有测点实际数据集C，C为含有n+1个数据的集合[h_c0,h_c1,h_c2,…,h_cn-1,h_cn]，C的左端高度变化δ_c1、测点右端高度变化δ_c2、测点高度保持状况Δh_c、测点计算直径偏差Δd_c，μ_δc1-NB为根据δ₁的隶属度函数得到的δ_c1对NB的隶属度，μ_δc2-PB为根据δ₂的隶属度函数得到的δ_c2对PB的隶属度，μ_Δhc-S为根据Δh的隶属度函数得到的Δh_c对S的隶属度，μ_Δdc-S为根据Δd的隶属度函数得到的Δd_c对S的隶属度，则测点实际数据集C与标准有效测点数据集B的贴近度为：

s_c＝μ_δc1-NB∧μ_δc2-PB∧μ_Δhc-S∧μ_Δdc-S (5)

当贴近度s_c>0.65，认为测点实际数据集C贴近标准有效测点数据集B，即测点实际数据集C为测点有效数据集，予以保留。

弧垂计算中，杆塔间的架空电缆被简化为无刚性绳索，在自身重力的作用下呈自然悬垂状；两杆塔间的电缆垂度采用抛物线方程近似，方法为通过分段抛物线模拟线缆的垂度变化曲线进行计算。

一种采用上述方法的电力架空线缆垂度的激光飞行检测***，包括：旋翼飞行器、机载检测设备、无线传输设备和杆塔位置及高度检测设备；

机载检测设备包括图像采集设备、机载计算机、激光雷达/测距传感器，主要实现检测作业图像采集及实时传输、线缆扫描与跟踪控制、测点识别及测量控制与检测数据信息传输等功能；

地面监控设备包括：飞行遥控和监控计算机；用于作业图像监控与紧急干预、测点信息收集与处理、线缆弧垂及对地距离状况显示与分析；

无线传输设备实现检测过程中旋翼飞行器、机载检测设备、地面监控设备和杆塔位置及高度检测设备之间的数据传输与交换；

所述机载计算机利用模糊筛选器来对测量数据进行筛选，在测点数据筛选时，机载计算机持续获取并监测得到的高度测量数据，根据数据的变化状况完成数据截取、隶属度计算，实现模糊推理过程，得到实际检测数据集C＝[h_c0,h_c1,h_c2,…,h_cn-1,h_cn]与标准数据集B的贴近度并判别采集数据的有效性。

附图说明

图1是架空线缆弧垂/距地检测***原理示意图；

图2a)是线缆的测点距地高度飞行检测原理示意图；

图2b)是数据筛选后得到的线缆测点及地面的一组典型有效数据示意图；

图3a)是模糊变量δ1的隶属度函数图；

图3b)是模糊变量δ2的隶属度函数图；

图4a)是模糊变量Δh的隶属度函数；

图4b)是模糊变量Δd的隶属度函数；

图5是采用抛物线模拟的线缆垂度曲线。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明进一步说明。

1.综述

本例中，将多旋翼飞行控制、GPS导航与控制、高精度激光测量控制等应用于高压电力架空输电线缆的垂度、对地距离及其分布状况等的检测与监测，通过多旋翼飞行器解决检测中面临的复杂地形、地貌与线缆的大跨度、远距离问题；基于输电导线的悬链线方程或抛物线方程建立高精度垂度分布模型，结合大行程的激光测距技术解决现有位置检测中的精度问题，研制面向电力架空线缆施工与电力巡检，低成本、高可靠的高压电力架空线缆垂度、对地距离及其分布的飞行激光嵌入式监测***。

2.检测原理与检测***

2.1飞行检测***

本例的基于四旋翼飞行器的高压电力架空线缆垂度、对地距离及分布状况的飞行激光监测原理与***结构如图1所示。

监测***的基本构成主要包括旋翼飞行器与机载检测设备、地面监控设备、无线传输设备、杆塔位置及高度检测设备等。

旋翼飞行器与机载检测设备包括旋翼飞行器及图像采集传输设备、机载计算机及软件、激光雷达/测距传感器，主要实现检测作业图像采集及实时传输、线缆扫描与跟踪控制、测点识别及测量控制与检测数据信息传输等功能；***的地面监控包括飞行遥控、监控计算机等设备，主要完成作业图像监控与紧急干预、测点信息收集与处理、线缆弧垂及对地距离状况显示与分析等任务；杆塔位置与高度检测为机载计算机提供线缆起终点的地理位置信息与高度数据，主要用于线缆覆盖区域信息数据与飞行跟踪轨迹的计算；无线传输设备实现检测过程中旋翼飞行器与机载检测设备、地面监控设备、杆塔位置及高度检测设备之间的高速、实时数据传输与交换，适于野外恶劣环境的要求，其采用无线数传电路，不采用商用网络。

2.2***功能设计

旋翼飞行器的主要作用是搭载机载计算机、激光雷达/测距传感器等检测设备，根据机载计算机发出的飞行跟踪指令，跟踪架空线缆，扫描杆塔、架空线缆所覆盖的地域，依次实现各测点检测需要的高度、地理位置；通过附带的图像采集及传输设备，旋翼飞行器采集检测作业图像并将其送至地面监控；同时，飞行器接受地面监控端遥控器的飞行指令，实现飞行检测的人工干预。执行检测任务时，旋翼飞行器还响应机载计算机请求，送出***当前的GPS信息，用作位置反馈。

机载计算机及控制软件的主要功能包括飞行轨迹规划与跟踪控制、激光测量控制、线缆测点识别与数据提取等。执行飞行跟踪控制时，机载计算机向飞行器发出GPS数据信息请求，比较飞行检测***、线缆杆塔间的地理位置，根据位置关系计算飞行器航向、本段飞行目标点，形成飞行跟踪轨迹与指令并发至旋翼飞行器，实现线缆跟踪与扫描。

线缆跟踪过程中，激光雷达/测距传感器接受机载计算机指令，持续采集旋翼飞行器下方的障碍距离信息并将其送至机载计算机。机载计算机软件根据距离及其变化状况识别线缆测点与地面，筛选距离数据获得测点及地面高度信息；最后，机载计算机将GPS数据及测点、地面高度信息传至地面监控设备，绘制弧垂曲线、地面高度形貌并计算线缆弧垂。

杆塔位置及高度检测设备用于线缆飞行检测过程中扫描区域的确定与旋翼机飞行器的高度控制。执行线缆检测作业时，机载计算机通过无线传输向杆塔位置及高度检测设备发出数据请求，获取线缆两端的杆塔位置与高度信息，利用杆塔位置确定线缆检测需要覆盖的区域；同时，根据杆塔高度、位置以及旋翼机的位置、高度，实现旋翼飞行器的高度调节，使旋翼飞行器与待测电力线缆保持恒定的高度差，以保证检测安全、顺利地进行。

监控计算机接收旋翼飞行器与机载检测设备获得的测点与地面的地理位置、高度信息，根据电力线缆的垂度分布状况模型，计算各测点之间线缆各点的对地距离，绘制垂度状况分布曲线，求取最大值计算线缆弧垂；同时，根据离散测点地面的高度信息，计算补充测点之间的地貌信息，绘制地面曲线。

3.测点高度检测

3.1测点检测原理

线缆上各测点距地高度的飞行检测原理如图2a)和图2b)所示。执行检测时，机载计算机根据被测线缆间距、数量、直径等计算线缆的横向覆盖宽度；而后，旋翼飞行器保持飞行高度与飞行速度不变，在飞行检测平面内以垂直于线缆走向的方向匀速横向扫过待测线缆；机载计算机控制激光雷达/测距传感器，发出垂直于飞行检测平面且方向向下的检测激光束序列，持续获取飞行检测平面下方的线缆、地面等障碍信息，如图2a)所示。

实施上述检测时，检测激光束覆盖整个飞行起终点、地面与飞行检测平面围成的线缆检测截面，数据量较大，机载计算机需对原始的测量数据进行筛选，留取测点及地面数据的有效信息，以便于数据处理、存储与传输，同时也有利于***结构与处理过程的简化。如图2b)所示即为数据筛选后得到的线缆测点及地面的一组典型有效数据，其中，h₀、h_n为测点处待测线缆两侧的地面数据，h₁、h₂、…、h_n-1等为测点处待测线缆上的高度信息数据。组内的数据个数取决于执行检测时旋翼飞行器的飞行扫描速度与线缆直径，要求选取的飞行速度至少能够保证得到2个以上的测点线缆数据。

上述的横向扫描结束，旋翼飞行器航向调整，平行于待测线缆的走向飞至下一组待测测点，而后调整航向，使之再次垂直于线缆走向，开始下一组测点的横向扫描检测。当线缆两端杆塔海拔高度存在偏差，旋翼飞行器调整飞行高度，使飞行检测平面与测点距离基本保持恒定距离。

3.2测点数据的模糊筛选方法及实现

3.2.1模糊筛选原理

机载计算机利用特定的模糊筛选器分析检测数据的取值情况及其变化状况，识别测点数据，分割测点处的线缆数据与地面信息，筛检冗余的地面数据。便于描述测点数据特征，将高度定义为图2a)和图2b)所示被测位置离开检测平面的距离，结合图2b)所示的测点典型数据，定义[h₀,h₁,h₂,…,h_n-1,h_n]为一个含有n+1个测点高度数据的集合A，飞行扫描检测速度V_s，激光雷达/测距传感器采样周期T_s，同时特做以下定义：

①测点左端高度变化δ₁：

δ₁＝h₁-h₀ (3-1)

②测点右端高度变化δ₂：

δ₂＝h_n-h_n-1 (3-2)

③测点高度保持状况Δh：

Δh＝|MIN(h₁，...，h_n-1)-H| (3-3)

④测点计算直径偏差Δd：

Δd＝|d-d₀|＝|(n-1)T_sV_s-d₀| (3-4)

采用上述定义，结合图2b)所示的测点典型数据集与线缆检测过程的描述，可以将测点有效数据的判断方法归结为：

对一组含有n+1个检测数据构成的数据集A，若数据集A满足条件：

①测点左端高度数据急剧变小；②测点右端高度数据急剧变大；③测点距飞行检测平面高度差基本不变，Δh取值较小；④测点的线缆计算直径d接近线缆实际直径d₀，Δd取值较小。

则认为：数据集A中数据为测点有效数据，亦即A为测点有效数据集。

公式3-3中的H是飞行检测平面与线缆测点的设定距离。如果检测过程中由于弧垂、地形等原因，引起飞行检测平面与线缆测点的实际距离与H偏差过大，旋翼飞行器调整飞行检测平面高度。本文的H值设定为5m，希望飞行检测平面与测点在高度方向上维持5m左右的距离。

条件④中的d为线缆计算直径，通过d＝(n-1)T_sV_s估算得到；其中d₀为实际线缆直径。

3.2.2模糊筛选器设计

根据上述原理，分别定义正大、正小、零、负小、负大5个模糊数，用以描述测点数据集A的左端高度变化δ₁、右端高度变化δ₂，模糊变量δ₁、δ₂的隶属度函数分别如图3a)、3b)所示。

定义大、中、小3个模糊数描述测点数据集的高度保持状况Δh、计算直径偏差Δd，分别对应模糊集B、M、S，模糊变量Δh、Δd的隶属度函数如图4a)、4b)所示。

在测点数据集A的论域上定义标准有效测点数据集B，B为含有n+1数据的集合[h_b0,h_b1,h_b2,…,h_bn-1,h_bn]，B的左端高度变化δ_b1、测点右端高度变化δ_b2、测点高度保持状况Δh_b、测点计算直径偏差Δd_b，则根据筛选原理有：

①δ_b1对NB隶属度μ_δb1-NB为“1”，即测点左端高度数据急剧变小；

②δ_b2对PB隶属度μ_δb2-PB为“1”，即测点右端高度数据急剧变大；

③Δh_b对S隶属度μ_Δhb-S为“1”，即Δh为“0”(较小)，测点距飞行检测平面高度差(本文5m)不变；

④Δd_b对S隶属度μ_Δdb-S为“1”，即测点的线缆计算直径d等于线缆实际直径d₀，Δd取值较小(为“0”)。

假定有测点实际数据集C，C为含有n+1数据的集合[h_c0,h_c1,h_c2,…,h_cn-1,h_cn]，C的左端高度变化δ_c1、测点右端高度变化δ_c2、测点高度保持状况Δh_c、测点计算直径偏差Δd_c，μ_δc1-NB为根据δ₁的隶属度函数得到的δ_c1对NB的隶属度，μ_δc2-PB为根据δ₂的隶属度函数得到的δ_c2对PB的隶属度，μ_Δhc-S为根据Δh的隶属度函数得到的Δh_c对S的隶属度，μ_Δdc-S为根据Δd的隶属度函数得到的Δd_c对S的隶属度，则数据集C与标准有效测点数据集B的贴近度为：

S_c＝μ_δc1-NB∧μ_δc2-PB∧μ_Δhc-S∧μ_Δdc-S (3-5)

当贴近度s_c>0.65，认为数据集C贴近标准有效测点数据集B，即C为测点有效数据集，应予以保留。

3.2.3模糊筛选器的实现

实现测点数据筛选时，机载计算机持续获取并监测得到的高度数据，根据数据的变化状况完成数据截取、隶属度计算等内容，实现模糊推理过程，得到实际检测数据集C＝[h_c0,h_c1,h_c2,…,h_cn-1,h_cn]与标准数据集B的贴近度并判别采集数据的有效性。处理的具体过程为：

①初始化：

分别开辟缓冲区存储检测数据、有效数据，清零有效数据个数n，即n＝0。

②左端数据判别：

获取数据并与前一数据比较，计算δ_c1，同时利用δ₁的隶属度函数计算μ_δc1-NB；

若隶属度μ_δc1-NB>0.65，将前一数据、当前数据分别存入h_c0、h_c1，n＝2，当前判别完成，进入右端数据判别；

若μ_δc1-NB≤0.65，当前数据存入h_c0，n保持，继续左端数据判别；

③右端数据判别：

获取数据，存入h_n并与前一数据比较，计算δ_c2，同时利用δ₂的隶属度函数计算隶属度μ_δc2-PB；若μ_δc2-PB>0.65，n不变，当前判别完成，进入高度保持判别；

若μ_δc2-PB≤0.65，利用d＝(n-1)T_sV_s计算线缆直径估算值d，进而计算Δd_c＝|(n-1)T_sV_s-d₀|，d₀为线缆实际直径；利用Δd的隶属度函数计算Δd_c对B的隶属度μ_Δdc-B，若μ_Δdc-B≤0.65，n加1，继续右端数据判别；

若μ_δc2-PB≤0.65，同时μ_Δdc-B>0.65，表明长时间未检测到测点右端数据，当前数据集无效。需要清空当前数据集，清零有效数据个数n，等待新的数据来临，重新开始测点数据的采集；

④高度保持判别

执行高度保持判别时，机载计算机利用公式Δh_c＝|MIN(h_c1,h_c2,…,h_cn-1)-H|计算测点-飞行检测平面距离设定值与当前值的偏差Δh_c，随后利用Δh的隶属度函数计算隶属度μ_Δhc-S；

若μ_Δhc-S>0.65，当前判别完成，进入计算直径偏差判别；

若μ_Δhc-S≤0.65，当前数据集无效，清空当前数据集，清零有效数据个数n，重新开始测点数据的采集；

⑤计算直径偏差判别

执行计算直径偏差判别时，计算Δd_c＝|(n-1)T_sV_s-d₀|，d₀为线缆实际直径。而后，利用Δd的隶属度函数计算Δd_c对S的隶属度μ_Δdc-S。

若μ_Δdc-S≤0.65，测点C＝[h_c0,h_c1,h_c2,…,h_cn-1,h_cn]为无效数据，丢弃当前数据集，清零有效数据个数n，重新开始测点数据采集；

若μ_Δdc-S≥0.65，测点C＝[h_c0,h_c1,h_c2,…,h_cn-1,h_cn]为有效测点，***求取值MIN[h_c1,h_c2,…,h_cn-1]，根据H值调整量对其进行调整，得到线缆测点高度数据；同时，将数据集C的数据h_c0作为测点的地面距飞行检测平面距离。

需要特别说明的是，当线缆两端杆塔地面海拔不同，或者线缆垂度过大时，会升高或降低飞行检测平面高度，计算线缆测点数据时，需计入此时飞行检测平面的高度改变量。

测点检测完成后，机载计算机将测点数据(测点离开起点杆塔飞行检测平面的距离，起点杆塔在飞行检测平面的垂足也是垂度曲线的坐标原点)，测点地理位置信息以及测点、地面距飞行检测平面的距离送至地面监控计算机，绘制弧垂及地面高度分布曲线。

4.弧垂计算与线缆垂度曲线

线缆弧垂检测与计算中，杆塔间的架空输电线缆通常被简化为无刚性绳索，在自身重力的作用下呈自然悬垂状。一般认为，两端杆塔之间的输电线缆垂度分布状况服从悬链线方程，便于计算，工程上也可采用抛物线方程近似。本文即采用抛物线方程来近似，为提高计算精度，避免过大的模型误差，这里通过分段抛物线模拟线缆的垂度变化曲线，如图5所示。

图5所示的线缆弧垂曲线中，假定被测线缆具有n+1个等距测点T₀、T₁、…、T_n-1、T_n，构成线缆的测点集合T，即[T₀,T₁,…,T_n-1,T_n]；测点离开线缆起点的距离分别为L₀、L₁、…、L_n-1、L_n，对应集合L即[L₀,L₁,…,L_n-1,L_n]；测点对应的垂度数据集合F即[f₀,f₁,…,f_n-1,f_n]，则在距线缆起点水平距离L_m处的线缆垂度通过分段抛物线求取，具体计算方法与过程为：

①测点获取与存储：

地面监控计算机获取线缆测点高度、地面与地理位置数据，计算测点与起点水平距离，依次将数据分别存入距离集合L、垂度数据集合F以及地面高度对应的缓冲区。

②分段抛物线的求取：

在测点集T中按顺序依次选取3个测点，根据方程组(4-1)确定系数a_k、b_k与c_k并存入对应的系数缓冲区：

确定的该段抛物线方程为：

f＝a_kl²+b_kl+c_k (4-2)

③线缆距离起点L_m处的垂度f_m的求取：

若L₀≤L_m≤L₁：

若L_n-1≤L_m≤L_n：

若L_j-1≤L_m<L_j，1<j<n：

其中，f_L与f_R为中间计算值。

按照上述方法，改变L_m，求取对应的线缆垂度f_m并存储，绘制垂度曲线、地面高度曲线。

④线缆的最大弧垂f_max的求取：

假定测点中的最大垂度发生在第i个测点L_i处，线缆最大弧垂f_max发生在距离起点L_max处，f_max与L_max分别为：

利用公式(4-6)计算、显示并存储线缆最大弧垂。

Claims (5)

1.一种电力架空线缆垂度的激光飞行检测方法，其特征是由旋翼飞行器机载激光雷达/测距传感器，旋翼飞行器飞至被检架空电缆上方，对电缆测点进行测量；然后筛选测量数据；这些测量数据用于架空电缆的弧垂、对地距离计算；

1)对于任一电缆的某一测点的测量方法为：

旋翼飞行器保持飞行高度与飞行速度不变，在飞行检测平面内以垂直于线缆走向的方向匀速横向扫过线缆；

与此同时，激光雷达/测距传感器发出垂直于飞行检测平面且方向向下的检测激光束序列，持续获取飞行检测平面下方的线缆和障碍高度数据；

2)利用模糊筛选器筛选测量数据，得到一组典型有效数据，这组数据包括h₀、h₁、h₂、…、h_n-1、h_n，其中：h₀、h_n为测点处待测线缆两侧的地面数据，h₁、h₂、…、h_n-1为测点处待测线缆上的高度信息数据；

筛选测量数据的方法为：

首先进行定义，以被测位置离开检测平面的距离为高度，定义：[h₀,h₁,h₂,…,h_n-1,h_n]为一个含有n+1个测点高度数据的集合A，飞行扫描检测速度V_s，激光雷达/测距传感器采样周期T_s，同时特做以下定义：

测点左端高度变化δ₁：δ₁＝h₁-h₀ (1)

测点右端高度变化δ₂：δ₂＝h_n-h_n-1 (2)

测点高度保持状况Δh：Δh＝|MIN(h₁，...，h_n-1)-H| (3)

测点计算直径偏差Δd：Δd＝|d-d₀|＝|(n-1)T_sV_s-d₀| (4)

对一组含有n+1个检测数据构成的数据集A，若数据集A满足以下所有条件，则认为数据集A中数据为测点有效数据，亦即A为测点有效数据集；

条件包括：

测点左端高度数据急剧变小；测点右端高度数据急剧变大；测点距飞行检测平面高度差基本不变，Δh取值较小；测点的线缆计算直径d接近线缆实际直径d₀，Δd取值较小；

式(3)中，H是飞行检测平面与线缆测点的设定距离；

式(4)中的d为线缆计算直径，通过d＝(n-1)T_sV_s估算得到；其中d₀为线缆实际直径；

模糊筛选器设计方法为：

分别定义正大、正小、零、负小、负大5个模糊数，用以描述测点数据集A的左端高度变化δ₁、右端高度变化δ₂；模糊变量δ₁、δ₂的隶属度函数分别为：

定义大、中、小3个模糊数，用以描述测点数据集的高度保持状况Δh、计算直径偏差Δd，分别对应模糊集B、M、S，模糊变量Δh、Δd的隶属度函数分别为：

在数据集A的论域上定义标准有效测点数据集B，B为含有n+1个数据的集合[h_b0,h_b1,h_b2,…,h_bn-1,h_bn]，B的左端高度变化δ_b1、测点右端高度变化δ_b2、测点高度保持状况Δh_b、测点计算直径偏差Δd_b，则有：

δ_b1对NB隶属度μ_δb1-NB为“1”，即测点左端高度数据急剧变小；

δ_b2对PB隶属度μ_δb2-PB为“1”，即测点右端高度数据急剧变大；

Δh_b对S隶属度μ_Δhb-S为“1”，即Δh为“0”，测点距飞行检测平面高度差不变；

Δd_b对S隶属度μ_Δdb-S为“1”，即测点的线缆计算直径d等于线缆实际直径d₀，Δd取值较小(为“0”)。

假定有测点实际数据集C，C为含有n+1个数据的集合[h_c0,h_c1,h_c2,…,h_cn-1,h_cn]，C的左端高度变化δ_c1、测点右端高度变化δ_c2、测点高度保持状况Δh_c、测点计算直径偏差Δd_c，μ_δc1-NB为根据δ₁的隶属度函数得到的δ_c1对NB的隶属度，μ_δc2-PB为根据δ₂的隶属度函数得到的δ_c2对PB的隶属度，μ_Δhc-S为根据Δh的隶属度函数得到的Δh_c对S的隶属度，μ_Δdc-S为根据Δd的隶属度函数得到的Δd_c对S的隶属度，则测点实际数据集C与标准有效测点数据集B的贴近度为：

s_c＝μ_δc1-NB∧μ_δc2-PB∧μ_Δhc-S∧μ_Δdc-S (5)

当贴近度s_c>0.65，认为测点实际数据集C贴近标准有效测点数据集B，即测点实际数据集C为测点有效数据集，予以保留。

2.根据权利要求1所述的电力架空线缆垂度的激光飞行检测方法，其特征是当线缆两端杆塔地面海拔不同、或者线缆垂度过大时，则升高或降低飞行检测平面高度，计算线缆测点数据时，计入此时飞行检测平面的高度改变量。

3.根据权利要求1所述的电力架空线缆垂度的激光飞行检测方法，其特征是测点检测完成后，测点数据、测点地理位置信息以及测点、地面距飞行检测平面距离被送至地面监控计算机用于绘制弧垂及地面高度分布曲线。

4.根据权利要求1所述的电力架空线缆垂度的激光飞行检测方法，其特征是弧垂计算中，杆塔间的架空电缆被简化为无刚性绳索，在自身重力的作用下呈自然悬垂状；两杆塔间的电缆垂度采用抛物线方程近似，方法为通过分段抛物线模拟线缆的垂度变化曲线；

假定被测线缆具有n+1个等距测点T₀、T₁、…、T_n-1、T_n，构成线缆的测点集合T，即[T₀,T₁,…,T_n-1,T_n]；测点离开线缆起点的距离分别为L₀、L₁、…、L_n-1、L_n，对应集合L即[L₀,L₁,…,L_n-1,L_n]；测点对应的垂度数据集合F即[f₀,f₁,…,f_n-1,f_n]，则在距线缆起点水平距离L_m处的线缆垂度通过分段抛物线求取，计算方法与过程为：

①测点获取与存储：

地面监控计算机获取线缆测点高度、地面与地理位置数据，计算测点与起点水平距离，依次将数据分别存入距离集合L、垂度数据集合F以及地面高度对应的缓冲区；

②分段抛物线的求取：

在测点集T中按顺序依次选取3个测点，根据式(6)确定系数a_k、b_k与c_k并存入对应的系数缓冲区：

确定的该段抛物线方程为：

f＝a_kl²+b_kl+c_k (7)

③线缆距离起点L_m处的垂度f_m的求取：

若L₀≤L_m≤L₁：

若L_n-1≤L_m≤L_n：

若L_j-1≤L_m<L_j，1<j<n：

其中，f_L与f_R为中间计算值；

改变L_m，求取对应的线缆垂度f_m并存储，绘制垂度曲线、地面高度曲线；

④线缆的最大弧垂f_max的求取：

假定测点中的最大垂度发生在第i个测点L_i处，线缆最大弧垂f_max发生在距离起点L_max处，f_max与L_max分别为：

利用公式(11)计算、显示并存储线缆最大弧垂。

5.一种采用权利要求1～4任一所述方法的电力架空线缆垂度的激光飞行检测***，其特征是包括：旋翼飞行器、机载检测设备、无线传输设备和杆塔位置及高度检测设备；

机载检测设备包括图像采集设备、机载计算机、激光雷达/测距传感器，主要实现检测作业图像采集及实时传输、线缆扫描与跟踪控制、测点识别及测量控制与检测数据信息传输等功能；

地面监控设备包括：飞行遥控和监控计算机；用于作业图像监控与紧急干预、测点信息收集与处理、线缆弧垂及对地距离状况显示与分析；

无线传输设备实现检测过程中旋翼飞行器、机载检测设备、地面监控设备和杆塔位置及高度检测设备之间的数据传输与交换；

所述机载计算机利用模糊筛选器来对测量数据进行筛选，在测点数据筛选时，机载计算机持续获取并监测得到的高度测量数据，根据数据的变化状况完成数据截取、隶属度计算，实现模糊推理过程，得到实际检测数据集C＝[h_c0,h_c1,h_c2,…,h_cn-1,h_cn]与标准数据集B的贴近度并判别采集数据的有效性，过程为：

①初始化：

分别开辟缓冲区存储检测数据、有效数据，清零有效数据个数n，即n＝0；

②左端数据判别：

获取数据并与前一数据比较，计算δ_c1，同时利用δ₁的隶属度函数计算μ_δc1-NB；

若隶属度μ_δc1-NB>0.65，将前一数据、当前数据分别存入h_c0、h_c1，n＝2，当前判别完成，进入右端数据判别；

若μ_δc1-NB≤0.65，当前数据存入h_c0，n保持，继续左端数据判别；

③右端数据判别：

获取数据，存入h_n并与前一数据比较，计算δ_c2，同时利用δ₂的隶属度函数计算隶属度μ_δc2-PB；若μ_δc2-PB>0.65，n不变，当前判别完成，进入高度保持判别；

若μ_δc2-PB≤0.65，利用d＝(n-1)T_sV_s计算线缆直径估算值d，进而计算Δd_c＝|(n-1)T_sV_s-d₀|，d₀为线缆实际直径；利用Δd的隶属度函数计算Δd_c对B的隶属度μ_Δdc-B，若μ_Δdc-B≤0.65，n加1，继续右端数据判别；

若μ_δc2-PB≤0.65，同时μ_Δdc-B>0.65，表明长时间未检测到测点右端数据，当前数据集无效。需要清空当前数据集，清零有效数据个数n，等待新的数据来临，重新开始测点数据的采集；

④高度保持判别

执行高度保持判别时，机载计算机利用公式Δh_c＝|MIN(h_c1,h_c2,…,h_cn-1)-H|计算测点-飞行检测平面距离设定值与当前值的偏差Δh_c，随后利用Δh的隶属度函数计算隶属度μ_Δhc-S；

若μ_Δhc-S>0.65，当前判别完成，进入计算直径偏差判别；

若μ_Δhc-S≤0.65，当前数据集无效，清空当前数据集，清零有效数据个数n，重新开始测点数据的采集；

⑤计算直径偏差判别

执行计算直径偏差判别时，计算Δd_c＝|(n-1)T_sV_s-d₀|，d₀为线缆实际直径。而后，利用Δd的隶属度函数计算Δd_c对S的隶属度μ_Δdc-S。

若μ_Δdc-S≤0.65，测点C＝[h_c0,h_c1,h_c2,…,h_cn-1,h_cn]为无效数据，丢弃当前数据集，清零有效数据个数n，重新开始测点数据采集；

若μ_Δdc-S≥0.65，测点C＝[h_c0,h_c1,h_c2,…,h_cn-1,h_cn]为有效测点，***求取值MIN[h_c1,h_c2,…,h_cn-1]，根据H值调整量对其进行调整，得到线缆测点高度数据；同时，将数据集C的数据h_c0作为测点的地面距飞行检测平面距离。

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