基于载波相位差分定位的输电线路无人机自主巡检研究及应用

引言

近几年,作为新兴的巡检工具,无人机已凭借其机动灵活、成本低、环境要求低、便于携带和运输、可带电作业、不受地形限制等诸多优势,在输电线路的日常巡检与精细化巡检作业中得到了广泛应用。国网公司于2015年在公司范围内开始全面推广小型多旋翼无人机和固定翼无人机巡检:南方电网公司于2015年成立机巡中心,重点发展电力无人机应用能力,发布标准体系,开展核心技术攻关工作。我国输电线路巡检由此逐渐形成了"机巡为主、人巡为辅"的运维管理新模式,也推动了输电线路无人机作业安全管控、缺陷智能识别等关键技术的研究和应用。

但随着这些技术的应用,人工操控要求高、空间定位精度不高、智能化程度低等问题逐渐显现了出来,再加上输电线路所在地域、地貌及各种自然因素的影响,对运维人员的飞行操控技能要求也越来越高,无人机巡检开始面临运维人员不敢飞、不愿飞等问题。基于此,以载波相位差分定位技术（RTK）为支撑,首先由人工操控无人机开展线路飞巡,然后利用无人机记录的航线轨迹将航拍轨迹点精确的经纬度、海拔高度和摄像头俯仰角度等信息提取出来,进行无人机航线规划,即可据此进行无人机自主巡检,实现无人机巡检的规范化和标准化作业。

1无人机自主巡检原理

传统的无人机巡检,由人工操控无人机对杆塔及线路各部件进行近距离高清拍摄。但因地面无人机操控人员的视角不同,无法进行精确定位,工作效率较低,且会因定位精度影响无人机巡检图像和线路设备检测的有效性。

输电线路无人机自主巡检,首先需要规划出相应的飞行航线。无人机航线由一系列航点构成,航线规划的实质就是航点设计及巡检点坐标设计。无人机飞巡时,无人机控制系统会记录GPS、驱动系统和飞控信息。利用飞控信息可重新构建无人机巡检的航线轨迹,且能利用航拍时记录的时间和控制系统相关记录,确定各航拍点的高精度位置信息及摄像头的参数设置。然后,将无人机航迹和航拍点设置为控制点,同时根据无人机平台的编程接口（API）函数,对各控制点按顺序进行设置,并在航拍点对摄像头进行参数调整和设置,最终就能进行无人机高精度飞巡和航拍,实现无人机自主精细化巡检。

无人机自主巡检的流程如图1所示。

2基于差分定位的无人机自主巡检

基于复现人工操控的无人机自主巡检关键技术在于精确的空间定位。传统的无人机巡检主要基于GPS导航定位,但因需要计算三维位置及偏差,在使用过程中至少需要4颗卫星。其优势是:观测时间短、提供三维坐标、操作简便、全天候工作、功能多、成本低。但该技术也存在弊端,它可能因为各种原因产生定位误差。例如,卫星星载时钟和接收机上的时钟并不能始终保持同步,这就会造成时间上的偏差信号:如果在传播过程中受到大气层和各种障碍物的反射,信号传播路径就可能变长,造成测距误差等。这类定位误差较大,精度一般在米级,甚至有时会超过10m,因此难以进行高精度定位的无人机自主巡检。

差分GPS技术利用地面设置的GPS基准站,对比分析接收机解算的基准站位置和基准位置,可得到当地GPS接收机定位误差,将该定位误差发送至流动的GPS接收站,无人机即可利用该误差对自身位置进行实时修正,以获得高精度定位。获取定位误差的方法包括位置差分法、载波相位测量法和伪距测量法。

RTK是Real-time3ikematin的缩写,即实时动态,又称载波相位差分技术,这是一种新的常用的GPS测量方法,它能够将GPS系统的定位误差缩减到厘米级。

2.1RTK差分定位技术

RTK差分定位技术的原理和伪距差分技术的原理相同。用户站通过基准站的数据链同步实时获取载波观测量和站坐标信息,根据其接收的GPS卫星载波相位和基准站载波相位可获得相位差分观测值,然后进行实时处理,就能得到实时的厘米级高精度定位结果。载波相位差分GPS方法一般分为两种:差分法及修正法。修正法与伪距差分原理相同,用户站通过基准站获得载波相位修正量,修正自身载波相位,并进行坐标求解。差分法则是将基准站获得的载波相位发送给用户站进行求差,获得解算坐标。修正法可称为准RTK技术,差分法才是真正的RTK技术。

但当无人机飞行至变电站、铁矿等干扰性较强的区域时,即使是采用RTK定位,强磁场干扰仍会导致无人机电子罗盘无法准确判断航向,使无人机悬停位置偏移。针对该情况,则可将无人机RTK定位技术与双天线测向技术相结合。原有的无人机RTK定位采用一根天线,智能获取基准站和流动站的位置关系,不能准确提供流动站的航向信息。双天线测向技术则是在原来的基础上再增添一根天线,流动站分别接收解算两路信号,并将其中一路天线的数据作为基准,向另一路天线发送解算修正信息,实现天线2与天线1的相对精准定位,获取两根天线的相对矢量。经过数据处理后,基于该矢量,无人机可获取高精度的位置和航向信息。目前,大疆(cJ1）创新提出的c-RTK高精度导航定位技术就是采用的该技术。

2K2巡检流程

2.2.1RTK连接

RTK分常规型和网络型两类。常规RTK利用流动站和基准站实现差分定位,但受限于两站之间的距离,常规RTK已无法满足定位精度要求。网络RTK利用多个基准站构成一个基准站网来获取高精度的定位结果,例如目前已投入使用的千寻网络RTK。实际应用过程中,在确定需要无人机自主巡检的杆塔后,需要选择通信和GPS等信号良好的位置连接网络RTK,以便于后续作业识别。

2.2.2建立航线

(1）选择合理的无人机起降场地,并基于自主巡检软件对航点信息进行记录:

(2）人工操控模式下,操控无人机从起降点起飞,悬停至合适的高度,并记录航点信息;

(3）无人机由悬停点水平飞抵杆塔合适距离时,飞手按照相关巡检规定要求,操控无人机在杆塔各巡检点进行拍摄,并记录各航点信息;

(4）当完成最后一个巡检点的拍照后,人工操控无人机上升至安全返航的高度,并悬停、记录该航点信息:

(5）操控无人机水平飞行至起降点正上方,悬停并记录该航点信息:

(6）操控无人机在起降点着陆,并设置各航点参数信息,完成该基杆塔自主精细化巡检航线的规划和存档,如图2所示。

图2无人机自主精细化巡检航线

2.2.3自动巡检

首先调用杆塔航线,上传至无人机巡检系统;然后点击"执行"指令,无人机即可根据航线设置进行杆塔精细化巡检,其转向、移位、云台相机对焦、变焦和拍照等动作均是自动进行:最后,待巡检完成,无人机会自动降落至起降点并停机。

3无人机自主巡检应用分析

为验证输电线路杆塔精细化自动巡视的可行性,采用大疆经纬M210-RTK多旋翼无人机对某10003V电压等级输电线路进行自动化巡视,其中,M210-RTK搭载的相机云台为ZENMUSEX5S相机。

图3为水平飞行速度为5m/S时,无人机自动巡检模式下拍摄的输电杆塔地线挂点照片:图4为水平飞行速度为1.8m/S时,无人机自动巡检模式下拍摄的输电杆塔地线挂点照片:图5为水平飞行速度为2m/S时,同一天同一地点相同外部环境条件下,不同时间点无人机自动巡检模式下拍摄的输电杆塔中相导线下端悬垂挂点照片。

由此可知,自动巡检模式下,多旋翼无人机能够根据人工操控打点规划的航线完成既定的输电线路巡检任务,且拍摄的照片能够满足线路巡检要求。

但对比图5(a）和(b）可知,即使在相同条件下,无人机进行输电杆塔自动化巡视时仍存在一定的误差,且由图3、图4可知,误差还会受无人机飞行速度、气象、网络信号等外部条件的影响。因此,为提高输电线路巡检质量,在进行线路杆塔自主精细化巡检时需要设置一定的容错空间,否则可能会因误差使得无人机拍摄的目标不在画幅范围内。

4结语

本文基于RTK差分定位技术原理,提出了一种输电线路无人机自主精细化巡检方法。通过对大疆M210-RTK无人机进行杆塔精细化自动巡视的巡检图像对比分析可知,尽管受飞行速度、气象、网络信号等外部环境影响,基于RTK差分定位的无人机定位精度存在一定误差,但误差较小,且通过人机结合的方式,即使在强电磁场环境下,无人机搭载RTK也能够安全、准确、高效地完成定点拍摄任务,实现输电线路无人机自主巡检作业。