利用无人机进行线路设计的勘测技术研究

引言

输电线路是电力系统中最为基础也最为重要的一个部分,目前我国的输电线路分成两种类型,一种是电缆,另一种是架空线路。在这两种类型中,架空线路是现阶段高电压等级输电线路中最为主要也最为广泛应用的一种类型。在输电线路设计过程中,会根据实际情况以及具体的操作过程选择使用电缆线路或是架空线路。我国电网的输电线路绝大部分都是架空类型,但不论是架空线路还是电缆,一旦出现问题,就会导致电网局部停电,甚至大范围停电。与此同时,现阶段架空线路建设过程中还存在着各种问题,比如架空线路建设外部空间不够大、防雷技术不够完善等。为使输电线路建设过程中更加安全且建成后受外界因素影响较小,必须要在线路建设前对线路周围的环境进行调查,最终选择一个合适的路径。

目前,无人机正逐渐被用于电力系统的各个方面。本文针对线路设计过程中采用无人机勘测提出了一种无人机航迹实时测量方案。

1线路设计时的勘测

通常,涉及输电线路建设的工程规模较大,线路建设的长度较长,因此在线路的规划设计阶段,除了保证整体布局的合理性以外,在针对路径进行具体设计时,还要尽可能从多个角度出发对其进行综合考量。在对输电线路的具体路径进行规划时,应结合实际地理情况及单位长度线路建设成本,尽可能错开复杂的地理环境,比如高山、森林等。在确定输电线路运行安全稳定性的过程中,要保证能够避开一些重度污染区域,为线路运行的稳定性和安全性提供有力保障。

同时,在项目施工阶段,还要做好在施工范围内的具体施工环境调查。不同的施工环境会对项目产生不同的影响,带来不同的安全隐患。一般而言,主要有以下几种常见的情况及对策:

(1)施工现场周围有较高的建筑物,这种情况下要保证线路与建筑物之间保持一定的安全距离,避免发生危害生命安全的重大事故。

(2)施工现场周围各种动植物较多,这种情况需要提前考虑线路架设会碰到的问题,如飞禽停留对其造成的影响。

(3)施工处非常空旷,这种情况下只需考虑雷电带来的影响,并采取相应的防雷措施即可。

当不可避免地遇到复杂的地理环境时,可采用无人机来

勘测地形。无人机以其灵活性和适应性,在项目施工勘探方面极大地弥补了传统测绘方式的不足,不仅节省了大量人力、物力,确保了人们在勘探过程中的安全,并且可以结合现有的电脑技术,使项目在前期设计时就提前避免一些错误,使施工线路设计更加合理,确保项目的经济性以及设计的可行性。

2无人机飞行航迹实时测量原理及方案

2.l无人机飞行航迹实时测量原理

完成勘测任务的核心是航迹规划,无人机三维航迹规划即在综合考虑三维地形、无人机任务执行时间和巡航时间、飞行区域限制等多重因素的前提下,为无人机规划满足现实条件的高效的飞行航迹,以确保巡检任务安全顺利地执行。有效的巡检路径可保障飞行满足无人机自身的各项约束条件,圆满完成巡检任务。

根据飞行航迹实时测量所需条件确定测量系统由四部分组成:测量站点、光端机、综合处理平台、无人机标志物。

各测量站点由摄像机、固定支架、保护罩三部分组成。摄像机用于获取无人机影像,测量站点形成测量控制网,每个摄影测量控制网为两个摄像机视场重叠区域,只要无人机出现在摄影测量控制网内,就可以采用摄影测量原理解算出其空间坐标。保护罩为全封闭式,用于系统闲置时保护摄像机,每次测量结束后都应先将摄像机镜头保护盖盖好,然后再打开保护罩。固定支架主要用于固定摄像机,保证摄像机在工作时位置和姿态不发生改变。固定支架上配有气泡水准器,气泡水准器可以保证安装时的水平度,并用来验证支架是否发生位移。

HD-sDI在普通sYV-75-5电缆上的传输距离只有百米左右,使其应用受到很大限制。为解决HD-sDI高清信号源远距离传输出现的问题,如信号偏色、模糊,信号产生重影和拖尾及网纹干扰等,需选用合适的光端机,包括光发射机和光接收机,其中光发射机可实现视频信号在光纤上的无损传输,光接收机可实现视频信号在光纤上的无损接收。

综合处理平台由工控机和高清视频采集卡组成,其中,高清视频采集卡负责8个测量站点视频数据的采集,工控机上包含有数据记录软件和数据处理软件。数据记录软件基于高清采集卡sDK每隔1s对所有通道的数据进行拍照记录,待数据记录完毕后运行数据处理软件进行影像数据的处理,具体包括无人机识别检测及像点坐标量测、直升机三维位置解算等。

2.2无人机飞行航迹实时测量方案

无人机航迹测量需进行无人机像素点识别、摄像机检校、外场标定、摄像机外方位元素测定、物方点空间位置解算以及软件设计。其中,系统软件主要指综合处理平台上的综合处理软件,综合处理软件主要分5个模块:数据采集模块、外方位元素解算模块、直升机识别模块、位置解算模块、位置显示模块。

2.2.1数据采集模块

测量站点通过光端机传输的高清视频经采集卡采集,可以进行显示、记录,由于无人机飞行速度较慢(≤10m/s),考虑到sDI视频数据帧频为25Hz,可将数据采集周期设为100ms,即综合处理平台每隔100ms对测量站点的视频数据进行拍照存储,以供后续处理。

2.2.2外方位元素解算模块

每一个测量站点在进行工作前都需要运行外方位元素解算模块,外方位元素解算分为两个过程,首先是摄像机影像上的控制点识别与像素坐标测量,然后是根据共线方程反求外方位元素。

2.2.3直升机识别模块

每个测量站点记录的数据都为时间上连续的影像序列,由于影像分辨率较大,整幅影像的匹配识别较为复杂,可以采用检测影像增量(即当前帧减去参考帧)的方法,当出现影像增量的时候,在出现增量的区域进行特征提取,如果该区域有红色的圆形特征被提取出来,则视为直升机出现在该测量站点视场内。当直升机被识别出来后,就可以根据提取出的特征计算直升机质心的像素坐标。当同一组的两个测量站点的影像增量都不为0时就可以将两幅影像进行同名点匹配,匹配可以直接截取出现影像增量的一块区域进行,完成匹配并计算出同名点的像素坐标后,即可运行位置解算模块。

2.2.4位置解算模块

位置解算模块只会运行在同一组的两个测量站点同时出现影像增量的时候,它是基于两张影像上同名点的共线方程(四个方程式解算三个未知数)的一种最佳拟合逼近方法,在计算得到物方点空间坐标的同时还能得到该计算结果的误差系数。当无人机同时出现在两组测量站点的摄影测量控制网时,必然会出现两个不同的计算结果,摄影距离近的测量站点计算精度更高,因此最终输出结果为距离近的测量站点计算结果。

2.2.5位置显示模块

位置显示模块负责直升机位置的显示,即把直升机的位置按时间显示出来并加以记录。综合处理平台分主、从两个,从综合处理平台上不运行位置显示模块,在完成位置解算后直接将数据通过网线传递给主综合处理平台,主综合处理平台接收到此数据后再运行位置显示模块。

以10个站点为例,整个软件的运行过程如图1所示。

2.2.6数据延时分析

本方案采用的摄像机为定焦镜头、手动光圈,测量站点使用相同型号配置的摄像机,因此不会出现因相机拍摄场景不同而产生的摄像机成像积分时间差异。

摄像机如距综合处理平台较远,其输出的sDI视频需经过光端机传输至综合处理平台,光端机需要将数字信号转为光信号,然后再将光信号还原为数字信号,这两次转换都会产生一定的延迟。经实际测定,光端机信号转换延时约为50ms,以无人机最大飞行速度I0m/s计算,在该延时内无人机已移动0.5m,在最远距离240m的情况下,像素误差都有5个像元,因此,本文中进行位置解算时只能按组解算,而同一组摄像机的sDI信号传输方式必须保持一致。

3试验分析

3.1站点布设

在给定摄影机的条件下,以正直摄影方式拍摄尺寸为Ax的物体,B为摄影基线,则有如下关系式:

如图2所示,H为摄影距离,本文取I00m:f为摄影机主距,本文取17mm:a为8.8mm。考虑到在100m测量范围内的站点布设密度,基线应尽可能长,但要考虑重叠度,故取基线B为37m,重叠度为48%,沿着飞机航向需要布设4个测量站点,如图3所示。

本文在一个长250m、宽I80m的区域测试无人机的实时航线。本文设计的I8个相机在设计中实现了二度重叠I00%覆盖以及三度重叠50%覆盖。如图4所示,相机I~7覆盖了区域中间60m宽的区域,相机12~18覆盖了区域下方60m宽的区域,相机8~11覆盖了区域上方60m宽的区域。区域中部的两个全站仪观测点用于坐标系统的定义,在每个相机右前方(或者左前方)3m处的全站仪用于单个相机的外定向。

由于相机和主控计算机的距离很远,在300m左右,因此采用光纤代替网线,采用光纤传播的软触发代替串口线传播的硬触发,经过测试同步时间可以控制在毫秒级。

主控计算机采用3台计算机,3台计算机之间采用定时装置来控制同步触发。计算机的总硬盘空间为6TB,可以存储10h以上的数据。

相机与工控机连接关系如图5所示。

3.2近景摄影测量的解算

在近景摄影测量中,一般利用大量的控制点采用DLT算法直接解算出相机的外方位元素和待测点的空间坐标。但在本方案中,由于目标在空中飞行,无法获得具有绝对位置信息的控制点,只能采取相对控制的方式进行解算。

该方案中相对控制的方式是在布设完人工标志点后,直接以飞机的质心为原点,以机身方向为坐标轴建立空间直角坐标系,测定人工标志在该坐标系中的坐标(x,y,:),则有以

下公式:

式中,(X,y,Z)为人工标志点的物方空间坐标:(X+,y+,Z+)为飞机质心的物方空间坐标:R为飞机姿态角所组成的旋转矩阵。

将上述公式加入共线方程组,可以看出在双像前方交会解算过程中方程未知数包括直升机的实时位置姿态,共计6个未知数,至少需要0对同名像点2个方程式才能进行解算。

对于图像中无人机的提取与位置计算,首先通过背景差分和二值化获得运动目标区域,然后使用连通域搜索获得运动目标连通域,使用连通域大小和包围盒宽度、高度及宽高比等约束,对连通域进行筛选,余下的连通域的几何中心用作无人机像点候选点。这些过程对于不同相机得到的图像来说是相互独立的,分别由不同的线程并行处理。

然后进行候选点的匹配和前方交会,根据重投影误差、无人机速度和飞行方向进一步对候选匹配点对进行筛选,最终找到满足约束的最佳点位作为无人机三维坐标。

上面所述背景差分是指选取调整曝光时间后的第一帧影像作为初始背景,然后根据新的影像调整背景,调整方式如下:

式中,BK表示背景:RoUND表示四舍五入:I+di表示当前图像和背景的灰度差值:w(I+di)为权值函数,z为一正常数。

所述航线汇总是指,客户端计算机在开始无人机位置计算之前,与服务器端建立TCP连接。在解算过程中把处理结果实时发送到服务器端,服务器端接收到客户端的数据后,存储到一个数组里,并将航线绘制到屏幕上,如图6所示。

3.3精度分析

该方案中,以像素坐标为量测值,采用相对控制的方式,将飞机位置姿态作为未知数进行求解。下面参考正直摄影方式,其误差计算公式如下:

方向的解算误差:m为像点量测误差。

在像点量测过程中,量测误差一般为5~1+um,据此可以算出测量精度为厘米级。

3.4测试结果分析

解算出了人工标志点的实时位置后,可进一步推算出无人机的航迹,如图7所示,虚线路径为规划的标准路径,实线为无人机实际航迹。

由图中的曲线可知,无人机实际航迹与规划的标准路径偏差极小,可以拍摄复杂地形处的情况,与工作人员一起完成线路设计时的勘测工作。

4结语

随着全社会用电需求的持续增长,输电线路的负荷能力面临严峻考验。为了更好地完成电能的输送,必须增加更多的输电线路。在输电线路广泛覆盖的今天,新增输电线路的难度日益增加。利用无人机航摄,能够清晰地看出各种地形的不同情况,为线路路径选择、勘测提供更为直观、生动的图像信息,弥补线划图专业性、符号化的缺陷,使线路设计更加合理。