基于載波相位差分定位的輸電線路無人機(jī)自主巡檢研究及應(yīng)用

引言

近幾年,作為新興的巡檢工具,無人機(jī)已憑借其機(jī)動(dòng)靈活、成本低、環(huán)境要求低、便于攜帶和運(yùn)輸、可帶電作業(yè)、不受地形限制等諸多優(yōu)勢(shì),在輸電線路的日常巡檢與精細(xì)化巡檢作業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。國(guó)網(wǎng)公司于2015年在公司范圍內(nèi)開始全面推廣小型多旋翼無人機(jī)和固定翼無人機(jī)巡檢:南方電網(wǎng)公司于2015年成立機(jī)巡中心,重點(diǎn)發(fā)展電力無人機(jī)應(yīng)用能力,發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)體系,開展核心技術(shù)攻關(guān)工作。我國(guó)輸電線路巡檢由此逐漸形成了"機(jī)巡為主、人巡為輔"的運(yùn)維管理新模式,也推動(dòng)了輸電線路無人機(jī)作業(yè)安全管控、缺陷智能識(shí)別等關(guān)鍵技術(shù)的研究和應(yīng)用。

但隨著這些技術(shù)的應(yīng)用,人工操控要求高、空間定位精度不高、智能化程度低等問題逐漸顯現(xiàn)了出來,再加上輸電線路所在地域、地貌及各種自然因素的影響,對(duì)運(yùn)維人員的飛行操控技能要求也越來越高,無人機(jī)巡檢開始面臨運(yùn)維人員不敢飛、不愿飛等問題?；诖?以載波相位差分定位技術(shù)（RTK）為支撐,首先由人工操控?zé)o人機(jī)開展線路飛巡,然后利用無人機(jī)記錄的航線軌跡將航拍軌跡點(diǎn)精確的經(jīng)緯度、海拔高度和攝像頭俯仰角度等信息提取出來,進(jìn)行無人機(jī)航線規(guī)劃,即可據(jù)此進(jìn)行無人機(jī)自主巡檢,實(shí)現(xiàn)無人機(jī)巡檢的規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)。

1無人機(jī)自主巡檢原理

傳統(tǒng)的無人機(jī)巡檢,由人工操控?zé)o人機(jī)對(duì)桿塔及線路各部件進(jìn)行近距離高清拍攝。但因地面無人機(jī)操控人員的視角不同,無法進(jìn)行精確定位,工作效率較低,且會(huì)因定位精度影響無人機(jī)巡檢圖像和線路設(shè)備檢測(cè)的有效性。

輸電線路無人機(jī)自主巡檢,首先需要規(guī)劃出相應(yīng)的飛行航線。無人機(jī)航線由一系列航點(diǎn)構(gòu)成,航線規(guī)劃的實(shí)質(zhì)就是航點(diǎn)設(shè)計(jì)及巡檢點(diǎn)坐標(biāo)設(shè)計(jì)。無人機(jī)飛巡時(shí),無人機(jī)控制系統(tǒng)會(huì)記錄GPS、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和飛控信息。利用飛控信息可重新構(gòu)建無人機(jī)巡檢的航線軌跡,且能利用航拍時(shí)記錄的時(shí)間和控制系統(tǒng)相關(guān)記錄,確定各航拍點(diǎn)的高精度位置信息及攝像頭的參數(shù)設(shè)置。然后,將無人機(jī)航跡和航拍點(diǎn)設(shè)置為控制點(diǎn),同時(shí)根據(jù)無人機(jī)平臺(tái)的編程接口（API）函數(shù),對(duì)各控制點(diǎn)按順序進(jìn)行設(shè)置,并在航拍點(diǎn)對(duì)攝像頭進(jìn)行參數(shù)調(diào)整和設(shè)置,最終就能進(jìn)行無人機(jī)高精度飛巡和航拍,實(shí)現(xiàn)無人機(jī)自主精細(xì)化巡檢。

無人機(jī)自主巡檢的流程如圖1所示。

2基于差分定位的無人機(jī)自主巡檢

基于復(fù)現(xiàn)人工操控的無人機(jī)自主巡檢關(guān)鍵技術(shù)在于精確的空間定位。傳統(tǒng)的無人機(jī)巡檢主要基于GPS導(dǎo)航定位,但因需要計(jì)算三維位置及偏差,在使用過程中至少需要4顆衛(wèi)星。其優(yōu)勢(shì)是:觀測(cè)時(shí)間短、提供三維坐標(biāo)、操作簡(jiǎn)便、全天候工作、功能多、成本低。但該技術(shù)也存在弊端,它可能因?yàn)楦鞣N原因產(chǎn)生定位誤差。例如,衛(wèi)星星載時(shí)鐘和接收機(jī)上的時(shí)鐘并不能始終保持同步,這就會(huì)造成時(shí)間上的偏差信號(hào):如果在傳播過程中受到大氣層和各種障礙物的反射,信號(hào)傳播路徑就可能變長(zhǎng),造成測(cè)距誤差等。這類定位誤差較大,精度一般在米級(jí),甚至有時(shí)會(huì)超過10m,因此難以進(jìn)行高精度定位的無人機(jī)自主巡檢。

差分GPS技術(shù)利用地面設(shè)置的GPS基準(zhǔn)站,對(duì)比分析接收機(jī)解算的基準(zhǔn)站位置和基準(zhǔn)位置,可得到當(dāng)?shù)谿PS接收機(jī)定位誤差,將該定位誤差發(fā)送至流動(dòng)的GPS接收站,無人機(jī)即可利用該誤差對(duì)自身位置進(jìn)行實(shí)時(shí)修正,以獲得高精度定位。獲取定位誤差的方法包括位置差分法、載波相位測(cè)量法和偽距測(cè)量法。

RTK是Real-time3ikematin的縮寫,即實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài),又稱載波相位差分技術(shù),這是一種新的常用的GPS測(cè)量方法,它能夠?qū)PS系統(tǒng)的定位誤差縮減到厘米級(jí)。

2.1RTK差分定位技術(shù)

RTK差分定位技術(shù)的原理和偽距差分技術(shù)的原理相同。用戶站通過基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)鏈同步實(shí)時(shí)獲取載波觀測(cè)量和站坐標(biāo)信息,根據(jù)其接收的GPS衛(wèi)星載波相位和基準(zhǔn)站載波相位可獲得相位差分觀測(cè)值,然后進(jìn)行實(shí)時(shí)處理,就能得到實(shí)時(shí)的厘米級(jí)高精度定位結(jié)果。載波相位差分GPS方法一般分為兩種:差分法及修正法。修正法與偽距差分原理相同,用戶站通過基準(zhǔn)站獲得載波相位修正量,修正自身載波相位,并進(jìn)行坐標(biāo)求解。差分法則是將基準(zhǔn)站獲得的載波相位發(fā)送給用戶站進(jìn)行求差,獲得解算坐標(biāo)。修正法可稱為準(zhǔn)RTK技術(shù),差分法才是真正的RTK技術(shù)。

但當(dāng)無人機(jī)飛行至變電站、鐵礦等干擾性較強(qiáng)的區(qū)域時(shí),即使是采用RTK定位,強(qiáng)磁場(chǎng)干擾仍會(huì)導(dǎo)致無人機(jī)電子羅盤無法準(zhǔn)確判斷航向,使無人機(jī)懸停位置偏移。針對(duì)該情況,則可將無人機(jī)RTK定位技術(shù)與雙天線測(cè)向技術(shù)相結(jié)合。原有的無人機(jī)RTK定位采用一根天線,智能獲取基準(zhǔn)站和流動(dòng)站的位置關(guān)系,不能準(zhǔn)確提供流動(dòng)站的航向信息。雙天線測(cè)向技術(shù)則是在原來的基礎(chǔ)上再增添一根天線,流動(dòng)站分別接收解算兩路信號(hào),并將其中一路天線的數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn),向另一路天線發(fā)送解算修正信息,實(shí)現(xiàn)天線2與天線1的相對(duì)精準(zhǔn)定位,獲取兩根天線的相對(duì)矢量。經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后,基于該矢量,無人機(jī)可獲取高精度的位置和航向信息。目前,大疆(cJ1）創(chuàng)新提出的c-RTK高精度導(dǎo)航定位技術(shù)就是采用的該技術(shù)。

2K2巡檢流程

2.2.1RTK連接

RTK分常規(guī)型和網(wǎng)絡(luò)型兩類。常規(guī)RTK利用流動(dòng)站和基準(zhǔn)站實(shí)現(xiàn)差分定位,但受限于兩站之間的距離,常規(guī)RTK已無法滿足定位精度要求。網(wǎng)絡(luò)RTK利用多個(gè)基準(zhǔn)站構(gòu)成一個(gè)基準(zhǔn)站網(wǎng)來獲取高精度的定位結(jié)果,例如目前已投入使用的千尋網(wǎng)絡(luò)RTK。實(shí)際應(yīng)用過程中,在確定需要無人機(jī)自主巡檢的桿塔后,需要選擇通信和GPS等信號(hào)良好的位置連接網(wǎng)絡(luò)RTK,以便于后續(xù)作業(yè)識(shí)別。

2.2.2建立航線

(1）選擇合理的無人機(jī)起降場(chǎng)地,并基于自主巡檢軟件對(duì)航點(diǎn)信息進(jìn)行記錄:

(2）人工操控模式下,操控?zé)o人機(jī)從起降點(diǎn)起飛,懸停至合適的高度,并記錄航點(diǎn)信息;

(3）無人機(jī)由懸停點(diǎn)水平飛抵桿塔合適距離時(shí),飛手按照相關(guān)巡檢規(guī)定要求,操控?zé)o人機(jī)在桿塔各巡檢點(diǎn)進(jìn)行拍攝,并記錄各航點(diǎn)信息;

(4）當(dāng)完成最后一個(gè)巡檢點(diǎn)的拍照后,人工操控?zé)o人機(jī)上升至安全返航的高度,并懸停、記錄該航點(diǎn)信息:

(5）操控?zé)o人機(jī)水平飛行至起降點(diǎn)正上方,懸停并記錄該航點(diǎn)信息:

(6）操控?zé)o人機(jī)在起降點(diǎn)著陸,并設(shè)置各航點(diǎn)參數(shù)信息,完成該基桿塔自主精細(xì)化巡檢航線的規(guī)劃和存檔,如圖2所示。

圖2無人機(jī)自主精細(xì)化巡檢航線

2.2.3自動(dòng)巡檢

首先調(diào)用桿塔航線,上傳至無人機(jī)巡檢系統(tǒng);然后點(diǎn)擊"執(zhí)行"指令,無人機(jī)即可根據(jù)航線設(shè)置進(jìn)行桿塔精細(xì)化巡檢,其轉(zhuǎn)向、移位、云臺(tái)相機(jī)對(duì)焦、變焦和拍照等動(dòng)作均是自動(dòng)進(jìn)行:最后,待巡檢完成,無人機(jī)會(huì)自動(dòng)降落至起降點(diǎn)并停機(jī)。

3無人機(jī)自主巡檢應(yīng)用分析

為驗(yàn)證輸電線路桿塔精細(xì)化自動(dòng)巡視的可行性,采用大疆經(jīng)緯M210-RTK多旋翼無人機(jī)對(duì)某10003V電壓等級(jí)輸電線路進(jìn)行自動(dòng)化巡視,其中,M210-RTK搭載的相機(jī)云臺(tái)為ZENMUSEX5S相機(jī)。

圖3為水平飛行速度為5m/S時(shí),無人機(jī)自動(dòng)巡檢模式下拍攝的輸電桿塔地線掛點(diǎn)照片:圖4為水平飛行速度為1.8m/S時(shí),無人機(jī)自動(dòng)巡檢模式下拍攝的輸電桿塔地線掛點(diǎn)照片:圖5為水平飛行速度為2m/S時(shí),同一天同一地點(diǎn)相同外部環(huán)境條件下,不同時(shí)間點(diǎn)無人機(jī)自動(dòng)巡檢模式下拍攝的輸電桿塔中相導(dǎo)線下端懸垂掛點(diǎn)照片。

由此可知,自動(dòng)巡檢模式下,多旋翼無人機(jī)能夠根據(jù)人工操控打點(diǎn)規(guī)劃的航線完成既定的輸電線路巡檢任務(wù),且拍攝的照片能夠滿足線路巡檢要求。

但對(duì)比圖5(a）和(b）可知,即使在相同條件下,無人機(jī)進(jìn)行輸電桿塔自動(dòng)化巡視時(shí)仍存在一定的誤差,且由圖3、圖4可知,誤差還會(huì)受無人機(jī)飛行速度、氣象、網(wǎng)絡(luò)信號(hào)等外部條件的影響。因此,為提高輸電線路巡檢質(zhì)量,在進(jìn)行線路桿塔自主精細(xì)化巡檢時(shí)需要設(shè)置一定的容錯(cuò)空間,否則可能會(huì)因誤差使得無人機(jī)拍攝的目標(biāo)不在畫幅范圍內(nèi)。

4結(jié)語(yǔ)

本文基于RTK差分定位技術(shù)原理,提出了一種輸電線路無人機(jī)自主精細(xì)化巡檢方法。通過對(duì)大疆M210-RTK無人機(jī)進(jìn)行桿塔精細(xì)化自動(dòng)巡視的巡檢圖像對(duì)比分析可知,盡管受飛行速度、氣象、網(wǎng)絡(luò)信號(hào)等外部環(huán)境影響,基于RTK差分定位的無人機(jī)定位精度存在一定誤差,但誤差較小,且通過人機(jī)結(jié)合的方式,即使在強(qiáng)電磁場(chǎng)環(huán)境下,無人機(jī)搭載RTK也能夠安全、準(zhǔn)確、高效地完成定點(diǎn)拍攝任務(wù),實(shí)現(xiàn)輸電線路無人機(jī)自主巡檢作業(yè)。