引言

輸電線路是電力系統(tǒng)中最為基礎也最為重要的一個部分,目前我國的輸電線路分成兩種類型,一種是電纜,另一種是架空線路。在這兩種類型中,架空線路是現(xiàn)階段高電壓等級輸電線路中最為主要也最為廣泛應用的一種類型。在輸電線路設計過程中,會根據(jù)實際情況以及具體的操作過程選擇使用電纜線路或是架空線路。我國電網(wǎng)的輸電線路絕大部分都是架空類型,但不論是架空線路還是電纜,一旦出現(xiàn)問題,就會導致電網(wǎng)局部停電,甚至大范圍停電。與此同時,現(xiàn)階段架空線路建設過程中還存在著各種問題,比如架空線路建設外部空間不夠大、防雷技術不夠完善等。為使輸電線路建設過程中更加安全且建成后受外界因素影響較小,必須要在線路建設前對線路周圍的環(huán)境進行調查,最終選擇一個合適的路徑。

目前,無人機正逐漸被用于電力系統(tǒng)的各個方面。本文針對線路設計過程中采用無人機勘測提出了一種無人機航跡實時測量方案。

1線路設計時的勘測

通常,涉及輸電線路建設的工程規(guī)模較大,線路建設的長度較長,因此在線路的規(guī)劃設計階段,除了保證整體布局的合理性以外,在針對路徑進行具體設計時,還要盡可能從多個角度出發(fā)對其進行綜合考量。在對輸電線路的具體路徑進行規(guī)劃時,應結合實際地理情況及單位長度線路建設成本,盡可能錯開復雜的地理環(huán)境,比如高山、森林等。在確定輸電線路運行安全穩(wěn)定性的過程中,要保證能夠避開一些重度污染區(qū)域,為線路運行的穩(wěn)定性和安全性提供有力保障。

同時,在項目施工階段,還要做好在施工范圍內的具體施工環(huán)境調查。不同的施工環(huán)境會對項目產生不同的影響,帶來不同的安全隱患。一般而言,主要有以下幾種常見的情況及對策:

(1)施工現(xiàn)場周圍有較高的建筑物,這種情況下要保證線路與建筑物之間保持一定的安全距離,避免發(fā)生危害生命安全的重大事故。

(2)施工現(xiàn)場周圍各種動植物較多,這種情況需要提前考慮線路架設會碰到的問題,如飛禽停留對其造成的影響。

(3)施工處非常空曠,這種情況下只需考慮雷電帶來的影響,并采取相應的防雷措施即可。

當不可避免地遇到復雜的地理環(huán)境時,可采用無人機來

勘測地形。無人機以其靈活性和適應性,在項目施工勘探方面極大地彌補了傳統(tǒng)測繪方式的不足,不僅節(jié)省了大量人力、物力,確保了人們在勘探過程中的安全,并且可以結合現(xiàn)有的電腦技術,使項目在前期設計時就提前避免一些錯誤,使施工線路設計更加合理,確保項目的經濟性以及設計的可行性。

2無人機飛行航跡實時測量原理及方案

2.l無人機飛行航跡實時測量原理

完成勘測任務的核心是航跡規(guī)劃,無人機三維航跡規(guī)劃即在綜合考慮三維地形、無人機任務執(zhí)行時間和巡航時間、飛行區(qū)域限制等多重因素的前提下,為無人機規(guī)劃滿足現(xiàn)實條件的高效的飛行航跡,以確保巡檢任務安全順利地執(zhí)行。有效的巡檢路徑可保障飛行滿足無人機自身的各項約束條件,圓滿完成巡檢任務。

根據(jù)飛行航跡實時測量所需條件確定測量系統(tǒng)由四部分組成:測量站點、光端機、綜合處理平臺、無人機標志物。

各測量站點由攝像機、固定支架、保護罩三部分組成。攝像機用于獲取無人機影像,測量站點形成測量控制網(wǎng),每個攝影測量控制網(wǎng)為兩個攝像機視場重疊區(qū)域,只要無人機出現(xiàn)在攝影測量控制網(wǎng)內,就可以采用攝影測量原理解算出其空間坐標。保護罩為全封閉式,用于系統(tǒng)閑置時保護攝像機,每次測量結束后都應先將攝像機鏡頭保護蓋蓋好,然后再打開保護罩。固定支架主要用于固定攝像機,保證攝像機在工作時位置和姿態(tài)不發(fā)生改變。固定支架上配有氣泡水準器,氣泡水準器可以保證安裝時的水平度,并用來驗證支架是否發(fā)生位移。

HD-sDI在普通sYV-75-5電纜上的傳輸距離只有百米左右,使其應用受到很大限制。為解決HD-sDI高清信號源遠距離傳輸出現(xiàn)的問題,如信號偏色、模糊,信號產生重影和拖尾及網(wǎng)紋干擾等,需選用合適的光端機,包括光發(fā)射機和光接收機,其中光發(fā)射機可實現(xiàn)視頻信號在光纖上的無損傳輸,光接收機可實現(xiàn)視頻信號在光纖上的無損接收。

綜合處理平臺由工控機和高清視頻采集卡組成,其中,高清視頻采集卡負責8個測量站點視頻數(shù)據(jù)的采集,工控機上包含有數(shù)據(jù)記錄軟件和數(shù)據(jù)處理軟件。數(shù)據(jù)記錄軟件基于高清采集卡sDK每隔1s對所有通道的數(shù)據(jù)進行拍照記錄,待數(shù)據(jù)記錄完畢后運行數(shù)據(jù)處理軟件進行影像數(shù)據(jù)的處理,具體包括無人機識別檢測及像點坐標量測、直升機三維位置解算等。

2.2無人機飛行航跡實時測量方案

無人機航跡測量需進行無人機像素點識別、攝像機檢校、外場標定、攝像機外方位元素測定、物方點空間位置解算以及軟件設計。其中,系統(tǒng)軟件主要指綜合處理平臺上的綜合處理軟件,綜合處理軟件主要分5個模塊:數(shù)據(jù)采集模塊、外方位元素解算模塊、直升機識別模塊、位置解算模塊、位置顯示模塊。

2.2.1數(shù)據(jù)采集模塊

測量站點通過光端機傳輸?shù)母咔逡曨l經采集卡采集,可以進行顯示、記錄,由于無人機飛行速度較慢(≤10m/s),考慮到sDI視頻數(shù)據(jù)幀頻為25Hz,可將數(shù)據(jù)采集周期設為100ms,即綜合處理平臺每隔100ms對測量站點的視頻數(shù)據(jù)進行拍照存儲,以供后續(xù)處理。

2.2.2外方位元素解算模塊

每一個測量站點在進行工作前都需要運行外方位元素解算模塊,外方位元素解算分為兩個過程,首先是攝像機影像上的控制點識別與像素坐標測量,然后是根據(jù)共線方程反求外方位元素。

2.2.3直升機識別模塊

每個測量站點記錄的數(shù)據(jù)都為時間上連續(xù)的影像序列,由于影像分辨率較大,整幅影像的匹配識別較為復雜,可以采用檢測影像增量(即當前幀減去參考幀)的方法,當出現(xiàn)影像增量的時候,在出現(xiàn)增量的區(qū)域進行特征提取,如果該區(qū)域有紅色的圓形特征被提取出來,則視為直升機出現(xiàn)在該測量站點視場內。當直升機被識別出來后,就可以根據(jù)提取出的特征計算直升機質心的像素坐標。當同一組的兩個測量站點的影像增量都不為0時就可以將兩幅影像進行同名點匹配,匹配可以直接截取出現(xiàn)影像增量的一塊區(qū)域進行,完成匹配并計算出同名點的像素坐標后,即可運行位置解算模塊。

2.2.4位置解算模塊

位置解算模塊只會運行在同一組的兩個測量站點同時出現(xiàn)影像增量的時候,它是基于兩張影像上同名點的共線方程(四個方程式解算三個未知數(shù))的一種最佳擬合逼近方法,在計算得到物方點空間坐標的同時還能得到該計算結果的誤差系數(shù)。當無人機同時出現(xiàn)在兩組測量站點的攝影測量控制網(wǎng)時,必然會出現(xiàn)兩個不同的計算結果,攝影距離近的測量站點計算精度更高,因此最終輸出結果為距離近的測量站點計算結果。

2.2.5位置顯示模塊

位置顯示模塊負責直升機位置的顯示,即把直升機的位置按時間顯示出來并加以記錄。綜合處理平臺分主、從兩個,從綜合處理平臺上不運行位置顯示模塊,在完成位置解算后直接將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)線傳遞給主綜合處理平臺,主綜合處理平臺接收到此數(shù)據(jù)后再運行位置顯示模塊。

以10個站點為例,整個軟件的運行過程如圖1所示。

2.2.6數(shù)據(jù)延時分析

本方案采用的攝像機為定焦鏡頭、手動光圈,測量站點使用相同型號配置的攝像機,因此不會出現(xiàn)因相機拍攝場景不同而產生的攝像機成像積分時間差異。

攝像機如距綜合處理平臺較遠,其輸出的sDI視頻需經過光端機傳輸至綜合處理平臺,光端機需要將數(shù)字信號轉為光信號,然后再將光信號還原為數(shù)字信號,這兩次轉換都會產生一定的延遲。經實際測定,光端機信號轉換延時約為50ms,以無人機最大飛行速度I0m/s計算,在該延時內無人機已移動0.5m,在最遠距離240m的情況下,像素誤差都有5個像元,因此,本文中進行位置解算時只能按組解算,而同一組攝像機的sDI信號傳輸方式必須保持一致。

3試驗分析

3.1站點布設

在給定攝影機的條件下,以正直攝影方式拍攝尺寸為Ax的物體,B為攝影基線,則有如下關系式:

如圖2所示,H為攝影距離,本文取I00m:f為攝影機主距,本文取17mm:a為8.8mm?？紤]到在100m測量范圍內的站點布設密度,基線應盡可能長,但要考慮重疊度,故取基線B為37m,重疊度為48%,沿著飛機航向需要布設4個測量站點,如圖3所示。

本文在一個長250m、寬I80m的區(qū)域測試無人機的實時航線。本文設計的I8個相機在設計中實現(xiàn)了二度重疊I00%覆蓋以及三度重疊50%覆蓋。如圖4所示,相機I~7覆蓋了區(qū)域中間60m寬的區(qū)域,相機12~18覆蓋了區(qū)域下方60m寬的區(qū)域,相機8~11覆蓋了區(qū)域上方60m寬的區(qū)域。區(qū)域中部的兩個全站儀觀測點用于坐標系統(tǒng)的定義,在每個相機右前方(或者左前方)3m處的全站儀用于單個相機的外定向。

由于相機和主控計算機的距離很遠,在300m左右,因此采用光纖代替網(wǎng)線,采用光纖傳播的軟觸發(fā)代替串口線傳播的硬觸發(fā),經過測試同步時間可以控制在毫秒級。

主控計算機采用3臺計算機,3臺計算機之間采用定時裝置來控制同步觸發(fā)。計算機的總硬盤空間為6TB,可以存儲10h以上的數(shù)據(jù)。

相機與工控機連接關系如圖5所示。

3.2近景攝影測量的解算

在近景攝影測量中,一般利用大量的控制點采用DLT算法直接解算出相機的外方位元素和待測點的空間坐標。但在本方案中,由于目標在空中飛行,無法獲得具有絕對位置信息的控制點,只能采取相對控制的方式進行解算。

該方案中相對控制的方式是在布設完人工標志點后,直接以飛機的質心為原點,以機身方向為坐標軸建立空間直角坐標系,測定人工標志在該坐標系中的坐標(x,y,:),則有以

下公式:

式中,(X,y,Z)為人工標志點的物方空間坐標:(X+,y+,Z+)為飛機質心的物方空間坐標:R為飛機姿態(tài)角所組成的旋轉矩陣。

將上述公式加入共線方程組,可以看出在雙像前方交會解算過程中方程未知數(shù)包括直升機的實時位置姿態(tài),共計6個未知數(shù),至少需要0對同名像點2個方程式才能進行解算。

對于圖像中無人機的提取與位置計算,首先通過背景差分和二值化獲得運動目標區(qū)域,然后使用連通域搜索獲得運動目標連通域,使用連通域大小和包圍盒寬度、高度及寬高比等約束,對連通域進行篩選,余下的連通域的幾何中心用作無人機像點候選點。這些過程對于不同相機得到的圖像來說是相互獨立的,分別由不同的線程并行處理。

然后進行候選點的匹配和前方交會,根據(jù)重投影誤差、無人機速度和飛行方向進一步對候選匹配點對進行篩選,最終找到滿足約束的最佳點位作為無人機三維坐標。

上面所述背景差分是指選取調整曝光時間后的第一幀影像作為初始背景,然后根據(jù)新的影像調整背景,調整方式如下:

式中,BK表示背景:RoUND表示四舍五入:I+di表示當前圖像和背景的灰度差值:w(I+di)為權值函數(shù),z為一正常數(shù)。

所述航線匯總是指,客戶端計算機在開始無人機位置計算之前,與服務器端建立TCP連接。在解算過程中把處理結果實時發(fā)送到服務器端,服務器端接收到客戶端的數(shù)據(jù)后,存儲到一個數(shù)組里,并將航線繪制到屏幕上,如圖6所示。

3.3精度分析

該方案中,以像素坐標為量測值,采用相對控制的方式,將飛機位置姿態(tài)作為未知數(shù)進行求解。下面參考正直攝影方式,其誤差計算公式如下:

方向的解算誤差:m為像點量測誤差。

在像點量測過程中,量測誤差一般為5~1+um,據(jù)此可以算出測量精度為厘米級。

3.4測試結果分析

解算出了人工標志點的實時位置后,可進一步推算出無人機的航跡,如圖7所示,虛線路徑為規(guī)劃的標準路徑,實線為無人機實際航跡。

由圖中的曲線可知,無人機實際航跡與規(guī)劃的標準路徑偏差極小,可以拍攝復雜地形處的情況,與工作人員一起完成線路設計時的勘測工作。

4結語

隨著全社會用電需求的持續(xù)增長,輸電線路的負荷能力面臨嚴峻考驗。為了更好地完成電能的輸送,必須增加更多的輸電線路。在輸電線路廣泛覆蓋的今天,新增輸電線路的難度日益增加。利用無人機航攝,能夠清晰地看出各種地形的不同情況,為線路路徑選擇、勘測提供更為直觀、生動的圖像信息,彌補線劃圖專業(yè)性、符號化的缺陷,使線路設計更加合理。