插件式無(wú)人機(jī)精確測(cè)量樹障裝置的研制

張鵬飛

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司江門供電局，廣東江門 529000）

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的加快和輸電線路線電壓等級(jí)的提升，在物體與導(dǎo)線安全距離不足時(shí)會(huì)高壓電擊穿空氣，出現(xiàn)隔空放電的情況，對(duì)輸電線路的日常運(yùn)維以及周邊居民群眾的人身安全造成嚴(yán)重影響。

在此背景下，研制插件式無(wú)人機(jī)精確測(cè)量樹障裝置，研究將測(cè)量裝置搭載到常規(guī)作業(yè)無(wú)人機(jī)上，預(yù)防因線路下方凈空距離不足而發(fā)生的跳閘事故，為不同區(qū)域防樹障特巡周期的科學(xué)制定提供依據(jù)，也為輸電線路青賠工作提供具體的樹障距離依據(jù)。

1 運(yùn)行原理

研制一套插件式無(wú)人機(jī)精確測(cè)距裝置，通過在常規(guī)的作業(yè)無(wú)人機(jī)上搭載激光測(cè)距模塊，準(zhǔn)確測(cè)量導(dǎo)線跳線弧垂的對(duì)地水平和垂直距離。

1.1 測(cè)量轉(zhuǎn)角較大的耐張塔導(dǎo)線跳線弧垂

對(duì)于轉(zhuǎn)角耐張塔橫擔(dān)嘴和導(dǎo)線跳線弧垂不在同一垂直面，無(wú)人機(jī)可以在通過水平和垂直向下兩個(gè)方向的距離測(cè)量實(shí)現(xiàn)導(dǎo)線跳線弧垂對(duì)橫擔(dān)嘴（對(duì)地）凈空距離的準(zhǔn)確測(cè)量，圖1 中黑色方塊是搭載了插件式精確測(cè)距裝置的無(wú)人機(jī)（下文簡(jiǎn)稱為“無(wú)人機(jī)”），調(diào)整無(wú)人機(jī)攝像頭橫向0°對(duì)準(zhǔn)橫擔(dān)嘴，使水平方向的測(cè)距激光對(duì)準(zhǔn)橫擔(dān)嘴，調(diào)整無(wú)人機(jī)攝像頭橫向90°向下對(duì)準(zhǔn)導(dǎo)線跳線弧，使垂直方向的測(cè)距激光對(duì)準(zhǔn)導(dǎo)線跳線弧垂正上方。調(diào)整好無(wú)人機(jī)位置后，使用水平方向測(cè)距測(cè)出無(wú)人機(jī)距離橫擔(dān)嘴的距離d，使用垂直方向測(cè)距測(cè)出無(wú)人機(jī)距離導(dǎo)線跳線弧垂的距離h，運(yùn)用勾股定理計(jì)算此導(dǎo)線跳線弧垂對(duì)地距離為

圖1 轉(zhuǎn)角較大的耐張塔

1.2 測(cè)量轉(zhuǎn)角較小的耐張塔導(dǎo)線跳線弧垂

對(duì)于轉(zhuǎn)角較小的耐張塔，由于橫擔(dān)嘴與導(dǎo)線跳線弧垂的水平距離特別小，小于無(wú)人機(jī)能夠貼近橫擔(dān)嘴的最小距離，此時(shí)需要通過水平、垂直距離差來(lái)測(cè)量計(jì)算（圖2）。首先調(diào)整無(wú)人機(jī)攝像頭橫向0°對(duì)準(zhǔn)橫擔(dān)嘴，使水平方向的測(cè)距激光對(duì)準(zhǔn)橫擔(dān)嘴，測(cè)量無(wú)人機(jī)對(duì)地面的垂直距離h1和無(wú)人機(jī)水平方向?qū)M擔(dān)嘴的垂直距離d1。然后降低無(wú)人機(jī)飛行高度，調(diào)整攝像頭橫向0°對(duì)準(zhǔn)導(dǎo)線跳線弧垂，使水平方向的測(cè)距激光對(duì)準(zhǔn)導(dǎo)線跳線弧垂，測(cè)量無(wú)人機(jī)對(duì)地面的垂直距離h2和無(wú)人機(jī)水平方向?qū)?dǎo)線跳線弧垂的垂直距離d2，運(yùn)用勾股定理計(jì)算導(dǎo)線跳線弧垂對(duì)地距離為

圖2 耐張塔導(dǎo)線跳線弧垂測(cè)量原理

1.3 測(cè)量導(dǎo)線跳線弧垂對(duì)塔身的距離

對(duì)于測(cè)量導(dǎo)線跳線弧垂對(duì)塔身的工況，需要測(cè)量導(dǎo)線跳線弧垂距離同垂直平面點(diǎn)塔身的距離（圖3）?？刂茻o(wú)人機(jī)飛到導(dǎo)線跳線弧垂和塔身之間，調(diào)整無(wú)人機(jī)攝像頭橫向0°對(duì)準(zhǔn)導(dǎo)線跳線弧垂，使水平方向的測(cè)距激光對(duì)準(zhǔn)導(dǎo)線跳線弧垂，測(cè)量無(wú)人機(jī)對(duì)導(dǎo)線跳線弧垂的垂直距離d1；控制無(wú)人機(jī)旋轉(zhuǎn)180°，使無(wú)人機(jī)正對(duì)塔身，測(cè)量無(wú)人機(jī)對(duì)與導(dǎo)線跳線弧垂同垂直平面點(diǎn)塔身的垂直距離d2，導(dǎo)線跳線弧垂距離同垂直平面點(diǎn)塔身的距離為d1+d2。

圖3 線跳線弧垂對(duì)塔身的距離測(cè)量原理

2 插件式無(wú)人機(jī)測(cè)量裝置的研制

2.1 無(wú)人機(jī)插件固定夾具

插件式無(wú)人機(jī)測(cè)量裝置以感光元件為核心，將該插件式傳感器搭載在無(wú)人機(jī)上。以3D 打印技術(shù)為支撐，設(shè)計(jì)插件式傳感器無(wú)人機(jī)插件固定夾具，使前、后光路不受無(wú)人機(jī)本體的遮擋，且能夠穩(wěn)固地固定于無(wú)人機(jī)機(jī)身上。插件式無(wú)人機(jī)測(cè)量裝置以大疆精靈4 型無(wú)人機(jī)的機(jī)身為基礎(chǔ)展開設(shè)計(jì)，在無(wú)人機(jī)機(jī)身的正前方及兩側(cè)安裝夾具與傳感器模塊，最大程度地減少對(duì)無(wú)人機(jī)飛行姿態(tài)的影響。

2.2 測(cè)距傳感器

測(cè)距傳感器所能測(cè)量的距離上限受基線、相機(jī)焦距和視差的影響，與基線和焦距成正比，與視差成反比，要設(shè)計(jì)一臺(tái)測(cè)距上限高的雙目測(cè)距儀，需要選擇焦距較長(zhǎng)、分辨率較高的相機(jī)，并設(shè)置較長(zhǎng)的基線。

2.3 機(jī)載發(fā)射機(jī)

機(jī)載發(fā)射機(jī)負(fù)責(zé)讀取各個(gè)傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程發(fā)送到手持式接收機(jī)。發(fā)射機(jī)采用高性能處理器，通過標(biāo)準(zhǔn)接口與傳感器進(jìn)行通信，并通過數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)將傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)通過數(shù)傳模塊發(fā)送到手持式接收機(jī)。

2.4 手持式接收機(jī)

手持式接收機(jī)負(fù)責(zé)接收發(fā)射機(jī)傳輸?shù)膫鞲衅鲾?shù)據(jù)信息，并在顯示屏上顯示出來(lái)。接收機(jī)由無(wú)線數(shù)傳模塊、電池電源模塊、顯示器模塊組成。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證插件式無(wú)人機(jī)測(cè)量裝置的可靠性、穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確性，以及對(duì)于多種場(chǎng)景的適應(yīng)能力。本文對(duì)插件式無(wú)人機(jī)測(cè)試裝置進(jìn)行了應(yīng)用場(chǎng)景適應(yīng)性、測(cè)量準(zhǔn)確率等指標(biāo)的測(cè)試，測(cè)量方法為：首先進(jìn)行水平方向的測(cè)距，控制無(wú)人機(jī)飛到樹木的正上方，向輸電線路投射激光測(cè)距，測(cè)量沿線樹木距離線路導(dǎo)線的水平距離。然后進(jìn)行垂直方向的測(cè)距，控制無(wú)人機(jī)飛到線路同一高度的位置，向下方樹木投射激光測(cè)距，測(cè)量沿線樹木距離線路導(dǎo)線的垂直距離。通過兩個(gè)方向的距離測(cè)量實(shí)現(xiàn)輸電線路對(duì)地或?qū)€底樹障、外破點(diǎn)凈空距離的準(zhǔn)確測(cè)量，降低工作難度，提高距離測(cè)量的準(zhǔn)確性。

模擬某220 kV 線路的重點(diǎn)樹障隱患區(qū)段，分別布置3 處測(cè)試點(diǎn)，通過兩個(gè)方向的距離測(cè)量實(shí)現(xiàn)輸電線路對(duì)地或?qū)€底樹障、外破點(diǎn)凈空距離的準(zhǔn)確測(cè)量。針對(duì)不同測(cè)試點(diǎn)的測(cè)試數(shù)據(jù)見表1，可以看出計(jì)算高度均略高于測(cè)量值，同時(shí)隨著高度的增加誤差會(huì)隨之增大，但最達(dá)相對(duì)誤差不超過3%，證明測(cè)量整體在可允許范圍內(nèi)，驗(yàn)證了本裝置可以準(zhǔn)確測(cè)量導(dǎo)線跳線弧垂對(duì)樹木的距離。

表1 測(cè)量高度與誤差

測(cè)試數(shù)據(jù)說(shuō)明，插件式無(wú)人機(jī)精確測(cè)量樹障裝置可以應(yīng)用于實(shí)際的輸電線路運(yùn)維中。一方面激光測(cè)距裝置可以減少常規(guī)作業(yè)無(wú)人機(jī)在防樹障特巡飛行中的炸機(jī)風(fēng)險(xiǎn)，另一方面也可以準(zhǔn)確地測(cè)量出樹障對(duì)線路的水平和垂直距離。通過在多塔型、多場(chǎng)景的應(yīng)用驗(yàn)證，進(jìn)一步驗(yàn)證了本裝置的可行性和可靠性。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用，驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的插件式無(wú)人機(jī)測(cè)量裝置具備低功耗、無(wú)線傳輸、精確測(cè)量等關(guān)鍵能力，能準(zhǔn)確地測(cè)量輸電線路弧垂對(duì)地或?qū)€底物體的凈空距離，降低防樹障特巡中無(wú)人機(jī)測(cè)量樹障對(duì)線路的水平和垂直距離的飛行難度，和弧垂對(duì)地距離的測(cè)量難度，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)激光測(cè)距，可以準(zhǔn)確測(cè)量出樹障對(duì)線路的水平和垂直距離。