程亮亮

摘要：目前，輸電線路無人機(jī)巡檢以人工操作為主，自動(dòng)化程度不高，難以實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化，使得無人機(jī)巡線時(shí)間偏長(zhǎng)，甚至?xí)l(fā)生墜機(jī)、炸機(jī)等問題。載波相位差分定位技術(shù)（RTK）可為無人機(jī)提供航向信息，使無人機(jī)獲得高精度的二維信息，有助于實(shí)現(xiàn)無人機(jī)自主巡檢。鑒于此，提出了一種基于RTK差分定位的輸電線路無人機(jī)自主巡檢方法。首先由人工操控?zé)o人機(jī)進(jìn)行線路巡檢，再根據(jù)記錄的巡檢航跡提取航拍軌跡點(diǎn)精確的經(jīng)緯度、海拔高度和每一航拍點(diǎn)的攝像頭俯仰角度等信息，進(jìn)行無人機(jī)航線規(guī)劃，最終據(jù)此設(shè)定的軌跡控制點(diǎn)按預(yù)設(shè)角度進(jìn)行航拍，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)巡檢的流程化和標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法可以在強(qiáng)電磁場(chǎng)環(huán)境下快速準(zhǔn)確地完成定點(diǎn)巡航任務(wù)。

關(guān)鍵詞：載波相位差分定位;輸電線路;無人機(jī);自主巡檢

0 ? ?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[1]。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。基于此，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[2-3]。

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[4]，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[5]。

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10 m，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[6]。

RTK是Real-time kinematic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)。

2.1 ? ?RTK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（DJI）創(chuàng)新提出的D-RTK高精度導(dǎo)航定位技術(shù)就是采用的該技術(shù)[7]。