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三维高精地图对输电线路巡检作业的意义

发布时间:2019/09/26浏览数量:55发布出处:本站
作者:深圳华瑞通科技有限公司
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摘要:长久以来,我国电网庞大的输电线路网络巡检工作主要依赖人工巡视方式进行。近年来无人机作为一种高科技的巡检利器,在电网行业中得到迅速推广与应用。电网巡检发展阶段大致可以概括为三个阶段:人巡时代(2010年以前)、机巡时代(2010-2020年)、智巡时代(2020年以后

关键词:

长久以来,我国电网庞大的输电线路网络巡检工作主要依赖人工巡视方式进行。近年来无人机作为一种高科技的巡检利器,在电网行业中得到迅速推广与应用。电网巡检发展阶段大致可以概括为三个阶段:人巡时代(2010年以前)、机巡时代(2010-2020年)、智巡时代(2020年以后),随着2020年的临近,智巡时代也将随之逐步到来!那么要实现电力巡检的“智巡”,要具备哪些技术支撑呢?今天我们先来聊聊其中之一:高精三维地图对于电力巡检“智巡”的意义。

智巡时代的电力巡检是空中版的“无人驾驶”,要了解高精三维地图对于电力巡检的意义,我们可以先从“无人驾驶”讲起。

“无人驾驶”近几年出尽了风头,国内各种互联网巨头加持。然而至今,无人驾驶依然无法进行商用,因为对于无人驾驶,如果无法做到100%准确,那基本上就是失败的,和无人驾驶密切相关的“高精地图”就是目前制约无人驾驶发展的关键技术之一。



从上面的软件架构图可以看出,高精地图(HD Map)在整个方案中是最根本的技术支撑,上层的定位、感知、规划均依赖高精地图,用百度工程师的话来说,L3以上的自动驾驶如果没有高精地图作为支撑则无从谈起。


与汽车无人机驾驶相比,电力巡检的智巡系统在总体架构上有高度的相似性,比如:

1 同样需要高精地图

2 同样需要做路径规划

3 同样需要进行移动实时定位

4 同样需要进行自动控制



所以,无论电力巡检的智巡系统还是汽车的无人驾驶系统,都对高精地图有根本的依赖。当然对于电力巡检的智巡而言,针对的是更专业的应用场景和使用对象。电力巡检都是作业在输电线路廊道中,最主要的廊道要素就是三个:地形地物、电塔、导线,三者刚好组成了一定宽度和高度变化的立体空间。因此,相比与汽车无人机驾驶,电力巡检的智巡系统仍然有几个方面的不同点需要特别提到:


1 运动载体是无人机

2 运动范围主要是立体三维空间

3 需要做三维立体路径规划或导航

4 高辐射、高地形以及可能无网络的作业环境

简而言之:需要突出三维对于高精地图和系统的作用。那么,三维高精地图的建立需要考虑哪些因素?为什么考虑这些因素?如何才能为电力巡检的智巡系统建立一个比较合理的三维高精地图呢?下面我们一步一步来进行分解




对于无人机系统而言,人们最容易想到的硬件是GPS模块,最令人印象深刻的飞行功能是自动导航飞行。能够按照预先规划的飞行路线进行自动飞行是无人机与普通飞行器的重要区别之一。我们都希望能引导无人机到期望的目标位置,但我们如果连它在哪里都不知道,就没办法实现导航。


以大疆无人机为例,当我们使用航点模式让无人机执行自动飞行任务前,必须要为该飞行任务指定好任务中所有的飞行航点的基本参数,这些参数包括:GPS经度、GPS纬度、相对高度、飞行速度、升降速率、转弯半径、动作设置等等。这里的GPS经纬度加上GPS高度正是我们常说的WGS84椭球的大地坐标。




另外,要对大规模的三维地图数据进行组织管理,必然需要适用于大范围、大跨度的坐标框架。平面直角坐标一般都是以米为单位,确实便于空间计算和分析,但是平面直角坐标为了控制变形比例必须通过投影、分带计算取得(如上图),每个分带区都是一套坐标系,不便于组织长度、范围跨度很大的地图场景。

第1个结论,三维高精度地图应该以WGS84椭球作为参考框架,以大地坐标作为地图数据的坐标体系。

细心的朋友会发现,无人机航点的设计参数使用的并不是GPS高度而是相对高度(气压高),不知道大家有没有奇怪过,为什么有了GPS输出的海拔高度,我们还是要用气压计或者其他硬件来辅助定高呢?为什么GPS的高度没有办法支撑无人机进行高度定位呢?简单讲,因为GPS高度的起算面并不是水平面(即重力等位面),而气压高则是以水平面为基准的物理形式。




上图所示,WGS84是一个参考椭球体,GPS高度是垂直于该椭球表面的高度,不是相对于大地水准面的高度。两者的区别很大,椭球面是一个几何面,而大地水准面则是重力等位面,他们之间存在一个大地水准偏差,范围一般在±100m之间,它会随着地球不同位置的重力分布不规则变化,因此很难确定具体数值。也就是说,不依赖气压传感器,想通过GPS高度直接获取海拔高度(或相对海拔)是不可行的。

然而,除了需要考虑无人机航点设计的要求,三维地图数据的可视化的合理性、连续性也是不能牺牲的关键点。气压高在短时间内,天气、气温等因素的影响比较稳定,因此此时所测的气压高相对值比较可信,但是将天气、气温等因素放到一个较长时间时,气压高变得不那么可靠,因此想通过气压高来统一三维地图数据的高程值是万万不行的。反而,GPS高度由于具有统一的几何面(WGS84椭球面),更适合用来实现高程系统,避免由于基准不统一造成地形地物的高度参差变化。

第二个结论,三维高精度地图数据的高程基准应当以WGS84椭球面为宜,同时具备GPS高向气压相对高的转换模型。

本文讨论的三维高精度地图并不是普适的使用场景,是针对电力巡检的智能化应用而提出的技术概念。电力巡检本身是一项非常专业的工作体系,它有自己的执行标准和技术要求。比如,在通道巡检方面针对不同等级的输电线路对限下的风险等级、类型、净空距离、导线舞动等等方面进行了明确规定和要求;在精细化巡检方面,则对诸如导线断股、金具脱落、绝缘子破损、销钉缺损等等各种缺陷类型和表现作出了明确的表述和制定。




那么如何利用无人机,利用三维高精地图指导工作人员更有效、更快速的开展电力巡检工作,取得巡检结果,指导运维决策至关重要。因此,特别需要针对电力巡检的特定场景对三维高精数据进行定制化改进。首先,三维高精地图应当能够准确反映输电线路通道的真实的地理分布情况;其次,杆塔、导线以及地形地物应该位置准确、形状真实,能够科学的体现线路、电塔、地形地物的空间和属性关系;再者,能够根据现有三维地图进行通道巡检和精细化巡检的任务设计与仿真,能够帮助无人机重现作业的飞行轨迹;最后,根据现有三维高精地图应当能够为精细化电力巡检提供切实有效、灵活多变的飞行方案。


第三个结论,用于电力巡检的三维高精度地图应当包括地形、电塔、导线甚至电力巡检关键空间特征,以及用于起降选择地点的三维场景。


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