基于激光扫描引导的电力线走廊快速巡检系统及方法与流程

本发明属于电力线走廊巡检技术领域，尤其与一种基于激光扫描引导的电力线走廊快速巡检系统及方法相关。

背景技术：

国内高等级220kv及以上电力输电线路总长度超过百万公里，输电线路走廊中的树木植被、违章建筑、破土动工等隐患对于输电线路正常工作存在极大威胁，输电线路走廊的日常巡检维护工作对于保证输电线路安全，保障国民生产生活具有重要意义。

传统的人工巡检方式依赖巡检人员对电力线走廊进行实地踏勘，工作量大，存在极大的人身安全风险；可见光航拍巡检因航拍角度和距离的影响，无法准确的检测植被和建筑等隐患与电力线之间的空间位置关系，准确性差。

随着激光雷达技术在电力巡检中的推广，基于激光雷达的电力线走廊巡检技术也逐步完善，但仍然存在以下问题：

1、现有的激光雷达电力线走廊巡检技术因激光雷达技术的限制，无法实现快速、高落差条件下的高密度点云获取；

2、飞行器效率的低下，也导致了外业数据采集时间长，费用高的问题；

3、激光雷达巡检数据后处理作业方式，无法满足电力应急、隐患快速排除等应用的实时性要求；

4、巡检和隐患排除团队依序独立作业，增加工作量。

因此，开发一款能够实现近距离飞行作业、具备高实时性和低成本的电力线快速巡检系统，对于提高电力巡检效率是必要的。

技术实现要素：

针对上述现有技术缺陷，本发明提出一种基于激光扫描引导的电力线走廊快速巡检系统及方法，通过飞行控制系统和任务设备实现对三维点云数据的解算、电力线精确提取，为飞行平台的航迹规划提供精准的调整数据，为巡检排查提供精准的测算数据，并能快速反馈到地面监控和巡检团队的隐患终端，满足电力应急、隐患快速排除等应用的实时性要求。

本发明采用以下技术：

基于激光扫描引导的电力线走廊快速巡检系统，包括沿电力线走廊巡检飞行的飞行平台、以及与飞行平台无线通讯的地面监控系统，飞行平台包括机身结构以及设置于机身结构上的动力系统和飞行控制系统，飞行控制系统连接动力系统，其特征在于：

机身结构上还搭载有任务设备，任务设备包括激光扫描仪和无线数据传输模块，

飞行控制系统包括处理控制单元以及与处理控制单元连接的惯性导航单元和卫星导航单元，

激光扫描仪和无线数据传输模块连接处理控制单元，

无线数据传输模块通过无线数据传输方式连接地面监控系统，

地面监控系统通过移动互联网连接有隐患引导终端；

处理控制单元，用于对激光扫描仪反馈的扫描数据、惯性导航单元反馈的姿态数据、卫星导航单元反馈的位置数据进行联合解算以获得三维激光点云数据，并进行电力线点云提取以计算出相对位置关系信息，然后一方面将根据相对位置关系信息规划的下一个航迹调整信息反馈给动力系统，另一方面将相对位置关系信息及根据相对位置关系信息与设定净空阈值比较判断出的净空隐患点信息发送给无线数据传输模块；

动力系统，用于完成飞行平台的自动驾驶，并根据处理控制单元反馈的下一个航迹调整信息进行航迹调整；

无线数据传输模块，用于将相对位置关系信息和净空隐患点信息通过无线数据传输方式发送给地面监控系统；

地面监控系统，用于对相对位置关系信息和净空隐患点信息进行显示，并通过移动互联网将净空隐患点信息分发至隐患引导终端；

隐患引导终端，用于显示净空隐患点信息和引导隐患处理人员前往隐患点的导航路径信息。

一种基于激光扫描引导的电力线走廊快速巡检方法，其特征在于，包括以下步骤：

s1、通过激光扫描数据、位置数据、姿态数据进行三维点云解算；

s2、获得电力线走廊的三维点云p＝{xi,yi,zi，i＝1,2,……,n}；

s3、进行电力线点云提取，获得相对位置关系；

s4、根据相对位置关系，规划下一个航迹的调整信息；并与设定的净空阈值比较，判断净空隐患点；

s5、回传隐患点数据至地面监控系统；

s6、向隐患引导终端发送隐患点数据；

s7、隐患引导终点显示隐患点数据，并形成前往进行隐患排查的导航轨迹；

其中，步骤s3具体包括以下步骤：

s31、以飞行平台前进方向为y方向，以飞行平台垂直向上为z方向，建立坐标系，以z轴方向的高程信息为标准进行地面点云剔除；

s32、将点云数据分类为线上点云和非线上点云，并保留线上点云；

s33、对来自不同电力线的线上点云数据进行电力线提取，得到来自每一条电力线上的点云，并将其拟合为一条直线；

s34、取最上方的2条地线构成一个地线平面；

s35、根据所述地线平面，计算飞行平台与地线平面的高度差、与地线平面的夹角，以及前进方向与电力线地线之间的夹角，获得相对位置关系。

进一步，步骤s31具体包括以下步骤：

s311、以飞行平台前进方向为y方向，以飞行平台垂直向上为z方向，建立坐标系，以z轴方向的高程信息为标准；

s312、将点云数据按高程进行分层，层高δz，总层数

s313、统计第i层的点云数据量pi；

s314、从最小z逐层往上，如果pi＞300，判断为地面点，剔除该层数据；

s315、第一次层次剔除完成，将剩余的点云按照层次，再次进行划分，即：保留z较大的一端的所有层次中的点云，逐层往下，当层次k与最邻近的层次j高度差大于1m时，其中k>j，剔除该层数据以及往下的所有层次数据，只保留0-j层的数据；

s316、将所有余下的层次点存储作为备用点，完成地面点云剔除。

进一步，步骤s33具体包括以下步骤：

s331、将线上点云在飞行平台坐标系中的三个不同平面进行垂直投影，得到平面xoz、xoy和yoz上的投影点；

s332、取三个坐标平面上的所有点的重心，计算所有点到该重心的夹角θm，以δθ为角度区间间隔，统计所有夹角θm在区间上的分布情况；

s333、将出现的连续区间出现峰值且邻近区间出现谷值的情况，判断为该投影点具有明显的聚集现象；

s334、取具有最大聚集程度的投影平面，统计局部峰值点的个数，并将该投影平面中连续出现峰值的区间内的所有点聚集为一个簇；

s335、同一个簇上的所有点，认为是来自于同一条电力线的点云，将同一个簇的点云拟合为一条直线，得到电力线描述，完成提取。

更进一步，步骤s335中，采用最小二乘法将同一个簇的点云拟合为一条直线。

进一步，下一个航迹的调整信息的包括：

飞行高度调整信息，将飞行平台视为一个点，计算该点到地线平面之间的高度差，作为飞行高度调整参考；

俯仰和滚转角调整信息，计算飞行平台x-o-y平面与地线平面之间的夹角，作为飞行平台俯仰和滚转角调整参考；

航向角调整信息，计算飞行平台前进方向与电力线地线之间的夹角，作为飞行平台航向角调整参考。

进一步，激光扫描数据，通过搭载于飞行平台上的激光扫描仪扫描获得；

姿态数据，从搭载于飞行平台上的惯性导航单元获得；

位置数据，从搭载于飞行平台上的卫星导航单元获得；

三维点云解算、电力线点云提取、相对位置关系计算、以及与设定的净空阈值比较判断净空隐患点，由搭载于飞行平台上的飞行控制系统完成；

隐患点数据的回传，通过搭载于飞行平台上的无线数据传输模块通过无线数据传输给地面监控系统完成。

本发明有益效果：

1、采用激光扫描仪引导飞行平台，通过三维点云解算、电力线点云提取、相对位置关系计算，实现近距离电力线追踪巡线作业，降低了激光扫描仪的点云重复频率要求和作用距离要求，同时也降低了激光雷达系统对于惯性导航单元的精度要求，系统成本大大降低；

2、通过数据实时回传分发，保证了巡检的实时性；通过移动互联网连接至地面监控系统，实时接收巡检系统所获取的隐患点位置，并通过导航地图引导隐患排查人员到达隐患点进行隐患排查作业，极大的降低了人工劳动强度；

3、飞行航迹动态可调，能够根据飞行平台和电力线之间的相对位置和姿态关系动态的调整飞行平台的飞行航迹和飞行姿态；能够根据激光扫描数据，实时的计算电力线与地面植被、建筑等隐患之间的空间位置关系，进而实现实时净空排查；

4、可实现远距离的数据传输，可通过点对点或点对多点方式进行传输，无线数据传输模块完成飞行平台状态数据和净空危险点数据由飞行平台到地面监控系统的传输；

5、对于三维点云结算后的数据，包含了一些不需要的信息，通过地面点剔除、电力线分类、电力线点云提取，获得了更加精确的有效数据，能够为激光雷达为飞行平台进行近距离电力线追踪巡线作业提供精准的位置调整参考信息数据，确保近距离巡检的精确性和时效性，同时，线上点云数据进行电力线提取方法，避免了采用hough变换或者ransac算法的多次重复迭代计算，有效提高了算法效率，从而为巡检实时性提供了基础；

6、本申请严格控制了系统成本，保证了作业实时性，为激光雷达电力巡检提供了新的手段。

附图说明

图1是本发明的系统结构图。

图2是本发明的飞行控制系统的结构示意图。

图3是本发明的作业方式示意图。

图4是本发明的任务设备安装于机身结构上的示意图。

图5是本发明的整体方法流程图。

图6是本发明的下一个航迹的调整信息的内容。

图7是本发明的方法中进行电力线提取的示意图。

图8是本发明的方法中步骤s3的详细流程图。

图9是本发明的方法中进行三维点云解算的坐标图。

图10是本发明的方法中进行地面点云剔除的示意图。

图11是本发明的方法中通过线上点云数据进行电力线提取时的点云向不同方向投影视图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案和具体实施方法更为清楚，结合附图实例对本申请进行进一步详细说明。

如图1～2所示，基于激光扫描引导的电力线走廊快速巡检系统，包括沿电力线走廊巡检飞行的飞行平台100、以及与飞行平台100无线通讯的地面监控系统300，飞行平台100包括机身结构101以及设置于机身结构101上的动力系统102和飞行控制系统103，飞行控制系统103连接动力系统102。机身结构101上还搭载有任务设备200，任务设备200包括激光扫描仪201和无线数据传输模块202，飞行控制系统103包括处理控制单元106以及与处理控制单元106连接的惯性导航单元104和卫星导航单元105，激光扫描仪201和无线数据传输模块202连接处理控制单元106，无线数据传输模块202通过无线数据传输方式连接地面监控系统300，地面监控系统300通过移动互联网连接有隐患引导终端400。

飞行平台100一般采用固定翼飞行器，以保证续航能力和快速飞行需求。

飞行控制系统103的控制输出作用于动力系统102，完成飞行平台100的自动驾驶功能。

飞行控制系统103与激光扫描仪201和无线数据传输202连接，飞行控制系统103实时采集激光扫描仪201的扫描数据，结合自身的位置和姿态数据，解算出三维激光点云数据。

地面监控系统300包含了飞行状态显示和隐患点显示两大功能，飞行状态显示包括显示相关位置关系。

隐患引导终端400是安装有隐患引导app的手机端，由隐患处理人员携带。隐患引导app，可通过移动互联网数据连接至网络，实时接收地面监控系统300所传出的危险点数据，并且具备地图导航功能，引导隐患处理/排除人员到达隐患点，及时完成隐患排查。

如图3所示，任务设备200安装于飞行平台100的机舱内，激光扫描仪201垂直于飞行平台100的机舱朝向下，飞行控制系统103与激光扫描仪201刚性连接并同时固定于飞行平台100的机舱底板上。任务设备200和动力系统102分别采用单独的电池进行供电。供电电池采用聚合物锂电池，保证供电时间和供电能力。

具体的，处理控制单元106，用于对激光扫描仪201反馈的扫描数据、惯性导航单元104反馈的姿态数据、卫星导航单元105反馈的位置数据进行联合解算以获得三维激光点云数据，并进行电力线点云提取以计算出相对位置关系信息，然后一方面将根据相对位置关系信息规划的下一个航迹调整信息反馈给动力系统102，另一方面将相对位置关系信息及根据相对位置关系信息与设定净空阈值比较判断出的净空隐患点信息发送给无线数据传输模块202。处理控制单元106选用dsp处理器。

具体的，动力系统102，用于完成飞行平台100的自动驾驶，并根据处理控制单元106反馈的下一个航迹调整信息进行航迹调整。

具体的，无线数据传输模块202，用于将相对位置关系信息和净空隐患点信息通过无线数据传输方式发送给地面监控系统300。

具体的，地面监控系统300，用于对相对位置关系信息和净空隐患点信息进行显示，并通过移动互联网将净空隐患点信息分发至隐患引导终端400。

具体的，隐患引导终端400，用于显示净空隐患点信息和引导隐患处理人员前往隐患点的导航路径信息。

具体的，激光扫描仪201采用多线激光扫描仪、mems扫描仪或固态激光扫描仪中的任意一种，以保证点云重复密度和点云利用率。

如图4所示，为本系统的作业方式示意图。

飞行控制系统103将预先设定的飞行策略发送给动力系统102，使飞行平台100按照指定的飞行高度、偏向距离、航向角度跟踪电力线飞行作业。

飞行平台100搭载任务设备200在电力线走廊上方飞行，飞行控制系统103实时接收激光扫描仪201的扫描数据，结合惯性导航单元104反馈的姿态数据、卫星导航单元105反馈的位置数据进行联合解算获得三维激光点云数据，通过数据处理获取飞行平台100与电力线之间的相对位置和姿态关系；飞行控制系统103实时的通过三维激光点云数据对电力线走廊中存在的净空安全隐患进行排查，并实时回传飞行数据。

当通过三维激光点云数据发现电力线净空隐患时，飞行控制系统103通过无线数据传输模块202将隐患点位置数据发送至地面监控系统300，地面监控系统300实时显示飞行平台100的包括相对位置关系信息的飞行状态信息和隐患点位置信息，并通过移动互联网将隐患点坐标分发至隐患引导终端400，通过隐患引导终端400的隐患引导app进行隐患点导航，将隐患处理人员引导至隐患点。

如图5所示为，本基于激光扫描引导的电力线走廊快速巡检方法流程图。

s1、通过激光扫描数据、位置数据、姿态数据进行三维点云解算。激光扫描数据，通过搭载于飞行平台100上的激光扫描仪201扫描获得；姿态数据，从搭载于飞行平台100上的惯性导航单元104获得；位置数据，从搭载于飞行平台100上的卫星导航单元105获得；三维点云解算，由搭载于飞行平台100上的处理控制单元106完成。

s2、通过联合解算，获得电力线走廊的三维点云p＝{xi,yi,zi，i＝1,2,……,n}。p＝{xi,yi,zi，i＝1,2,……,n}反应了飞行平台100与电力线之间的相对位置和姿态关系。

三维点云解算的坐标图如图9所示，解算方法为：

x＝dcosαsinβ；

y＝dcosαcosβ；

z＝dsinα；

α为激光扫描仪当前激光出射俯仰角度，β为激光出射方位角度，d为激光扫描仪与地面的距离。

但完整的三维点云数据包含了来自地面、植被和建筑的点云，需要将来自电力线的点云单独提取出来作为相对位置和姿态估计的数据。

s3、进行电力线点云提取，获得相对位置关系，如图7所示为电力线点云提取的示意图。

提取包括剔除、分离、提取，如图3所示为步骤s3的详细流程图。

s31剔除：如图10所示，以飞行平台前进方向为y方向，以飞行平台垂直向上为z方向，建立坐标系，以z轴方向的高程信息为标准进行地面点云剔除。剔除后，减少点云数据量，提高计算速度。具体剔除方法包括：

1)、以飞行平台前进方向为y方向，以飞行平台垂直向上为z方向，建立坐标系，以z轴方向的高程信息为标准；

2)、将点云数据按高程进行分层，层高δz，总层数

3)、统计第i层的点云数据量pi；

4)、从最小z逐层往上，如果pi＞300，判断为地面点，剔除该层数据；

5)、第一次层次剔除完成，将剩余的点云按照层次，再次进行划分，即：保留z较大的一端的所有层次中的点云，逐层往下，当层次k与最邻近的层次j高度差大于1m时，其中k>j，剔除该层数据以及往下的所有层次数据，只保留0-j层的数据；

6)、将所有余下的层次点存储作为备用点，完成地面点云剔除。

s32分类：剔除后的点云数据分为线上点云和非线上点云。线上点可能来自于不同的电力线，在暂时不考虑激光扫描仪的误差的情况下，明显，电力线上是一条光滑的曲线，而且电力线曲线是标准的二次函数曲线，但在激光扫描仪可探测的范围内，电力线可以看成是一条直线。因此，对线上点集合进行保留，用以进行电力线提取。

s33提取：对来自不同电力线的线上点云数据进行电力线提取，得到来自每一条电力线上的点云，并将其拟合为一条直线。具体采用如下方法进行提取,：

1)将线上点云在飞行平台坐标系中的三个不同平面进行垂直投影，得到平面xoz、xoy和yoz上的投影点，如图11所示；

2)取三个坐标平面上的所有点的重心，计算所有点到该重心的夹角θm，以δθ为角度区间间隔，统计所有夹角θm在区间上的分布情况；

3)将出现的连续区间出现峰值且邻近区间出现谷值的情况，判断为该投影点具有明显的聚集现象；

4)取具有最大聚集程度的投影平面，统计局部峰值点的个数，并将该投影平面中连续出现峰值的区间内的所有点聚集为一个簇；

5)同一个簇上的所有点，认为是来自于同一条电力线的点云，将同一个簇的点云拟合为一条直线，得到电力线描述，完成提取。

采用该方法进行提取，避免了采用hough变换或者ransac算法的多次重复迭代计算，有效的提高算法效率，从而可以为巡检提供更加准确的实时性。

s34取最上方的2条地线构成一个地线平面。

s35根据所述地线平面，计算飞行平台与地线平面的高度差、与地线平面的夹角，以及前进方向与电力线地线之间的夹角，获得相对位置关系。

s4、根据相对位置关系，规划下一个航迹的调整信息；并与设定的净空阈值比较，判断净空隐患点。

其中，如图6所示，下一个航迹的调整信息的包括：飞行高度调整信息，将飞行平台视为一个点，计算该点到地线平面之间的高度差，作为飞行高度调整参考；俯仰和滚转角调整信息，计算飞行平台x-o-y平面与地线平面之间的夹角，作为飞行平台俯仰和滚转角调整参考；航向角调整信息，计算飞行平台前进方向与电力线地线之间的夹角，作为飞行平台航向角调整参考。

动力系统102根据所获取的相对位置关系，动态的调整飞行航迹和姿态，实现电力线追踪飞行.飞行平台100与电力线之间的相对高差可事先设定，进而实现了飞行平台100近距离巡检作业，降低了激光扫描仪103的点云重复频率要求和作用距离要求，同时也降低了激光雷达系统对于惯性导航单元的精度要求，系统成本大大降低。

其中，与设定的净空阈值比较具体是：通过所提取的电力线和地面植被、建筑之间的净高判断，当净高小于设定阈值时，判断为净空隐患点。

上述的电力线点云提取、相对位置关系计算、以及与设定的净空阈值比较判断净空隐患点，由搭载于飞行平台100上的飞行控制系统103完成，具体是由处理控制单元106完成。

s5、回传隐患点数据至地面监控系统。

处理控制单元106将处理获得的隐患点发送给无线数据传输模块202，无线数据传输模块202通过无线数据传输方式将隐患点数据回传给地面监控系统300。

s6、向隐患引导终端发送隐患点数据。

地面监控系统300对隐患点数据信息进行显示，包括隐患点数据，并生成前往隐患点的导航轨迹，一并通过移动互联网发送给隐患处理人员携带的隐患引导终端400。

s7、隐患引导终点显示隐患点数据，并形成前往进行隐患排查的导航轨迹。

利用隐患引导终端400，具体可以是安装有隐患引导app的手机，通过移动互联网数据连接至网络，实时接收地面监控系统300所传出的危险点数据，并且具备地图导航功能，引导隐患排除人员到达隐患点及时完成隐患排查。

本申请通过数据实时回传分发，保证了巡检的实时性。

本申请提升了电力线路走廊巡检效率，极大的降低了人工劳动强度，严格控制了系统成本，保证了作业实时性，为激光雷达电力巡检提供了新的手段。