一种基于激光雷达辅助的精准抛射方法与流程

1.本发明属于线路应急止舞技术领域，具体涉及一种基于激光雷达辅助的精准抛射方法。


背景技术：

2.随着我国经济的快速发展，对电能的需求量和对电能质量的要求也不断提高，电力能源已经成为社会存在和发展的必需品。但是由于各种因素的影响，我国部分地区电网事故还依然存在，电网事故不仅影响大、速度快、后果严重，而且直接影响国家的生产建设和人民的生活秩序。所以必须对输电线路舞动给予高度的重视，尤其注重舞动的防治工作。
3.目前国网河南省电力公司科学研究院已将抛射装置等新技术应用到输电线路的导线止舞工作中，取得了良好的效果。但在抛射装置推进过程中，发现一些问题，主要包含以下方面：
4.1.抛射力度、角度等参数不能确定，需要靠频繁的调整测试；
5.2.导线舞动时边界不能识别，导致导线舞动时加大了抛射难度；
6.3.抛射仿真环境缺乏。
7.在授权公告号为cn113872136a的专利文献公开了一种输电线路应急止舞用拉索抛射装置，其主体为抛射结构，侧重于对抛射结构的设计性优化，可以通过对装置的操作实现抛射过程，但是该抛射过程仅适用于不需要考虑抛射失败影响因素的抛射作业，同时针对高架线路上的多组输电线路，若不对抛射过程加以控制，容易形成抛射线横跨多跟输电线路，造成输电线路间短接的隐患。缺乏舞动边界读取的必要设计，且无法系统地对抛射角度和抛射初速度进行调整。
8.在授权公告号为cn114243611a的专利文献公开了一种输电线路应急止舞控制装置，属于电力运维技术领域。包括绝缘拉索、绕线盘、底座和棘轮机构；所述绝缘拉索用于牵引输电线路导线并锚固至地面；所述绕线盘用于缠绕所述绝缘拉索并将所述绝缘拉索水平延伸，沿中心轴线设置有转轴；所述底座用于将绕线盘固定在地面上，所述转轴的两端与所述底座转动连接；所述棘轮机构设置在所述底座上，与所述转轴连接，能够使所述绕线盘只向一个方向转动；所述棘轮机构具有双向逆止功能。但是，该专利文献没有对导线舞动进行检测扫描，在抛射拉索时无法保证抛射角度正确。


技术实现要素：

9.本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供为输电线路提供应急止舞的一种基于激光雷达辅助的精准抛射方法。
10.为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
11.一种基于激光雷达辅助的精准抛射方法，包括坐标基准点空间面域，所述坐标基准点空间面域为多点式分布结构的基准站坐标点构建形成的三维空间坐标系，设置在所述坐标基准点空间面域内的扫描装置、抛射装置，所述扫描装置、所述抛射装置与设置在高性
能计算机中的中控系统相连接，所述高性能计算机上设置高精度电子时钟，
12.所述扫描装置包括测绘雷达、安装所述测绘雷达的数据云台、所述测绘雷达上设置的坐标点效验单元、数据传输端a,
13.所述抛射装置包括绳索抛射器、安装所述绳索抛射器的设备云台、控制所述绳索抛射器作业及初始作用力大小的电磁阀、所述绳索抛射器上设置的坐标点定位单元、数据传输端b,
14.所述中控系统包括坐标点修正模块、建模识别模块、间隔棒识别模块、点云模型轨迹模块、抛射轨迹预测模块、执行模块。
15.所述基准站坐标点包括gps+rtk空间坐标系定位基准点、ahrs传感器坐标点定位基准点，所述坐标基准点空间面域根据多点式分布的所述基准站坐标点的相对位置构建所述基准站坐标点为边界的三维空间坐标系。
16.所述测绘雷达包括360度旋转式雷达、平面照射式雷达、单点高速点云雷达，所述绳索抛射器为压力可调的气动抛绳器，所述数据云台、所述设备云台为双轴旋转结构的微调云台，所述坐标点效验单元、所述坐标点定位单元为高精度电子陀螺仪，所述数据传输端a、所述数据传输端b为无线信号收发芯片，所述数据传输端a实现所述测绘雷达、所述数据云台、所述坐标点效验单元与所述中控系统间的数据交互，所述数据传输端b实现所述设备云台、所述电磁阀、所述坐标点效验单元与所述中控系统间的数据交互。
17.所述坐标点修正模块以所述坐标基准点空间面域构建的三维空间坐标系为基础导入所述坐标点校验单元、所述坐标点定位单元的动态坐标参数并结合所述高精度电子时钟上读取的时间节点，建立三维坐标下的时间轴运动轨迹模型；所述点云模型轨迹模块将所述测绘雷达反馈的相关数据参数与所述高精度电子时钟上读取的时间节点合并为钟摆轨迹特征参数，所述间隔棒识别模块检索所述测绘雷达反馈的相关数据参数中的间隔棒特征数据并标注输出。
18.所述抛射轨迹预测模块监测所述设备云台的三维角度，所述抛射轨迹预测模块向所述建模识别模块输出由所述电磁阀控制所述绳索抛射器的所述初始作用力f及由设备云台控制通过所述坐标点定位单元反馈的相对角度r构成的抛物线轨迹方程，所述建模识别模块将所述点云模型轨迹模块的输出数据导入到所述坐标点修正模块内并以所述间隔棒识别模块标注的节点为舞动区间构建输电线路的三维舞动特征模型，所述建模识别模块内置openscenegraph(简称osg)三维渲染引擎；所述建模识别模块选择输电线路的三维舞动特征模型中舞动幅度最大的所述间隔棒识别模块标注的节点作为抛射止舞的作用点，不断调整所述抛射轨迹预测模块中的初始作用力f及相对角度r的特征参数，直到所述抛射轨迹预测模块的最高点高于抛射止舞的作用点，通过所述执行模块控制所述抛射装置进行作业。
19.进一步的，在输电线路中，当输电线路受到横向速度风载荷时，就会产生加速运动，并且线路还将经受空气动力学力矩便会产生巨大的扭曲。当扭转运动的频率与其垂直运动的频率同步时，就会发生导线舞动的情况。由于目前对于导线出现舞动的机制尚不够完全清楚，同时由于技术不够先进，所以针对预防导线舞动的措施尚未完成。然而，从导线舞动的重复性上可以看出，输电线路的舞动主要是通过一定的周期进行运动的。电线的扭动操作是产生舞动的主要原因。当大振幅线出现舞动时，它将在同一周期内形成扭转运动。
对于导线本身吸收的能量，绝缘体，端子和其他金具吸收的能量的比例非常小，并且容易发生舞动的情况。导线的张力越大，其本身吸收的能量也就越少，因而也就越有利于舞动情况的形成与发展。
20.进一步的，如果输电线路是在外界环境因素的影响下出现舞动，其持续的时间较长，影响范围较大，则会进一步导致输电线路其他类型故障的产生，严重时会导致整个电力输电系统的瘫痪，带来的经济损失则是巨大的。舞动故障导致的电网系统停运，通常是因为舞动故障导致电网内部的机构受到了巨大的损伤，如果工作人员没有及时采取措施进行维护，则会导致电网结构内部出现永久、不可逆的损伤，进而会出现大面积、长时间的停电现象。
21.进一步的，根据国内外统计资料，导线舞动多发生于平原开阔地区，这是不难理解的。因为与山区或丘陵地区相比，平原、开阔地区无论从风速还是空气的流态来说，都更加有利于舞动的形成。通过气流对导线作用的分析可以看出，不规则的气流对导线的空气动力荷载，将会有一定程度的相互抵消，而不及同一方向的气流所造成的空气动力荷载相互叠加塔。所以，线塔愈高，不仅风速愈大，其激励状态也愈严重。
22.进一步的，传统的抛射拉索装置均为纯机械结构，没有实际扫描导线的舞动情况，本发明同时考虑导线的风偏和其他动态影响，配合激光雷达实现辅助抛射，形成一个完整的系统，要求激光雷达具有较高的频率和精度，实现实际抛射装置的高精度抛射。
23.进一步的，目前采用各种防止舞动装置与措施，改变、调整导线系统的参数，达到抑制舞动发生，或减轻舞动强度，以保证线路的安全，也是防止舞动的重要方面。这类措施主要是通过在线路上安装防舞装置，来实现抑制舞动。主要有：合理布置分裂导线的间隔棒，设计合理的双摆防舞器，安装失谐器、整体式偏心重锤、扰流防舞器，安装阻尼线、护线条，通过安装这些构件来达到避免或者减少舞动发生的频率，降低舞动的破坏性。
24.本发明提供的输电线路舞动应急止舞拉索抛射系统及其控制方法，通过激光扫描建立一套三维激光点云模型进行抛射轨迹理论研究和仿真抛射出的物体的运动轨迹预测，并调整参数以到达最优抛射效果，根据此仿真参数加载到抛射装置中进行实际的抛射作业，本发明实现了一套软硬一体的高精度的拉索抛射系统，在实际导线舞动止舞过程中能够发挥积极的作用。
25.进一步的，构建以线路舞动为基础的三维波动模型，以三维空间坐标系下的时间点轨迹与测绘结果相结合，形成完整的线路舞动模型，对比传统的单点式建模方针，该方案相对数据读取精度较高的同时构建了完整的数据样本库，避免输电线路同步舞动时，对于部分节点相对数据读取的障碍，以多角度样本量采集为基础，细化线路舞动模型。
26.与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
27.进一步的，通过激光雷达对局部输电线路大风舞动下的扫描结果，通过量测或交互方式可以初步识别出导线舞动边界，进而为模拟抛射提供边界参数，进而可以制定通过雷达辅助的精准抛射方案。
28.进一步的，通过激光雷达实时扫描导线舞动并进行边界识别，同时模拟应急止舞拉索抛射轨迹，制定通过激光雷达辅助的精准抛射方案。
29.进一步的，通过本项目的研究，实现了一套软硬一体的高精度的辅助抛射系统，在实际导线舞动止舞过程发挥积极的作用。
30.进一步的，本发明提供的一种基于激光雷达辅助的精准抛射方法，通过激光雷达装置、抛射装置，实现实时激光扫描、抛射仿真等关键技术，解决实际抛射止舞过程中的问题，实现通过激光雷达装置辅助抛射装置的方式，提升抛射的可操作性。
31.进一步得，提升电网运检的技术水平。从模拟抛射原理出发，通过激光雷达扫描数据，进行实时动态模态，实现三维空间坐标系下的渲染模型，实现输电线路场景重建，通过识别导线舞动边界、间隔棒定位，再通过三维仿真技术，实现不同角度、初始作用力的抛射轨迹的模拟，从而确定不同抛射位置下的精准抛射参数，实现高精度抛射方案的制定。
附图说明
32.为了更清楚地说明本公开中的技术方案，下面将对本公开一些实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例的附图，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。此外，以下描述中的附图可以视作示意图，并非对本公开实施例所涉及的产品的实际尺寸、方法的实际流程等的限制。
33.图1为现有技术中的输电线路舞动应急止舞拉索抛射轨迹控制方法的结构图；
34.图2为现有技术中的输电线路舞动的三维渲染图；
35.图3为根据本公开一些实施例中的上层导线横担的俯视结构图；
36.图4为坐标基准点空间面域的示意图。
具体实施方式
37.为了更好地理解本发明，下面结合实施例和附图进一步清楚阐述本发明的内容，但本发明的保护内容不仅仅局限于下面的实施例。在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。
38.实施例
39.如图1－4所示，本实施例提供一种基于激光雷达辅助的精准抛射方法，包括坐标基准点空间面域，所述坐标基准点空间面域为多点式分布结构的基准站坐标点构建形成的三维空间坐标系，设置在所述坐标基准点空间面域内的扫描装置、抛射装置，所述扫描装置、所述抛射装置与设置在高性能计算机中的中控系统相连接，所述高性能计算机上设置高精度电子时钟，
40.所述扫描装置包括测绘雷达、安装所述测绘雷达的数据云台、所述测绘雷达上设置的坐标点效验单元、数据传输端a,
41.所述抛射装置包括绳索抛射器、安装所述绳索抛射器的设备云台、控制所述绳索抛射器作业及初始作用力大小的电磁阀、所述绳索抛射器上设置的坐标点定位单元、数据传输端b,
42.所述中控系统包括坐标点修正模块、建模识别模块、间隔棒识别模块、点云模型轨迹模块、抛射轨迹预测模块、执行模块。
43.所述基准站坐标点包括gps+rtk空间坐标系定位基准点、ahrs传感器坐标点定位基准点，所述坐标基准点空间面域根据多点式分布的所述基准站坐标点的相对位置构建所
述基准站坐标点为边界的三维空间坐标系。
44.所述测绘雷达包括360度旋转式雷达、平面照射式雷达、单点高速点云雷达，所述绳索抛射器为压力可调的气动抛绳器，所述数据云台、所述设备云台为双轴旋转结构的微调云台，所述坐标点效验单元、所述坐标点定位单元为高精度电子陀螺仪，所述数据传输端a、所述数据传输端b为无线信号收发芯片，所述数据传输端a实现所述测绘雷达、所述数据云台、所述坐标点效验单元与所述中控系统间的数据交互，所述数据传输端b实现所述设备云台、所述电磁阀、所述坐标点效验单元与所述中控系统间的数据交互。
45.所述坐标点修正模块以所述坐标基准点空间面域构建的三维空间坐标系为基础导入所述坐标点校验单元、所述坐标点定位单元的动态坐标参数并结合所述高精度电子时钟上读取的时间节点，建立三维坐标下的时间轴运动轨迹模型；所述点云模型轨迹模块将所述测绘雷达反馈的相关数据参数与所述高精度电子时钟上读取的时间节点合并为钟摆轨迹特征参数，所述间隔棒识别模块检索所述测绘雷达反馈的相关数据参数中的间隔棒特征数据并标注输出。
46.所述抛射轨迹预测模块监测所述设备云台的三维角度，所述抛射轨迹预测模块向所述建模识别模块输出由所述电磁阀控制所述绳索抛射器的所述初始作用力f及由设备云台控制通过所述坐标点定位单元反馈的相对角度r构成的抛物线轨迹方程，所述建模识别模块将所述点云模型轨迹模块的输出数据导入到所述坐标点修正模块内并以所述间隔棒识别模块标注的节点为舞动区间构建输电线路的三维舞动特征模型，所述建模识别模块内置openscenegraph(简称osg)三维渲染引擎；所述建模识别模块选择输电线路的三维舞动特征模型中舞动幅度最大的所述间隔棒识别模块标注的节点作为抛射止舞的作用点，不断调整所述抛射轨迹预测模块中的初始作用力f及相对角度r的特征参数，直到所述抛射轨迹预测模块的最高点高于抛射止舞的作用点，通过所述执行模块控制所述抛射装置进行作业。
47.所述平面照射式雷达为激光雷达livoxtele15，此雷达的内部激光扫描机构使用双旋转镜，在静止状态下可积累扫描数据提高点云密度和分辨率。
48.激光雷达装置用于对导线舞动区域进行实时扫描，并输出扫描数据。
49.同时针对导线舞动情况下扫描结果进行研究分析，确定拾取点位的最大边界，为抛射提供准确的数据基础。
50.仿真模拟装置用于根据扫描数据仿真模拟应急止舞拉索抛射轨迹，并输出最终的抛射参数。
51.仿真模拟装置与激光雷达装置通过无线连接，激光雷达装置将输出的扫描数据传输至仿真模拟装置，仿真模拟装置根据扫描数据进行仿真模拟。
52.抛射参数包括抛射角度、抛射初速度等。
53.抛射装置用于根据抛射参数对作业区内的导线完成实际的拉索抛射工作。
54.作业人员通过查看仿真模拟装置获得最终的抛射参数，并将抛射参数输入抛射装置，抛射装置根据抛射参数对作业区内的导线进行拉索抛射，实现对输电线路舞动应急止舞目的。
55.所述，抛物线轨迹方程包括：
56.初速度v0＝f/m，射角θ0＝r；f为初始作用力，r为相对角度，m为绳索抛射器的抛射
点质量；
57.t秒后到达某一点a(x，y)，而切线倾角为r，水平方向上的水平分速度v
x
＝v0cosθ0，垂直方向上的垂直分速度vy＝v0sinθ0。
58.由此得出弹头在真空中运动的微分方程组为：
[0059][0060]
在t＝0时刻，有初值：
[0061][0062]
取积分后，可得以时间t为参量的坐标方程：
[0063][0064]
消去时间t，得到抛物线形式的弹道方程如下：
[0065][0066]
弹道任意点、顶点和落点诸元：
[0067]
以时间t为自变量的任意点弹道诸元公式如下：
[0068][0069]
弹头在落点处有yc＝0，据此可得落点诸元公式：
[0070][0071]
在顶点处有θs＝0，由顶点特点可得顶点诸元公式如下：
[0072][0073]
进而根据三角函数tana＝dv/dh，计算出最小临界角度a。
[0074]
当雷达扫描存在仰角r时，即仰拍扫描，此时因为雷达扫描是局部坐标下，需要根据雷达仰角r，进行三维空间坐标系映射。
[0075]
通过对抛射参数初始角度、最小初速度等临界值的计算，在实时三维空间坐标系场景下实现抛射轨迹仿真模拟，进而根据仿真结果，调整抛射角度或初速度的大小，进而确定最佳的抛射参数，为精准抛射提供理论数据依据，同时将速度转到力参考系，实现力与压力的一一对应，对接抛射器，确定抛射器需要的压力值，实现抛射器的高精度抛射。
[0076]
实施例2
[0077]
所述中控单元与无线通信基站相连接。
[0078]
所述无线通信基站与所述舞动预警系统相连。
[0079]
所述舞动预警系统内置在电网大数据平台内。
[0080]
所述舞动预警系统包括线路性能评估单元、舞动分析单元、预警单元。
[0081]
所述中控单元将三维舞动特征模型导入到舞动预警系统内；所述线路性能评估单元检索舞动线路的铺设及使用年限、线路材质、输电负载等相关数据，转换为可量化的相对老化参数，所述舞动分析单元根据线路的舞动特征数据和线路的相对密度得出舞动线路的最大舞动作用力。所述预警单元对所述线路性能评估单元、所述舞动分析单元的输出结果进行对比；若线路在相对老化参数乘积作用下的抗拉系数为最大舞动作用力的1.5倍以上，则预警单元提示安全；抗拉系数在最大舞动作用力1.1/1.5倍之间，预警单元提示发出提示预警；抗拉系数在最大舞动作用力1.1倍一下，预警单元发出输电线路断裂警示。
[0082]
实施例3
[0083]
所述基准站坐标点为内置北斗定位设备的无人机飞行编组。
[0084]
采用无人机飞行编组为基准站坐标点，降低了传统地面定位基准点的高成本、准备周期过长、转运成本较高的缺陷。
[0085]
采用复合式组网模式，将地面执行单元与基于无人平台的坐标基准点空间面域相结合，降低设备的运输成本和装置使用所必要的铺设准备周期。
[0086]
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。