曾仕倫 汪曉帆 陳亮 朱禮鵬 李建兵

(國(guó)網(wǎng)四川省電力公司眉山供電公司,四川眉山 620010)

0 引言

該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠有效的適用于變電站周邊環(huán)境的變化,具有低成本、高集成化的特點(diǎn),通過(guò)對(duì)激光雷達(dá)硬件進(jìn)行微型化的設(shè)計(jì),使得相關(guān)的采集人員可以方便的解決在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中所面臨的一系列問(wèn)題。對(duì)無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)遙感的電網(wǎng)三維信息數(shù)據(jù)采集進(jìn)行系統(tǒng)化后,可以大大的提高了變電站設(shè)備的工作效率,加強(qiáng)了相關(guān)人員的巡檢效率,與此同時(shí),變電站的運(yùn)行成本也會(huì)得以下降。

1 無(wú)人機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)適用于現(xiàn)代測(cè)量的需求

對(duì)傳感器集成技術(shù)進(jìn)行研究的過(guò)程中,主要考慮傳感器的構(gòu)建設(shè)計(jì)和傳感器本身的加工水平,只有使用標(biāo)準(zhǔn)的方法和可靠的運(yùn)行接口才能夠有效地提供無(wú)人機(jī)的荷載能力和在不同空間下的使用情況。對(duì)系統(tǒng)硬件進(jìn)行小型化設(shè)計(jì),要實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)目標(biāo):

首先要穩(wěn)定平臺(tái),在平臺(tái)上搭載可以運(yùn)行多種任務(wù)的傳感器,讓載體運(yùn)動(dòng)得以有效地進(jìn)行并且不受干擾,最終實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定和指向的有效運(yùn)轉(zhuǎn)。對(duì)平臺(tái)進(jìn)行高溫度性的技術(shù)性研究,可以保證在進(jìn)行運(yùn)作時(shí)多傳感技術(shù)接受到的數(shù)據(jù)不受到平臺(tái)擾動(dòng)的影響[1]。

由于高精度的工作水平,對(duì)系統(tǒng)有著精確的要求,面對(duì)現(xiàn)有的相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)品,無(wú)人機(jī)巡線的工作水平需要提高,這樣就可以滿足慣導(dǎo)的工作水平,此外,在起到加強(qiáng)進(jìn)度,滿足體積和重量的同時(shí),還將系統(tǒng)的定位精度提高到原來(lái)的數(shù)倍之上。

對(duì)于無(wú)人機(jī)來(lái)說(shuō),其平臺(tái)部分主要包括的是機(jī)載設(shè)備和探測(cè)的傳感器。為了讓無(wú)人機(jī)到預(yù)定的位置進(jìn)行工作,將故障進(jìn)行定位,系統(tǒng)必須進(jìn)行POS定位系統(tǒng)的安裝。工作人員在定位后,可以對(duì)地面物體進(jìn)行三維成像的建模。在建模的同時(shí),需要加入到激光掃描儀和熱紅外線成像儀的設(shè)備。熱紅外成像儀的出現(xiàn),可以有效的對(duì)溫度進(jìn)行異常檢測(cè)。數(shù)學(xué)光學(xué)照相機(jī)的加入也是非常有必要的,它的存在可以將電力設(shè)備和地面目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別,并且成像。此外,為了對(duì)視頻信息進(jìn)行連續(xù)的獲取,需要運(yùn)用攝像機(jī)對(duì)無(wú)人機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控,只有這樣才能保證相關(guān)監(jiān)測(cè)人員在第一時(shí)間內(nèi)獲取準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)結(jié)果,其中無(wú)人機(jī)的空間信息采集的系統(tǒng),最重要的部分便是無(wú)線傳輸系統(tǒng)[2]。無(wú)線傳輸系統(tǒng)的存在,可以使得地面控制人員能夠在短時(shí)間內(nèi)獲得相關(guān)準(zhǔn)確的信息,對(duì)多種傳感器所獲取的電力狀況做出準(zhǔn)確而迅速的反應(yīng)。由于山區(qū)地形狀況比較復(fù)雜,并且難以大范圍覆蓋,必須應(yīng)用浮空器載作為中轉(zhuǎn)站進(jìn)行多平臺(tái)的連接。

2 無(wú)人機(jī)載激光雷達(dá)集成方案技術(shù)流程

為了滿足以上功能,需要進(jìn)行多種傳感器的相互配合,這樣就構(gòu)成了多傳感器集成。多傳感器集成是通過(guò)數(shù)個(gè)通訊接口來(lái)組合實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的。該組合的存在可以將地面設(shè)備所傳來(lái)的信息來(lái)發(fā),發(fā)送給各個(gè)系統(tǒng),并將各傳感器所收集來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,并對(duì)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行接口控制。這種組合主要有接口部分分系統(tǒng)通信部分以及數(shù)據(jù)采集部分在內(nèi)的多個(gè)部分組成[3]。由于無(wú)人機(jī)自身平臺(tái)進(jìn)度比較大,在刮風(fēng)和下雨天氣時(shí),容易受到影響,為了保證無(wú)人機(jī)對(duì)地面可以進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量,需要加入伺服穩(wěn)定系統(tǒng)。該系統(tǒng)的存在,可以隔離無(wú)人機(jī)平臺(tái)在振動(dòng)時(shí)對(duì)于光學(xué)照相機(jī)和激光掃描儀的影響,此外,在加載入該系統(tǒng)以后,無(wú)人機(jī)具有調(diào)整功能,可以對(duì)左右兩側(cè)的情況進(jìn)行觀測(cè)。對(duì)平臺(tái)進(jìn)行穩(wěn)定,可以最大限度的加強(qiáng)飛機(jī)在空中的觀察角度,保證飛機(jī)在飛行時(shí)具有高效的作業(yè)能力[4]。

由于穩(wěn)定平臺(tái)具有多種多樣的結(jié)構(gòu),目前主要有四軸穩(wěn)定平臺(tái)、雙軸穩(wěn)定平臺(tái)和三軸穩(wěn)定平臺(tái)在內(nèi)的三種旋轉(zhuǎn)軸穩(wěn)定平臺(tái)。對(duì)于四軸穩(wěn)定平臺(tái)來(lái)說(shuō),它主要通過(guò)兩種組合方式進(jìn)行組合,第一種組合方式便是將一個(gè)單一軸平臺(tái)加入到三軸穩(wěn)定平臺(tái)的內(nèi)框架上,通過(guò)三軸穩(wěn)定平臺(tái)的穩(wěn)定系統(tǒng),使得整體不受到震動(dòng)的影響,這樣可以保證框架的準(zhǔn)確精度。傳感器可以安裝到單軸調(diào)整裝置上,在這種情況下,傳感器可以進(jìn)行單軸的掃描調(diào)整。對(duì)于三軸平臺(tái)內(nèi)的高精度型測(cè)量設(shè)備和順時(shí)慣性信息的獲取,使用者可以調(diào)整單軸裝置的調(diào)整參數(shù),計(jì)算出傳感器的瞬時(shí)姿態(tài)信息。第二種方法便是采用兩個(gè)雙軸穩(wěn)定平臺(tái),在使用過(guò)程中,使他的穩(wěn)定系統(tǒng)內(nèi)框架不受到震動(dòng)的影響,即不管外界如何搖晃,內(nèi)框架始終保持著平衡的位置。由于四周穩(wěn)定,平臺(tái)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,并且加工精度較一般穩(wěn)定平臺(tái)較高,這就使得四種電瓶臺(tái)在造價(jià)上多出其他穩(wěn)定平臺(tái)的數(shù)倍布置,但是新型的測(cè)量裝備可以不依靠平臺(tái)的穩(wěn)定性,對(duì)傳感器的自帶信息進(jìn)行直接測(cè)量。所以在穩(wěn)定平臺(tái)的選取上,一般直接選用三軸穩(wěn)定平臺(tái)和導(dǎo)航系統(tǒng)的組合。這樣可以實(shí)現(xiàn)傳感器的順序穩(wěn)定和姿態(tài)信息的準(zhǔn)確測(cè)量。由于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步。慣性測(cè)量技術(shù)的出現(xiàn),使得相關(guān)的工作人員已經(jīng)不鐘愛于專有的穩(wěn)定平臺(tái),而是直接采用三軸穩(wěn)定平臺(tái)和具有掃描功能的傳感器,進(jìn)行高精度信息的獲取。和四軸穩(wěn)定平臺(tái)相比,兩周穩(wěn)定平臺(tái)在功能上具有可靠,簡(jiǎn)單的特點(diǎn),并且成本更加低廉。這使得雙軸穩(wěn)定平臺(tái)可以更好地適用于小型傳感器,與此同時(shí),在一定程度上,大型傳感器也可以應(yīng)用雙軸穩(wěn)定平臺(tái)。但是在穩(wěn)定程度上,雙軸穩(wěn)定平臺(tái)對(duì)于波束穩(wěn)定不能夠?qū)崱?/p>

3 多傳感器時(shí)間同步技術(shù)實(shí)施

通過(guò)對(duì)姿態(tài)測(cè)量單元,對(duì)測(cè)量載機(jī)的速度和位置相關(guān)信息的獲取時(shí)。實(shí)時(shí)準(zhǔn)確能夠及時(shí)地為這些圖像提供相關(guān)的補(bǔ)償數(shù)據(jù)。同時(shí)在傳感器上為平臺(tái)的實(shí)施勞動(dòng)提供相關(guān)數(shù)據(jù)。通過(guò)POS對(duì)未知自帶數(shù)據(jù)系統(tǒng)進(jìn)行控制,最終將數(shù)據(jù)輸入到數(shù)據(jù)形成器當(dāng)中,使用者可以將這些數(shù)據(jù)作為輔助數(shù)據(jù)來(lái)與原始圖像進(jìn)行合作,最終形成圖像的定位。

由于時(shí)間對(duì)準(zhǔn)是多平臺(tái),并且同步的定位。因此,在進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)準(zhǔn)時(shí),必須時(shí)刻做到時(shí)間統(tǒng)一的原則,這表明在對(duì)準(zhǔn)時(shí)間時(shí)每個(gè)平臺(tái)的實(shí)踐零點(diǎn)必須一致,而且收發(fā)信號(hào)的時(shí)間也必一致。在進(jìn)行數(shù)據(jù)的時(shí)間配標(biāo)時(shí),一定要將多傳感器進(jìn)行有效的融合。多種類型傳感器在對(duì)于同一時(shí)間的不同信息收集時(shí),接受時(shí)間和接受速度都有所不同,因此,使用者必須將各自傳感器的數(shù)值進(jìn)行外推,或者進(jìn)行到同一時(shí)刻,只有這樣可以進(jìn)行進(jìn)一步的處理,對(duì)于目標(biāo)進(jìn)度和目標(biāo)速度的追求,可以追求到毫秒或者秒級(jí)別即可。在這種情況下,大部分人都采用的是數(shù)據(jù)擬合法和數(shù)值差值法[5]。

對(duì)于時(shí)間配種虛擬融合法和內(nèi)插外推法是兩種非常有效的基本方法。由于兩者所適應(yīng)的情況有所不同,虛擬融合法通可以適用于起始時(shí)間相同,但是運(yùn)轉(zhuǎn)周期相差整數(shù)倍的情況來(lái)進(jìn)行,它通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的多次測(cè)量將降低同步的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一。而內(nèi)插外推法針對(duì)的是不同傳感器,時(shí)刻不同步的問(wèn)題,它通過(guò)內(nèi)插外推,將傳感器推送到同一時(shí)刻進(jìn)行。虛擬融合法將多個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)使用最小二乘法進(jìn)行,虛擬的數(shù)據(jù)測(cè)量,極大的減小了測(cè)量數(shù)據(jù)的壓縮。且在各傳感器之間,只有數(shù)據(jù)率的差別。并且屬于融合算法的精度是取決于高數(shù)據(jù)傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù),融合時(shí)間的長(zhǎng)短,也影響著虛擬融合法的測(cè)量精度,也就是說(shuō),測(cè)量數(shù)據(jù)越大,測(cè)量精度越高,花費(fèi)的時(shí)間越短,測(cè)量精度也會(huì)越高。

4 激光雷達(dá)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件實(shí)施

激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)適用于對(duì)電力線路進(jìn)行研究以及電力線路走廊的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。這種采集系統(tǒng)成本低,集成化高,并且朝著微型化等方面進(jìn)行發(fā)展。在近些年來(lái)的發(fā)展過(guò)程中,傳感器小型化已經(jīng)成為相關(guān)的研究熱點(diǎn)。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行智能化采集以及進(jìn)行精準(zhǔn)化定位,以及成為相關(guān)領(lǐng)域的研究前列。在此過(guò)程當(dāng)中,要針對(duì)脈沖式激光測(cè)距模塊進(jìn)行系統(tǒng)性開發(fā),可以通過(guò)衛(wèi)星定位系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)的衛(wèi)星數(shù)據(jù),將獲取的激光雷達(dá)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行同步信息集合。最后根據(jù)控制模塊(如圖1)提供的控制信號(hào)記錄相關(guān)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。對(duì)于激光測(cè)距系統(tǒng)以及相關(guān)的控制平臺(tái),開發(fā)平臺(tái)要提供相關(guān)的控制模塊,將原始的時(shí)鐘信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槎嘟嵌鹊目刂菩盘?hào),將誤差規(guī)范在毫秒之內(nèi)[6]。

圖1 綜合控制模塊Fig.1 Integrated control module

數(shù)據(jù)儲(chǔ)存模塊實(shí)時(shí)采集慣性導(dǎo)航模塊、激光測(cè)距模塊結(jié)果數(shù)據(jù)與GPS/IMU外觸發(fā)信號(hào)數(shù)據(jù),將結(jié)果時(shí)間同步之后的多傳感器數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)儲(chǔ)存模塊中的SD 卡內(nèi),也可通過(guò)網(wǎng)線將數(shù)據(jù)寫入上位機(jī),再將外觸發(fā)信號(hào)同步數(shù)據(jù)寫入SD卡,系統(tǒng)同步精度為1ms以內(nèi)。

5 無(wú)人機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)快速處理與三維數(shù)據(jù)生成實(shí)施方案

對(duì)于無(wú)人機(jī)遙感高性能的集群處理,主要包括三個(gè)部分,高速儲(chǔ)存的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)以及相關(guān)的服務(wù)和用戶的操作環(huán)境。高速的儲(chǔ)存系統(tǒng)可以提供海量的數(shù)據(jù)管理方案,用戶可以使用普通的臺(tái)式機(jī)進(jìn)行高速信息局域網(wǎng)的建立,在對(duì)相關(guān)文件進(jìn)行分布式,可以提供遙感數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存和遙感數(shù)據(jù)的查詢。通過(guò)多個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)的處理,將計(jì)算庫(kù)中的任務(wù)分配到不同節(jié)點(diǎn),進(jìn)行多線程的處理后形成最終的處理結(jié)果。在操作環(huán)境上面,用戶可以使用網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和圖形界面系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。

此外,由于時(shí)間同步技術(shù)在一定程度上很難滿足高度的精確性,所以所有的設(shè)備必須采用GPS功能。在對(duì)設(shè)備的選取上,外國(guó)借口的黑匣子是最好的選為了對(duì)幾何圖樣進(jìn)行糾正,可以對(duì)無(wú)人機(jī)的圖像進(jìn)行鑲嵌處理,這就要求相關(guān)人員要在兩張圖像上面根據(jù)幾何優(yōu)先的策略進(jìn)行拼接線的選定,然后利用多條拼接線構(gòu)成一張拼接網(wǎng),最終在這張網(wǎng)上面沿著拼接縫進(jìn)行羽化處理。最后,為了保證準(zhǔn)確性,還要進(jìn)行優(yōu)化處理。在處理地面點(diǎn)云數(shù)據(jù)的時(shí)候,要充分考慮光學(xué)在內(nèi)的多種因素的影響。

6 結(jié)語(yǔ)

無(wú)人激光雷達(dá)的出現(xiàn),可以在一定程度上代替工人在變電站進(jìn)行巡檢。在巡查精確方面,本系統(tǒng)可以精確到cm級(jí)別,完全可以滿足各種需求。而且在成本方面,本系統(tǒng)與國(guó)外的相關(guān)系統(tǒng)比較,更加便宜,具有較大的經(jīng)濟(jì)效益。