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【摘 要】 由于架空输电线路需要工作人员进行巡检，但是对于一些地势不好的地区，人力巡检就会有很大难度和危险性，因此利用无人机进行电力巡检成为行业的主流。本文就提出了一种基于点云地图，生成无人机巡检路线，利用无人机进行电力巡检的方法。
【关键词】 无人机 电力巡检
一.引言
电网是国家的能源血脉，电力的稳定供应是社会生产和人民生活的必要保障。我国架空输电线路分布十分广泛，其中有绝大部分处于郊区野外甚至自然环境较为恶劣的地方。这些架空输电线路及杆塔都长期暴露在野外，极易损坏进而变成危险因素。通过预先生成巡检路径，利用飞行机器人自动巡检，从而减少人力资源损耗，效率高，成为今后电力巡检的主要方向。
通过激光传感器扫描电塔，获得离线点云地图，之后对电塔点云进行点云处理，分层找到各个观测点，最后生成路线信息。
二.巡检路线生成
2.1校准方向
导入一个电塔的点云模型， 由于不同的电塔，所处的位置不同，会有不同的朝向，塔身的方向不是正东正北，不利于求得观测点，因此需要校准塔身方向，使其处于地理坐标得正方向。采用的方法是PCA算法，将电塔的方向摆正。PCA的主要思想是将n维特征映射到k维上，这k维是全新的正交特征也被称为主成分，是在原有n维特征的基础上重新构造出来的k维特征。PCA的工作就是从原始的空间中顺序地找一组相互正交的坐标轴，其原理表达式为：
等式左边z为低维矩阵，X等式右边为高维矩阵，ω为两者之间的映射关系。
对于电塔点云信息来说，有三个坐标维度（x，y，z），高度坐标不作考虑，只考虑x和y的坐标方向。将整个点云投影到z=0的平面上，得到一个二维的点云，对该点云作PCA，会得到电塔横杆的长方向和宽方向，接着使点云按照得到PCA矩阵进行旋转，会得到正方向下的点云数据，其中x正方向为正东方向，对应横杆的长方向，y正方向为正北方向，对应横杆的宽方向。
2.2 滤波
电塔的数据中，或多或少会有电力线的数据，如果该数据过多，会影响到点位的准确性，需要对数据做滤波，来滤除这些无用点，本文采用直通滤波法，设置好滤波阈值，保存阈值内的数据，阈值的选择方法通过计算获得。
方向校准后的点云，电力线数据在y坐标系上，因此对y字段进行滤波，对点云底部的数据进行分析，求出y方向的最大值和最小值，将该值作为阈值，可以有效的消除无用电力线数据，而不影响电塔的结构。
2.3 观测点位置确定
对经过校准和滤波的点云数据，由绝缘子的位置信息可知，绝缘子挂点处于电塔侧视图的中线位置，利用画格子的方法，进行观测点的规划。设置一个高度增长差值σ，从初始搜索高度h0开始，每次提高σ，并截取这一部分的点云数据向z=0平面做投影，进行画格子。不同位置的格子会有不同的长度，最初的格子里只有类似正方形的点云，随着高度的增加，该格子的尺寸会不断变小，当搜索到绝缘子位置时，格子宽度会显著增加，增加程度会超过设定的阈值ε，而当搜索到绝缘子上挂点位置后，格子的尺寸会持续变短，可依据这种几何特征，找到绝缘子的上下挂点。当搜索到最后一个格子，便是地线所在的格子，从这个格子就可以找到地线的观测点。
依据上文提到的几何特征，可以找到观测位置处的格子，矩形格子短边的中点就是待观测的目标，之后，我们只需要在这两点的基础上沿x正方向和反方向延申安全距离d就可以得到观测点的坐标信息，依此类推，便可以粗略得到整个电塔的观测点。
本文提出的方法應用在无人机上，在电塔一侧观测到最高点后，需要转到电塔的另一侧从高而下进行观测，为了避免无人机碰撞到电塔，需要在最高点的基础上抬高一定高度，作为中转点。由此可以求得所有的规划点，将所有规划点按照顺序排列之后，进行逆向的旋转，得到规划点原有的坐标。
2.4 偏航角设置
得到了观测点的位置，需要指定偏航角，以便能准确地拍摄到挂点。将西侧的观测点指向东侧的观测点，形成一个向量，与正北方向向量（0，1，0）作点乘，从而求出夹角，之后根据无人机对偏航角的要求，求出对应的偏航角。
当有多个电塔需要巡检时，不必重复启动程序，可将单独电塔按顺序传入，程序可根据传入的顺序自动规划好巡检路线。
三.实验结果与分析
为了验证这次提出的方法，采集了几组电塔数据，进行规划测试。首先PCA校准方向，对于数据较好的电塔点云，第一次校准便可以得到很好的结果。当线过多时，则需要进行两次方向校准。
校准方向做好以后，根据电塔的结构特征来计算观测点及其偏航角度。
四.结论
针对已有的点云地图，本文提出的方法可以很好的生成巡检路径，各塔的观测点准确率可以达到80%，能够完成无人机的电力巡检任务。
【参考文献】
[1] 王立科.无人机技术在电力巡检信息化管理中的应用研究.机电信息.2019.09
[2] 叶方舟，刘晓冬，李良.无人机在输变电设备巡检巡视中的应用.河北电力技术.2019.09
[3] 董素河.输电线路只能无人机巡检的研究及应用.石化技术.2019.08
作者简介：李枭宇（1995—），男，汉族，河北保定市人，学生，硕士，单位：华北电力大学控制与计算机工程学院，研究方向：点云处理电力巡检。
【关键词】 无人机 电力巡检
一.引言
电网是国家的能源血脉，电力的稳定供应是社会生产和人民生活的必要保障。我国架空输电线路分布十分广泛，其中有绝大部分处于郊区野外甚至自然环境较为恶劣的地方。这些架空输电线路及杆塔都长期暴露在野外，极易损坏进而变成危险因素。通过预先生成巡检路径，利用飞行机器人自动巡检，从而减少人力资源损耗，效率高，成为今后电力巡检的主要方向。
通过激光传感器扫描电塔，获得离线点云地图，之后对电塔点云进行点云处理，分层找到各个观测点，最后生成路线信息。
二.巡检路线生成
2.1校准方向
导入一个电塔的点云模型， 由于不同的电塔，所处的位置不同，会有不同的朝向，塔身的方向不是正东正北，不利于求得观测点，因此需要校准塔身方向，使其处于地理坐标得正方向。采用的方法是PCA算法，将电塔的方向摆正。PCA的主要思想是将n维特征映射到k维上，这k维是全新的正交特征也被称为主成分，是在原有n维特征的基础上重新构造出来的k维特征。PCA的工作就是从原始的空间中顺序地找一组相互正交的坐标轴，其原理表达式为：
等式左边z为低维矩阵，X等式右边为高维矩阵，ω为两者之间的映射关系。
对于电塔点云信息来说，有三个坐标维度（x，y，z），高度坐标不作考虑，只考虑x和y的坐标方向。将整个点云投影到z=0的平面上，得到一个二维的点云，对该点云作PCA，会得到电塔横杆的长方向和宽方向，接着使点云按照得到PCA矩阵进行旋转，会得到正方向下的点云数据，其中x正方向为正东方向，对应横杆的长方向，y正方向为正北方向，对应横杆的宽方向。
2.2 滤波
电塔的数据中，或多或少会有电力线的数据，如果该数据过多，会影响到点位的准确性，需要对数据做滤波，来滤除这些无用点，本文采用直通滤波法，设置好滤波阈值，保存阈值内的数据，阈值的选择方法通过计算获得。
方向校准后的点云，电力线数据在y坐标系上，因此对y字段进行滤波，对点云底部的数据进行分析，求出y方向的最大值和最小值，将该值作为阈值，可以有效的消除无用电力线数据，而不影响电塔的结构。
2.3 观测点位置确定
对经过校准和滤波的点云数据，由绝缘子的位置信息可知，绝缘子挂点处于电塔侧视图的中线位置，利用画格子的方法，进行观测点的规划。设置一个高度增长差值σ，从初始搜索高度h0开始，每次提高σ，并截取这一部分的点云数据向z=0平面做投影，进行画格子。不同位置的格子会有不同的长度，最初的格子里只有类似正方形的点云，随着高度的增加，该格子的尺寸会不断变小，当搜索到绝缘子位置时，格子宽度会显著增加，增加程度会超过设定的阈值ε，而当搜索到绝缘子上挂点位置后，格子的尺寸会持续变短，可依据这种几何特征，找到绝缘子的上下挂点。当搜索到最后一个格子，便是地线所在的格子，从这个格子就可以找到地线的观测点。
依据上文提到的几何特征，可以找到观测位置处的格子，矩形格子短边的中点就是待观测的目标，之后，我们只需要在这两点的基础上沿x正方向和反方向延申安全距离d就可以得到观测点的坐标信息，依此类推，便可以粗略得到整个电塔的观测点。
本文提出的方法應用在无人机上，在电塔一侧观测到最高点后，需要转到电塔的另一侧从高而下进行观测，为了避免无人机碰撞到电塔，需要在最高点的基础上抬高一定高度，作为中转点。由此可以求得所有的规划点，将所有规划点按照顺序排列之后，进行逆向的旋转，得到规划点原有的坐标。
2.4 偏航角设置
得到了观测点的位置，需要指定偏航角，以便能准确地拍摄到挂点。将西侧的观测点指向东侧的观测点，形成一个向量，与正北方向向量（0，1，0）作点乘，从而求出夹角，之后根据无人机对偏航角的要求，求出对应的偏航角。
当有多个电塔需要巡检时，不必重复启动程序，可将单独电塔按顺序传入，程序可根据传入的顺序自动规划好巡检路线。
三.实验结果与分析
为了验证这次提出的方法，采集了几组电塔数据，进行规划测试。首先PCA校准方向，对于数据较好的电塔点云，第一次校准便可以得到很好的结果。当线过多时，则需要进行两次方向校准。
校准方向做好以后，根据电塔的结构特征来计算观测点及其偏航角度。
四.结论
针对已有的点云地图，本文提出的方法可以很好的生成巡检路径，各塔的观测点准确率可以达到80%，能够完成无人机的电力巡检任务。
【参考文献】
[1] 王立科.无人机技术在电力巡检信息化管理中的应用研究.机电信息.2019.09
[2] 叶方舟，刘晓冬，李良.无人机在输变电设备巡检巡视中的应用.河北电力技术.2019.09
[3] 董素河.输电线路只能无人机巡检的研究及应用.石化技术.2019.08
作者简介：李枭宇（1995—），男，汉族，河北保定市人，学生，硕士，单位：华北电力大学控制与计算机工程学院，研究方向：点云处理电力巡检。