基于AR的高压铁塔验收无人机交互技术分析

基于AR的高压铁塔验收无人机交互技术分析

朱海龙     陈俊   王永耀    徐嫦   漆菁夫

宁波财经学院     浙江省宁波市     315000

摘要：为解决高压铁塔验收困难问题，本文对基于AR的高压铁塔验收无人机交互技术标准进行研究，分析高压铁塔验收不精准等不足之处，提出搭设无人机实时互动平台、规范无人机指令下达动作、完善通信系统配置端口、校对AR验收数据精度等技术要点，通过运行新系统高效开展高压铁塔验收事项，以期为相关人员提供参考。

关键词：AR技术；高压铁塔；无人机；交互技术；通信系统

前言：结合中研普华产业研究院公布的有关数据：截至2023年8月份中国铁塔换电用户规模已达到100万，覆盖范围涉及300余座城市，换电网点数量突破6万个，由此表明输变电工程在新时代背景下有待改进，理应依托AR装置打造无人机交互场景，实现高压铁塔便捷化、精准化验收，普遍提升铁塔建设质量。

1、基于AR的高压铁塔验收无人机交互技术标准

高压铁塔属于输变电工程建设阶段重要内容，一般要求验收工作中标高允许偏差为±50mm；以小锤（0.25kg）锤击铁塔构件时未见防腐层脱落现象；其避雷针安装偏差为5%；规定33kV高压铁塔至少具有4m的安全距离，66kV为5m。

为进一步改善高压铁塔验收质量，此次研究提出以无人机交互技术联合AR装置创新高压铁塔验收方式。根据输变电工程铁塔验收行业规范，要求采用人工攀爬手段爬至线路周边检查螺栓、脚钉等配件安装情况，以实地测量法验收主材间直线度和倾斜度（拉线塔、终端塔、转角塔、终端塔等）。而实施无人机交互验收新系统后要求相关人员以图像拍摄法采集影像，借助图像处理器分析直线度、倾斜度等参数，待达标后证实高压铁塔符合验收规定，发挥铁塔换电作用。

2、基于AR的高压铁塔验收无人机交互技术要点

2.1搭设无人机实时互动平台

基于AR研发高压铁塔无人机交互验收系统，应用无人机交互技术时需要先行搭设实时互动平台，即系统运行期间，经由无人机与地面站进行交互操作，并在遥控器辅助下操控无人机设备，随即保证地面站在局域网路由器助力下实时传递高压铁塔验收数据，同时运用AR装置（AR眼镜）掌握无人机交互动态，由此达到远程验收目的，无需接近高压铁塔附近即可知晓高压铁塔建设现状，随即判断是否合乎行业规范，若不符合则指引有关单位继续完善铁塔结构，合乎验收标准后出具验收合格报告。

在无人机交互技术支撑下验收人员可直观通过采集影像开展高压铁塔验收工作，更易提升验收便捷性。值得关注的是实施无人机交互设计时，AR装置和无人机应建立交互关系，特别是影像传输和接收操作，可运用实时流传输协议开发软件程序，确保无人机随时根据验收范围调整飞行方位。为达成高效验收目的，相关人员在研发验收新系统阶段，还应保证AR装置顺利采集无人机影像，致使无人机实时反馈高压铁塔建设动态，赋予验收人员直观验收高压铁塔建设情况的体验感，即AR装置左右平转时，对应的无人机设备进行左右偏航操作，而AR装置保持上抬、下放动作时，无人机则以机头仰俯为主，指引验收人员在无人机与AR装置交互操作过程中，仅通过操作AR装置控制无人机，无论是验收效率还是验收质量合格率都能得到显著提升。

2.2规范无人机指令下达动作

从上述研究知晓：在研发新系统用于高压铁塔验收作业中，需借助无人机实时互动平台保证无人机设备与AR装置之间保持实时交互关系，与此同时需增加无人机指令的规范性，使AR装置获取的无人机影像与高压铁塔现场情况相同，即AR装置的操控动作应基本与无人机变化方位相一致。

例如可以在AR装置变化角度内确定无人机变化区间。具体可以对AR装置和无人机动作展开归一化设计，同时还可在三维空间内精准化校对AR装置变化角度。前后倾（X轴10°至40°；-40°至-10°；Y轴与Z轴不变）对应无人机前后抬放；左右倾（Z轴-10°至10°；-30°至-10°；X轴与Y轴不变）对应无人机左右变动；左右旋（Y轴-50°至10°；10°至50°；X轴与Z轴不变）对应无人机左右旋转。同时，也可根据下列公式绘制动作变化速度图像。

  公式（1）

其中Speedi代表i轴对应变化速度；Edgei、Anglei各自代表i轴对应AR装置使用者头部活动范围值与变化角度；i代表三维空间轴（X，Y，Z轴）；abs表示绝对值。

待无人机设备和AR装置建立交互关系并进行动作指令的归一化处理后，还需实现无人机采集影像的实时传输，致使AR装置能采集到“即时影像”，获得可靠的验收结果[1]。

2.3完善通信系统配置端口

按照遥控器→无人机地面站局域网路由器AR装置研发思路，在无人机与AR装置实现交互设计后，还需保证地面站能在交互场景内采集实时数据，此时需要通信系统给予支撑，为提升局域网通信服务质量，需加强通信端口完善设计。即连通路由器后的地面站通信系统可以通过调整速度参数下达正确的无人机动作变化指令，多以工作器和工作代理器连接端口为主，根据IP地址配置端口，致使在端口服务中AR装置可以及时获取无人机采集影像，也能防止地面站验收人员因影像传输时延问题降低验收结果可靠性。

需要注意的是：在研发系统中成功配置连接端口后，需开展试运行实验，从实验反馈结果中判断新系统运行效果，若确实在配置端口支持下可以采集实时影像，能够根据影像动态场景判断高压铁塔合乎验收规范，则认定该系统值得进行广泛推广[2]。另外，也需要在通信系统连接前对无人机反馈影像数据进行预处理操作，以EPS软件、Smrat3D软件增加数据信息准确度，此时即可在三维空间内提高数据影像通信传输质量，而且需评估无人机扫描影像与AR装置获取影像是否同步，只有能实时显示高压铁塔建设现状，才能给出可信度更高的验收报告，防止因延后传输降低验收质量合格度。因此，通信系统端口设置是新系统研发设计环节的核心基础。

2.4校对AR验收数据精度

以AR装置研发高压铁塔无人机验收系统，从上述内容可知：AR装置使用者如何调控AR装置，则对应无人机设备就随之变化，因而需进一步增加验收数据精度，具体可以采取最小二乘法实现精准化验收，其矩阵方程如下所示：

  公式（2）与（3）

式中代表AR装置获取的无人机影像i、j对应位置；表示ARij与绝对值商值、平移方向向量、ij位置对应的转换矩阵。经过该公式转换后求解后可对三维空间内坐标变化区间进行校对。一般在左右旋、左右倾、前后倾动作中，仅以Y、X、Z轴为主要变化位置。经过求取最优解后可以准确控制角度变化幅度，严格在角度精度范围内把控无人机设备变化动作，最终促使无人机设备在AR装置使用者头部活动中实现精准变换[3]。

以上述方式研发新系统后，还需与传统实地测量法、人工攀爬验收法获取的数据进行精准分析，通过统计倾斜度、直线度等参数验收结果确定运行新系统后是否整体误差更小。经研究新系统配置3个通信端口后显然给出的验收结果，以“标量+矢量”形式表示，可以提高高压铁塔验收合格率，也能为验收人员打造远程验收环境，经过调控无人机扫描范围全方位知晓高压铁塔建设成果。

结论：综上所述，基于AR的高压铁塔验收无人机交互技术需要遵循无人机验收规范，并从无人机实时互动平台、无人机指令下达动作、通信系统配置端口、AR验收数据精度等方面着手，确保在新技术导向下优化高压铁塔验收效果，为验收人员给予可靠的技术支持，由此通过人机交互方式动态掌握铁塔建设现状，促进技术融合发展，创造输变电工程验收工作智能化发展条件。

参考文献：

[1]张四江,李正发,黄林柯，等.基于AR的高压铁塔验收无人机交互技术研究[J].单片机与嵌入式系统应用,2023,23(06):57-60.

[2]郭凯宁,彭雄,万程辉.地面三维激光扫描与无人机倾斜摄影高压铁塔精度比较[J].工程技术研究,2020,5(08):3-4.

[3]张涛,刘瑞,葛亮，等.基于RTK技术的无人机应用于铁塔三维建模中的精度分析[J].中国管理信息化,2021,24(04):89-91.