無人機在電力巡檢中的監管預警技術

王維陶 王甜田 徐新奎

【摘?要】電力巡檢無人機主要圍繞著輸電線路進行巡檢作業，作業現場相對固定，針對電力巡檢無人機這一飛行特點，可輸電線路劃定周邊部分區域為作業區域，限定電力巡檢無人機僅可在作業區域內進行巡檢飛行，通過預測無人機是否會飛出作業區域，及時通知無人機并令其改變航向，以保證飛行安全。

【關鍵詞】無人機;電力巡檢;監管預警技術

1無人機技術簡介

無人機是利用無線電遙控設備和自備的程序控制裝置操控的無人駕駛航空器的簡稱（UAV），無人機、控制站、通信系統和設備保障系統共同構成了無人機系統。（1）無人機。為滿足工業控制的要求，無人機需要具備以下特點：首先，為保證無人機在空中飛行穩定，可以適應不同的工況，其外形設計需要合理;其次，具備足夠的載荷能力，以保證能夠搭載信息采集系統和不同的任務設備;第三，可以完成特定的工作任務，如電力線路巡檢、清障作業、架線作業、自主巡檢等;最后，具備遠程無線圖傳和定位功能等。（2）控制站（GCS）。控制站是無人機系統的重要組成部分，為無人機操控人員提供人機接口和工作環境等。主要負責無人機的航線規劃、起飛與降落、任務執行與管理、信息采集、控制計算和緊急情況處理等。（3）通信系統。通信系統起到連接無人機和控制站的橋梁作用，實現兩者之間控制信息、任務載荷信息、無人機狀態信息、圖像視頻等數據信息的傳輸。（4）設備保障系統。主要為無人機正常作業提供必要的技術支持和安全保障，滿足無人機野外作業時需要的電力、油類等需求，實現轉場作業的要求。

2無人機的安全問題

最近幾年無人機發展迅速，但是在其安全保障方面的技術卻有所不足，導致無人機的安全事故時常發生，這樣便很容易泄露電力公司的機密，甚至對國家帶來極大的安全隱患。在電力巡檢避障中使用的無人機由于其特殊性，往往很容易就會帶來安全威脅，譬如傳感器數據、信號傳遞、線路觸碰等。根據現階段常用的無人機的種類及其性能參數可以知道目前電力企業使用的大部分無人機都是航拍無人機小改款，其內部的安保系統十分簡易，很容易發生安全事故。這些無人機在制作時的設計重點僅僅在電力巡檢避障方面，而在信息保障以及防觸碰兩方面欠缺考慮。

3無人機在電力巡檢中的監管預警技術

3.1巡檢系統中的關鍵性技術

針對無人機電力線路安全巡檢系統的關鍵性技術展開有效性分析，其中首先是針對飛行姿態控制技術，確保無人機巡線時能夠不受相關自然因素的影響，提升無人機飛行姿態，控制系統的有效性。其次，多傳感器應當提升其精準度，并能夠確保時間的同步，將相關測量數據展開緊密的聯系，并加以全面性分析，并對定位數據展開輸出。對控制器的相關時間加以統一，并實現激光掃描儀數據的合理性，使得傳感器數據都能夠同步錄入到系統的當中，并能夠實時對控制器展開監控。最后，針對探測技術中出現線路缺陷以及安全隱患方面，主要涉及到視覺探測、紅外和與紫外探測技術以及激光雷達等探測技術，因此需要無人機電力線路巡檢工作的實際開展中，能夠針對以上三個方面產生了缺陷以及安全隱患，加以重點排查，提升線路巡檢的有效性，從而將視覺探視的可見光探測效果發揮出來。降低紅外熱成像儀，受到溫度影響的不利影響，降低紫外成像儀受到自然光以及人造光源的影響，同時對激光雷達探測技術加以明確性應用從而將其測距的優勢發揮出來。

3.2無人機飛行軌跡預測分析

由于飛行環境和無人機本身存在的不確定性，自主控制系統的規劃與重規劃應該具有較高程度的智能，對由于系統參數的變化、不確定產生的擾動以及可能發生的故障應該具有一定的魯棒性。典型的自主飛行無人機規劃問題就是如何在滿足所有可飛約束條件下，有效、經濟地避開威脅，完成任務目標。作為無人機自主導航的關鍵技術之一，航跡規劃已經成為目前無人機研究領域內的一大熱點。無人機航跡規劃，就是綜合考慮到達時間、油耗、威脅以及可飛行區域等因素，為無人機之后的飛行規劃出最優或者次優的飛行軌跡。同多種規劃計算一樣，無人機的航跡規劃最初也是由操作人員手工完成，隨著電子計算機技術的不斷發展與無人機飛行突防要求的不斷提高，在規劃前對飛行空間的地形與敵方防空威脅信息的掌握也越來越精確，因此現在的航跡規劃都由相應的計算機軟件來處理大量的數據信息完成規劃，在線實時規劃與重規劃更需要特定的硬件與軟件系統來完成規劃。無人機的飛行一般都需要執行特定的飛行任務，因此無人機的航跡規劃都應該以滿足任務需求作為規劃航跡的最初目的。航跡規劃就是綜合考慮油耗代價、威脅代價以及性能載荷的情況下找出一條能都完成飛行任務的最優航跡。在無人機起飛之前，首先由地面規劃系統預先規劃出一條滿足任務需求的油耗代價與威脅代價均較小的最優航跡。無人機起飛之后，無人機按照預先規劃的最優航跡飛行，但由于飛行空間具有不確定性，以及突發威脅的存在，預先規劃的航跡有可能不再適應當前飛行狀態，因此需要依據當前無人機飛行狀態以及最新探測到的飛行環境信息進行替代航跡重新規劃，規劃出一條新的航跡以保證無人機安全飛行至完成任務。

3.3無人機電力巡檢中的監管預警技術

對于電力巡檢作業的無人機來說，如何預測無人機是否會飛離作業區域，及時地預警通知無人機駕駛員，以提醒其所駕駛的無人機需改變飛行方向或速度，從而避免無人機飛離作業區域。采用最小二乘曲線擬合算法可預測除無人機的飛行軌跡曲線，再通過無人機飛行軌跡曲線的切線方程，可通過計算無人機的飛行軌跡曲線是否與作業區域的邊界相交來預測該無人機是否會飛離作業區域。然而電力巡檢作業的區域基本上都是不規則形狀的，如何判斷直線與不規則圖形是否相交是亟待解決的難題。針對巡檢作業無人機飛離作業區域的預警問題，可通過監管預警技術解決這一問題，實現巡檢作業無人機飛離作業區域的預警。針對巡檢作業無人機飛離作業區域的預警問題，可通過監管預警技術解決這一問題，實現巡檢作業無人機飛離作業區域的預警，該技術的流程如下：（1）采用遺傳算法求解合法空域的最大內接矩形（MER）。遺傳算法是一種自適應的全局優化方法，可求解多目標、多模型、非線性等復雜系統問題，是一種高效、強魯棒性的算法，很適合求解MER問題。首先采用浮點數進行編碼，然后在遺傳算法中設計一種初始種群的生成辦法，提高初始種群的質量，并引入懲罰項以及精英保存策略使得遺傳算法可以解決任意不規則封閉圖形內的MER問題。通過計算找出的該合法空域的最大內接矩形來近似代替該合法空域。（2）計算無人機飛行軌跡曲線在當前位置點的切線，通過計算該切線是否會與代替該空域的最大內接矩形相交來判斷無人機是否會飛離作業區域。通過監管預警技術來解決如何判斷無人機是否會進入禁飛區問題，如果無人機飛行軌跡曲線在當前位置點的切線與作業區域的最小內接矩形相交，求出與當前點距離最近的交點，并計算當前時刻無人機與作業區域邊界的距離，及時實施告警，并將當前時刻無人機離作業區域邊界的距離等告警信息以UDP的方式發送給該無人機駕駛員的地面站，通知駕駛員改變無人機的飛行速度或方向，避免飛離合法飛行區域，保證飛行安全;如果不相交，則進行下一時刻的預警。

4結束語

本文針對無人機在輸電線路巡檢方面的飛行安全進行了深入的研究與分析，提出了無人機電力巡檢的監管預警技術，防止無人機飛離作業區域（合法空域），該技術的提出對電力巡檢無人機的監督管理與預警技術研究起到了推動作用。

參考文獻：

[1]蒙波.無人機航跡規劃與任務分析的仿真與實現[D]..電子科技大學信號與信息處理專業碩士學位論文，2010（5）：12-22.

（作者單位：航天神舟飛行器有限公司）