電力多旋翼無(wú)人機(jī)巡檢安全間距保持系統(tǒng)

李新 許強(qiáng) 尚策

【摘 ?要】本文主要對(duì)電力多旋翼無(wú)人機(jī)巡檢安全間距保持系統(tǒng)做具體的論述，希望給行業(yè)內(nèi)人士以借鑒和啟發(fā)。

【關(guān)鍵詞】輸電線路;無(wú)人機(jī);巡檢

引言

對(duì)于電力多旋翼無(wú)人機(jī)巡檢而言，由于其載重能力有限無(wú)法安裝大載重、遠(yuǎn)距離機(jī)載檢測(cè)裝置，所以需要沿線路近距離飛行懸停檢測(cè)。與輸電線路保持安全距離飛行是多旋翼無(wú)人機(jī)在電力巡檢中重要的安全保障之一，同時(shí)也是電力多旋翼無(wú)人機(jī)巡檢的強(qiáng)制要求。隨著近幾年無(wú)人機(jī)行業(yè)的快速發(fā)展，在電力巡檢中多旋翼無(wú)人機(jī)以其成本低、操作簡(jiǎn)單、使用靈活、方便運(yùn)輸?shù)葍?yōu)勢(shì)得以廣泛使用。傳統(tǒng)的無(wú)人機(jī)與輸電線路安全間距保持方法為GPS定位控制，缺點(diǎn)在于其精度低、抗風(fēng)性差、實(shí)時(shí)修正能力弱等原因，使其安全系數(shù)較低，優(yōu)點(diǎn)在于其載重輕，有效減小飛機(jī)負(fù)載，延長(zhǎng)續(xù)航時(shí)間。

1多旋翼無(wú)人機(jī)避障系統(tǒng)的發(fā)展及現(xiàn)狀

自動(dòng)避障系統(tǒng)是保障無(wú)人機(jī)順利完成飛行任務(wù)的重要系統(tǒng)，有助于無(wú)人機(jī)飛行路徑的規(guī)劃。自動(dòng)避障系統(tǒng)應(yīng)具備可靠、實(shí)用、靈活反應(yīng)等特點(diǎn)，這樣無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中才能快速制定新的飛行路徑，并及時(shí)將路徑數(shù)據(jù)直接傳送到飛行控制器中，完成飛行任務(wù)。目前無(wú)人機(jī)避障技術(shù)可分為三個(gè)階段，即感知障礙物階段、繞過(guò)障礙物階段，以及場(chǎng)景建模和路徑搜索階段。在感知障礙物階段中，無(wú)人機(jī)只是簡(jiǎn)單地感知障礙物。當(dāng)遇到障礙物時(shí)快速識(shí)別并懸停下來(lái)，等待操縱者的進(jìn)一步指令。在第二階段中，無(wú)人機(jī)通過(guò)獲取障礙物的深度圖像，精確判斷和感知障礙物的具體輪廓，然后自主繞開(kāi)障礙物。最后階段，無(wú)人機(jī)對(duì)飛行區(qū)域形成三維立體地圖模型，并規(guī)劃合理線路進(jìn)行飛行活動(dòng)。

2無(wú)人機(jī)巡檢流程

我們以1000kV同塔雙回耐張塔巡線拍攝為例，對(duì)無(wú)人機(jī)巡檢流程進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。小型旋翼機(jī)巡線一般巡檢流程如下：第一、收集巡檢線路資料，確定巡檢線路的地點(diǎn)、巡檢時(shí)間、人員和車輛安排等內(nèi)容;第二、確定桿塔類型、桿塔數(shù)量、桿塔巡檢對(duì)象、拍攝要求、拍攝數(shù)量;第三、勘查巡檢現(xiàn)場(chǎng)，了解桿塔位置、線路走向、地形、地貌、風(fēng)向、風(fēng)速、光源方向、信號(hào)塔、山丘、河流、樹(shù)木、礦藏、地下管道等;第四、制定飛行計(jì)劃，確定地面站放置點(diǎn)、飛手站立地點(diǎn)、飛機(jī)起飛點(diǎn)、飛行方向、飛行路線，尤其需要注意桿塔方位、風(fēng)向、風(fēng)速、光源、樹(shù)木、通訊塔、山丘、礦藏、管道、溫度、飛手站位與桿塔電線的角度;第五、根據(jù)巡線需求調(diào)整相機(jī)中設(shè)置的照片質(zhì)量，實(shí)施巡檢，每個(gè)拍攝對(duì)象拍攝5張以上的照片，以防止因?yàn)闊o(wú)人機(jī)抖動(dòng)造成的相片重影，圖像發(fā)虛等情況，從中選擇最優(yōu)照片，避免因?yàn)椴缓细裾掌柚匦嘛w行，以便提高飛行的效率。下面將對(duì)實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中桿塔巡檢拍攝步驟進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹：步驟一：起飛后緩慢上升至左線下相，機(jī)身與線路左線大號(hào)側(cè)絕緣子串水平，拍攝絕緣子串及連接金具;緩慢下降，機(jī)身與線路左跳線硬管母水平，拍攝硬管母整體及連接金具;緩慢上升，機(jī)身與線路左線小號(hào)側(cè)絕緣子串水平，拍攝絕緣子串、金具等。步驟二：緩慢上升至左線中相，重復(fù)步驟一。步驟三：緩慢上升至左線上相，重復(fù)步驟一。步驟四：緩慢上升至塔頂，略高于地線，拍攝左側(cè)地線及掛點(diǎn)和金具。步驟五：翻越桿塔至另一側(cè)，緩慢下降，拍攝右側(cè)地線。步驟六：緩慢下降至右線上相，機(jī)身與線路右線大號(hào)側(cè)絕緣子串水平，拍攝絕緣子串及連接金具;緩慢下降，機(jī)身與線路右跳線硬管母水平，拍攝右跳線硬管母整體及連接金具;緩慢上升，機(jī)身與線路右線小號(hào)側(cè)絕緣子串水平，拍攝絕緣子串及連接金具。步驟七：緩慢下降至左線中相，重復(fù)步驟六。步驟八：緩慢下降至左線下相，重復(fù)步驟六。步驟九：拍攝大小號(hào)側(cè)通道及周圍危險(xiǎn)點(diǎn)。以上九個(gè)步驟為巡檢1000kV同塔雙回耐張塔時(shí)的拍攝方式，其他電壓等級(jí)的線路巡檢過(guò)程與其類似。同時(shí)我們還應(yīng)該注意到小型旋翼機(jī)巡線時(shí)天氣狀況影響較大，當(dāng)風(fēng)力高于3級(jí)時(shí)，無(wú)人機(jī)會(huì)出現(xiàn)飄移的情況，可能導(dǎo)致其與輸電線路、輸電桿塔設(shè)備等無(wú)法滿足有效的安全距離，甚至發(fā)生碰撞。因此加裝測(cè)距系統(tǒng)也是目前眾多巡線用無(wú)人機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置。目前使用最多的是超聲波測(cè)距模塊，超聲波模塊的特點(diǎn)是必須符合探測(cè)角度足夠大的要求，測(cè)量距離的范圍適中即可。小型旋翼機(jī)機(jī)體較小，能近距離飛抵輸電線路附近，我們這里選用的測(cè)試距離以6-10米為宜，檢測(cè)的精度能夠達(dá)到毫米級(jí)，這也是我們將小型旋翼機(jī)作為線路巡檢設(shè)備首先的考慮因素之一。

3 kalman濾波融合技術(shù)

目前比較常用的濾波融合技術(shù)有綜合平均法、貝葉斯估計(jì)法、D-S法、模糊邏輯法、神經(jīng)邏輯法、kalman濾波法、專家系統(tǒng)方法等。kalman濾波經(jīng)在控制領(lǐng)域得以推廣后，便成為多傳感器信息融合的主要技術(shù)手段之一，其基本思想是先分散處理，再全局融合，即以一個(gè)信號(hào)為主體，與其他信號(hào)兩兩結(jié)合，在其結(jié)合信號(hào)的基礎(chǔ)上獲得全局估計(jì)。當(dāng)多旋翼無(wú)人機(jī)以不同的角度接近輸電線路時(shí)，會(huì)出現(xiàn)兩種情況：第一，當(dāng)超聲波傳感器發(fā)出超聲波的傳播方向與線路垂直，則只需要進(jìn)行Kalman濾波融合就可以得到準(zhǔn)確的間距;第二，當(dāng)超聲波傳感器發(fā)出超聲波的傳播方向與線路不垂直，則需要姿態(tài)模塊確定飛行姿態(tài)，通過(guò)三角公式換算得到垂直距離。

4電力多旋翼無(wú)人機(jī)巡檢安全間距保持系統(tǒng)避障方法

4.1紅外/激光TOF測(cè)距

這種方法是利用紅外線感應(yīng)原理來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)距的。紅外線避障的常見(jiàn)實(shí)現(xiàn)方式就是“三角測(cè)量原理”。紅外感應(yīng)器包含紅外發(fā)射器與CCD檢測(cè)器。紅外線發(fā)射器發(fā)射紅外線，紅外線碰到物體會(huì)發(fā)生反射，CCD檢測(cè)器接收到反射光線后，根據(jù)不同距離的物體，就得到不同的反射角度，進(jìn)而產(chǎn)生不同的偏移值，得到這些數(shù)據(jù)再經(jīng)過(guò)計(jì)算，就能得出物體的距離。簡(jiǎn)言之，就是傳感器發(fā)射一定頻率的紅外/激光信號(hào)，然后根據(jù)反射信號(hào)與原信號(hào)的相位差計(jì)算信號(hào)的飛行時(shí)間，即可換算出距離障礙物的距離。這種方法技術(shù)比較成熟，作用距離較超聲波更遠(yuǎn)（數(shù)米到數(shù)百米），而且高等級(jí)的TOF傳感器可以獲得障礙物的深度圖像，但成本高、抗干擾能力較差。該方案在當(dāng)前市場(chǎng)中占有一定的應(yīng)用規(guī)模。

4.2雙目視覺(jué)測(cè)距

這種方法是利用兩個(gè)平行的攝像頭進(jìn)行拍攝，然后根據(jù)兩幅圖像之間的差異，通過(guò)復(fù)雜的算法計(jì)算出特定點(diǎn)的距離，當(dāng)數(shù)據(jù)足夠時(shí)還能生成深度圖。這種方法運(yùn)用了人眼估計(jì)距離的原理，即同一個(gè)物體在兩個(gè)鏡頭畫(huà)面中的坐標(biāo)稍有不同，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換即可得到障礙物的距離。這種方法的缺點(diǎn)在于技術(shù)難度較高，且距離估計(jì)的誤差會(huì)隨著距離的變大而呈現(xiàn)指數(shù)型增長(zhǎng)，但這一缺點(diǎn)不影響在無(wú)人機(jī)避障領(lǐng)域中的應(yīng)用。

4.3電子地圖測(cè)距

借助高分辨率的數(shù)字高程地圖和城市三維建筑地圖，既能避免無(wú)人機(jī)撞擊重要建筑物（即禁飛區(qū)功能），也能實(shí)現(xiàn)多數(shù)情況下的無(wú)人機(jī)避障。數(shù)字高程地圖是一個(gè)能夠?qū)崟r(shí)更新的三維立體地圖，在軍事上，例如戰(zhàn)斧巡航導(dǎo)彈的遠(yuǎn)程飛行在很大程度上依賴于該地圖。

結(jié)語(yǔ)

在輸電線路垂直方向在兩個(gè)傳感器之間時(shí)，其準(zhǔn)確距離需要三角換算得到。多旋翼無(wú)人機(jī)與輸電線路之間距離越小電機(jī)轉(zhuǎn)速越快，推動(dòng)無(wú)人機(jī)快速倒退，使其遠(yuǎn)離危險(xiǎn)區(qū)域，繼續(xù)保持安全間距。

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（作者單位：中國(guó)南方電網(wǎng)超高壓輸電公司曲靖局）