山區無人機巡線避障技術研究與應用

周 建，陳 裕

（1.安康供電分公司，陜西安康 725000；2.紫陽供電分公司，陜西紫陽 725300）

1 無人機巡線技術應用的優勢

隨著消費級無人機技術的逐步發展和完善，使用無人機電力巡線和人力巡線的結合已經成為電力行業的主要趨勢。無人機電力巡線技術應用得以如此快速的發展，有以下原因。

（1）安全性高。無人機加入電力巡線工作，降低了巡線工人工作難度，提高了安全性能。

不難看出, 有限差分近似式(3)引入了兩類數值誤差. 數值色散修正的是波的相速度, 即c*(ξ)=; 數值耗散修正的是波的振幅, 記作e-λt, 衰減率對應于一種特征衰減時間尺度的倒數, 該時間尺度僅當時才有意義.

（2）效率高。在電力巡線工作中，只要規劃好飛行路線，電力巡線的效率將大大提高。

（3）分析準確度高。目前最先進的無人機定位可以精確到厘米，這樣的精度對故障檢測、工程測繪來說至關重要。

很快，救護車到了，哎喲一聲那人捂著腦袋被抬上了救護車。警車又到了，一堆燈光又閃爍開來，左小龍恍惚間好像又回到了和泥巴在旅店的二樓看樓下的情景。警察查了半天，現場沒查明白那人是怎么頭破血流的，左小龍也沒犯什么法，只不過當眾爆缸而已，屬于產品使用不當。警察再次驅散了人群，人們歡呼著，睡覺去嘍。

（4）降低巡線難度。無人機在江河湖泊、深山高原等巡線施工作業難度大、危險性高的地方，都能夠輕松抵達并完成，不會遺漏任何一處。

此供電分公司位于山區，地形復雜，自然環境惡劣，有些地方必須通過無人機才能巡視。本應用案例主要以巡檢無人機通過環境感知為主要目的，使得無人機探索出一套適應山區的電力巡檢的技術方案，具體如下。

（2）無人機的通訊鏈路采用普通民用的2.4G和5.8G傳輸，這種頻段的優點是傳輸效率高，缺點是容易受遮擋，一旦受遮擋后會造成通訊鏈路中斷，導致無人機失控。在實際應用中該地區山體眾多，電力線路大多沿山跨山分部，電磁干擾和信號受山體遮擋導致的失控是巡檢過程中構成無人機事故的主要原因（圖5）。

2 無人機巡線避障技術的研究與應用

圖2為不同機型提供不同方向的避障示意圖，以適用不同環境下應用。

本文針對無人機巡線技術，應用案例以某供電公司為例，創新性地提出山區無人機電力線路巡檢的應用中，必須融入環境感知系統和自主巡航避障系統，由二者協作無人機才可實現自主避障。

鐘自然強調，新時代的海岸帶地質調查工作，要深入貫徹黨中央國務院的有關重要精神，落實自然資源部黨組的決策部署，以地球系統科學理論為指導，緊扣海岸帶經濟社會發展和生態文明建設重大需求，聚焦海岸帶重大資源、生態、環境問題，以及制約這些問題解決的重大科技問題，構建起跨地區、跨單位、跨專業協同攻關，多方協調聯動，資料數據共享共用的新機制，分層次有序推進海岸帶綜合地質調查，著力加大海岸帶地質科技創新和信息化建設力度，加快完善海岸帶地質調查保障體系，為海岸帶綜合管理提供地球系統科學解決方案，開創海岸帶地質調查工作的新局面。

（5）成本低。1臺電力巡檢無人機每天能完成上百公里的電力線路巡檢任務，相當于上百個電力巡檢工人的工作量，大大降低了人工成本。

2.1 電力巡線對無人機避障能力的要求

如圖1所示，無人機探測到前方15m，后方8m有障礙物。隨著障礙物與無人機的距離縮短，雷達波顏色逐漸由綠色變為黃色，再變為紅色，遙控器報警聲也會逐漸變急促，最終在距離障礙物前方2m處懸停，從而起到保護無人機的作用。當開啟繞障功能后，無人機會主動從障礙物上方或者左右越過。

（1）環境感知系統又稱為避障系統，避障分為繞障和停障，在巡檢過程中環境感知系統對周圍環境進行建模。當繞障功能開啟時，無人機遇到前方障礙物就會重新規劃飛行路徑，在飛手不用操作的情況下可以從障礙物的上方或者左右倆方繞過，起到保護無人機的作用。當沒有開啟繞障功能時，無人機無法繞過障礙物，避障飛行系統會在障礙物前方發出報警聲給飛手，隨著距離的接近報警聲變急促最終懸停，即使飛手推動操作桿前進，無人機也會保持懸停并發出報警聲，從而提醒飛手注意安全。

圖1 方案實測示意圖

無人機在電力系統中承擔的工作通常是電力線路巡檢。在無人機巡檢中如果不能自主避障，很容易發生撞上電力設施、撞擊山體或建筑物、返航失控等事件；同時無人機受電磁環境干擾時也容易出現失控飛丟、返航自主尋路失敗等狀況。因此在山區無人機巡線應用中，無人機自主避障技術的研究與應用至關重要。綜合目前無人機避障技術的應用，在山區無人機巡線避障技術的研究和應用中，最核心的環節是感知障礙，無人機只有準確感知障礙才有可能實現完美避障。

患者既往先后行兩次剖宮產史，于第二次剖宮產術術中發現右側卵巢包塊，病檢提示為惡性腫瘤，于剖腹產術后4天行右側卵巢腫瘤根治術；1個月前因左側股骨頸骨折，于我院行股骨頸骨折固定術；無輸血及獻血史，無高血壓、糖尿病、慢性支氣管炎等慢性疾病；預防接種史具體不詳。曾有青霉素、頭孢類藥物過敏史。

圖2 不同機型提供不同方向的避障示意圖

（1）由于地球磁場較弱，無人機通過磁羅盤提供指向時往往會因為電網的電磁干擾造成磁羅盤錯誤，給無人機提供錯誤的方向信息，使運算邏輯混亂，給無人機發出錯誤的指令造成失控。巡檢的主體鐵塔具有磁性，帶電線路有強磁輻射，都會干擾無人機的指南針，所以巡檢中一但靠近巡檢主體，指南針就會受到干擾，嚴重者甚至會造成事故，如圖4所示。

圖3 FPV相機始終提供機頭方向視角示意圖

2.2 無人機在惡劣環境下巡線存在的問題

（2）FPV相機協同避障系統實現繞障飛行，如圖3所示。實際飛行過程中，無人機的飛行的方向和云臺朝向有時不一致，因此飛手無法判斷前方障礙物的情況，簡單地依靠避障系統提供安全保障已經不能滿足現實中的需求。為了適應山區無人機飛行安全，巡線無人機升級配置FPV相機實時提供機頭前方畫面，配合避障系統，讓飛手再巡檢的過程中，不必修正云臺朝向觀察機頭前方，既保障了無人機的安全又提高了巡檢效率。當云臺在沒有朝向機頭方向的時候，即便遇到障礙物無人機也會在飛行方向上最大可能的繼續飛行繞過障礙物，而非只通過剎車懸停方式保障了安全卻終止任務。

圖4 磁場收到干擾后，無人機不能正常起飛

綜上所述，將無人機應用到電力巡線工作中不僅能提高電力維護和檢修的效率，使很多巡檢工作能在完全帶電的環境下迅速完成，還確保了用電安全。另外，采用無人機進行常規輸電線路巡查，可降低工人工作強度，提高巡線作業人員的安全性，降低了成本。無人機巡線速度快、響應迅速，能及時發現缺陷，及時提供信息，提高了供電可靠性，避免了因事故停電造成的其他損失。

2.3 解決措施。

（1）無人機使用30倍光學變焦+6倍數碼變焦且帶三軸增穩技術使抖動控制在0.01°以內的云臺相機，如圖6所示。在不用靠近拍攝體的情況下完成拍攝任務，不僅靈活快速的獲取信息還能有效地保障人員和設備的安全。

圖5 無人機通訊鏈路受建筑物或山體遮擋后失控

圖6 30倍光學變焦后，可遠離電磁干擾源進行拍攝

（2）傳統的失控行為有懸停、降落、返航。在以往的失控返航行為中，無人機會自動直線返回到起飛點。在山區巡檢中，地理環境高低起伏，直接返航會導致無人機因返航高度不足直接撞上山體或障礙物。因此，新型巡線無人機在返航中，當通訊鏈路中斷后，無人機并不會直接返回起飛點，而是在之前記錄的飛行路徑和全局地圖中擬合一條安全的返航路線。由于這條路徑是無人機飛行過的，這種場景下的返航就會沿著過去的路徑返回，直至恢復鏈路通訊。在操作人員選擇一鍵返航后，無人機會直接直線返航，在返回路徑上如有障礙物，無人機會在接近障礙物后選擇上升避開障礙物，再前進繼續飛往返航點。由圖7、圖8可知，對于山區、峽谷線路巡視的場景，當無人機繞到障礙物背后的時候圖傳信號有可能會因為遮擋的原因中斷，此時無人機會自動從飛入的路線中規劃路出，保證與操作者之前的信號連接能夠在最短時間內恢復。

按照上面的實驗結論，貓咪們是“男左女右”的堅定執行者，寵物狗們則沒有這么統一。澳大利亞悉尼大學獸醫學院的保羅·麥克里維博士領導的研究小組在對270只種類不同的狗進行長期觀測后發現，15%的狗是右撇子，15%的狗則是“左撇子”，剩下70%的狗沒有明顯的使用偏好。麥克里維認為，左撇子或右撇子的狗更容易被訓練成為適合特定工作的狗，比如導盲犬或警犬。那些對左爪或右爪缺乏使用偏好的狗更容易對聲音產生恐懼。

隨著我國土地流轉的加劇和農業現代化、規模化的發展，傳統農資行業銷售渠道正面臨著翻天覆地的改變，廠家渠道貼地下沉，市場競爭不斷加劇，新型農業經營主體和新型服務平臺的層出不窮，農資企業在業務拓展上受到越來越多的阻力和挑戰。如何在新的農業發展形勢下擁抱變化、盤活市場成為肥料生產企業亟待破解的難題。

圖7 平原地區的失控返航示意圖

圖8 山區地區的全新智能返航示意圖

（3）精準降落是針對無人機返航降落過程中消除外部因素干擾精準降落到起飛點。傳統的降落采用GPS定位降落，其缺點是誤差大，造成自動降落的地方距離起飛點比較大，容易因土地不平整造成側翻或掛樹掛電線。最新的精準降落是在無人機起飛時，通過下視傳感模塊記錄起飛地的圖像信息，返航降落時通過與起飛時的采集的圖像信息進行對比，引導無人機降落到起飛點，進而保證無人機精準降落，具體如圖9所示。

圖9 上升5m采集地理信息，實現精準降落

3 結束語

無人機巡線技術的應用具有十分廣闊的前景，單一避障技術已無法滿足目前復雜的需求，多種避障技術相結合的新型避障手段是未來的發展方向。