多旋翼無人機(jī)自主巡檢關(guān)鍵技術(shù)研究

包志鵬 李梓鍇 李梓菲 李梓璐 郭博楊

摘要：基于目前多旋翼無人機(jī)廣泛應(yīng)用于輸電線路電力巡檢的背景，從功能設(shè)計、自動避障、路徑規(guī)劃三個方面討論多旋翼無人機(jī)自主巡檢關(guān)鍵技術(shù)。研究設(shè)計多旋翼無人機(jī)自主巡檢控制功能模塊并劃分無人機(jī)巡檢工作狀態(tài)，然后分析無人機(jī)自動避障原理及搭載多元化傳感器避障的傳感器選型依據(jù)，闡述多種無人機(jī)路徑規(guī)劃算法的核心原理并進(jìn)行了優(yōu)劣性對比。

關(guān)鍵詞：無人機(jī);電力巡檢;自主避障;路徑規(guī)劃

0? ? 引言

近年來，隨著無人機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，其在各個領(lǐng)域的應(yīng)用廣泛普及，如今在電力系統(tǒng)生產(chǎn)的很多環(huán)節(jié)都能看見無人機(jī)的身影。無人機(jī)主要分為三種類型：多旋翼無人機(jī)、無人直升機(jī)、固定翼無人機(jī)。輸電線路巡檢是電力巡檢中最重要的部分，目前這部分巡檢工作已經(jīng)從傳統(tǒng)的人工巡檢逐漸發(fā)展為電力無人機(jī)自主巡檢。用于輸電線路自主巡檢的無人機(jī)主要為固定翼無人機(jī)和多旋翼無人機(jī)。固定翼無人機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是飛行速度快，適用于大范圍的巡檢工作，缺點(diǎn)是不能懸停，不能采集細(xì)節(jié)數(shù)據(jù)。多旋翼無人機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是可以懸停，可以定點(diǎn)采集數(shù)據(jù)，缺點(diǎn)是飛行速度慢。目前，多旋翼無人機(jī)應(yīng)用廣泛。本文主要介紹多旋翼無人機(jī)的飛行方式、避障方案及航線規(guī)劃方案。

1? ? 多旋翼無人機(jī)自主巡檢總體方案

1.1? ? 自主巡檢主體模塊設(shè)計

自主巡檢的關(guān)鍵是整合處理多方面的輸入信息，比如無人機(jī)自身的姿態(tài)信息、無人機(jī)飛行周遭環(huán)境信息，同時結(jié)合多方面控制指令，比如來自無人機(jī)遙控器的控制指令、來自地面段的控制指令、控制系統(tǒng)設(shè)定的控制指令，實(shí)現(xiàn)自主飛行和數(shù)據(jù)采集。綜上所述，本文設(shè)計的自主巡檢主體功能模塊如圖1所示。

1.2? ? 多旋翼無人機(jī)飛行工作狀態(tài)

為了方便對自主飛行技術(shù)的討論，本文將無人機(jī)的飛行姿態(tài)劃分為幾個工作狀態(tài)：穩(wěn)定飛行工作狀態(tài)、懸停飛行工作狀態(tài)、繞行工作狀態(tài)以及自動飛行工作狀態(tài)。穩(wěn)定飛行工作狀態(tài)，即無人機(jī)最基本的工作狀態(tài)，指無人機(jī)起飛、降落及沒有意外地按固定軌跡航行;懸停飛行工作狀態(tài)，是多旋翼無人機(jī)區(qū)別于固定翼無人機(jī)特有的工作狀態(tài)，可以定點(diǎn)采集數(shù)據(jù)，并且可以在懸停的同時調(diào)整機(jī)身姿態(tài);繞行工作狀態(tài)，發(fā)生在判斷前方有障礙物或其他類型干擾時，即臨時調(diào)整航線的狀態(tài);自動飛行狀態(tài)則得益于避障、定點(diǎn)算法。

2? ? 多旋翼無人機(jī)自動避障方案

2.1? ? 自動避障技術(shù)原理分析

無人機(jī)自動避障技術(shù)是其自主巡檢的前提。輸電線路無人機(jī)巡檢工作環(huán)境復(fù)雜，隨時可能出現(xiàn)線路、樹木、污穢等障礙物的干擾，這些干擾如果觸碰到多旋翼無人機(jī)的螺旋槳或者機(jī)身其他部位，就有極大可能引發(fā)墜機(jī)事故，甚至破壞輸電線路，所以研究無人機(jī)自動避障技術(shù)非常有必要。無人機(jī)避障技術(shù)的原理，就是搭載的傳感器感知到物理世界信息的異常，傳遞給核心處理器，核心處理器做出繼續(xù)飛行、懸停等待、繞行等決策。

2.2? ? 多元化傳感器避障方案設(shè)計

多旋翼無人機(jī)目前無法攻克的難題就是載重和續(xù)航，因此傳感器的選擇，既要考慮準(zhǔn)確度，還要考慮體積、重量和價格。本文推薦采用超聲波傳感器、激光傳感器組合避障的方式。超聲波傳感器測距的原理是發(fā)出超聲波，根據(jù)發(fā)出和返回的時間計算距離。激光傳感器測距的原理與超聲波傳感器相似，區(qū)別在于它發(fā)出的是激光。激光傳感器價格低廉，而且目前發(fā)展比較成熟，不同需求都有對應(yīng)的型號。超聲波傳感器體積小、精度高，發(fā)展也比較成熟。

3? ? 多旋翼無人機(jī)航線規(guī)劃方案

3.1? ? 傳統(tǒng)的航線規(guī)劃算法

現(xiàn)有的很多算法都起源于巡檢機(jī)器人，目前可借鑒的算法較多，本文簡單舉幾個典型例子。

第一種，人工勢場法，它是在1994年由Khatib提出的虛擬方法。這種方法的核心思想是把無人機(jī)飛行的空間虛擬成一個場，將無人機(jī)排斥的點(diǎn)定義為正勢能，無人機(jī)目標(biāo)點(diǎn)定義為負(fù)勢能，無人機(jī)飛行的原則就是向勢能減少的方向飛行。

第二種，柵格分解法，這種方法的核心思想是將無人機(jī)即將飛行的空間劃分成細(xì)致的柵格，然后分清哪些是障礙柵格，哪些是自由柵格，所有將自由柵格連接起來的路徑都可以作為飛行軌跡。

第三種，自主規(guī)劃法，其中包括近幾年來廣泛使用的粒子群算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、遺傳算法、蟻群算法等。

第四種，PRM算法（概率路標(biāo)算法），這種方法的應(yīng)用分為采樣預(yù)處理和路徑查詢兩個階段。首先預(yù)處理隨機(jī)采樣，若采樣點(diǎn)合格即錄入;然后是路徑查詢，就是將起始點(diǎn)和終點(diǎn)放到圖中，查詢所有可行路徑。

3.2? ? 基于RTT算法的航線規(guī)劃方案

以上所述均為借鑒巡檢機(jī)器人的軌跡規(guī)劃方法，但巡檢機(jī)器人的工作環(huán)境和巡檢無人機(jī)的工作環(huán)境存在本質(zhì)的不同，巡檢機(jī)器人的工作范圍是一個二維的平面，只需要二維坐標(biāo)系即可描述位置，而巡檢無人機(jī)的工作范圍是一個三維的幾何空間。綜上所述，本文提出采用RRT算法（快速擴(kuò)展隨機(jī)樹）進(jìn)行航線規(guī)劃。這種方法最早于1998年被提出，目前廣泛應(yīng)用于路徑規(guī)劃層面。這種算法的核心思想是首先對擬飛空間隨機(jī)采集樣本，并擴(kuò)展到未知的可能空間。因此，這種算法更適用于解決較多維度的路徑規(guī)劃問題。

4? ? 結(jié)語

本文基于目前輸電線路大規(guī)模采用多旋翼巡檢無人機(jī)的背景，首先設(shè)計了多旋翼無人機(jī)自主巡檢主體功能模塊，分析了其飛行時的多種工作狀態(tài);其次提出多旋翼無人機(jī)避障可以采用多傳感器并行的方式提高精度;最后對多種航線規(guī)劃算法進(jìn)行了介紹并對重點(diǎn)研究進(jìn)行了舉例分析。希望本文能對以后多旋翼無人機(jī)電力巡檢關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展起到拋磚引玉的作用。

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收稿日期：2020-03-04

作者簡介：包志鵬（1995—），男，甘肅永靖人，工程師，從事電網(wǎng)智能檢測研究應(yīng)用工作。