小型多旋翼無人機巡線技能強化的研究應用＊

李斐，張德欽，劉源

小型多旋翼無人機巡線技能強化的研究應用＊

李斐1，張德欽2，劉源1

（1.廣西電網有限責任公司北海供電局，廣西 北海 536000；2.廣西電網有限責任公司北海供電局輸電管理所，廣西 北海 536000）

小型多旋翼無人機憑借不受地形環境的限制、效率高等優點在輸電線路巡線方面的應用越來越廣泛。針對小型多旋翼無人機在電力巡線路中的現狀，利用UE4虛幻引擎打造無人機巡線仿真培訓平臺，選擇代表性輸電線路進行實景建模，真實再現各種典型缺陷、地形、GPS坐標等作業條件，模擬現場巡線作業流程，進行實操練習，訓練機巡人員的操控能力、常見缺陷辨識能力。

小型多旋翼無人機；UE4；巡線技能；技能強化

近年來，由于無人機在各行業的應用越來越廣泛，對相關從業人員的技能提出了更高的要求。目前，在電力系統中，無人機主要運用于災情勘察、運行檢修、施工放線、故障清除等領域。對此，要求操作人員系統學習無人機的操作原理，并通過反復的實操訓練掌握無人機的飛行及巡線技巧，以確保任務的順利執行。然而，實際的飛行訓練成本高、設備損耗大、過程乏味等問題一直困擾著各單位。結合各方需求，本文提出將UE4與小型多旋翼無人機巡線技能相結合的方法，對實際的業務邏輯、安全意識、操控技能進行培訓，讓班組成員提升應急處理能力和業務水平，保障輸電線路及電網穩定運行。

1 平臺整體構成

本平臺以電力行業、電網公司相關標準為業務指導，全程貫穿安全規程要點及注意事項，通過“教學→訓練→考核→強化”的管道式培訓模式，將平臺分為無人機巡檢作業、基礎能力培訓、缺陷與隱患、設備使用與保養、設置、附屬功能六大部分。

平臺框架如圖1所示。

圖1 平臺框架

1.1 無人機巡檢作業

無人機巡檢作業板塊包含巡檢任務制訂、訓練模式、考核模式、應急處理四項功能。此板塊主要用于培訓無人機飛手的業務能力，從巡檢前的準備工作到領取任務單；制作仿真度極高的場景，結合具體的巡線任務，逐步引導受訓員工完成巡線任務，并在飛行過程中提示要點與注意事項；模擬實際巡線作業流程，考核學員巡線技能及對相關規定的理解程度，并對其飛行技能進行評分；針對動力缺失、信號干擾等多種情況進行了操作模擬，讓學員積累更多實踐經驗。

1.2 AOPA培訓

AOPA培訓主要培訓操作人員無人機飛行技能，課程內容嚴格按照中國航空器擁有者及駕駛員協會標準制定，包含了起飛、降落、懸停、8字飛行、四邊航線等飛行技能。

1.3 基礎能力培訓

基礎能力培訓主要培訓操作人員巡檢設備的知識和無人機飛行的法律法規，并設計了無人機應急處理課程，課程內容訓練操作人員在無人機遇到信號干擾、動力流失等情況時的應對操作。

1.4 缺陷與隱患

缺陷與隱患板塊主要是介紹輸電線路無人機巡線時常見缺陷的的認識，并分析其產生的原因，以便整理及歸檔后期的數據。

1.5 設備使用與保養

設備使用與保養板塊主要是以三維模型、文字、圖片的方式向學員展示巡線設備的原理、組成、使用方法等專業知識。根據無人機的操作規范，制作了無人機的拆裝流程、維護保養等三維動效視頻。

1.6 設置

設置板塊分為一般設備、鍵盤設置、搖桿設置、缺陷開關、模式設置、天氣設置六項功能，分別為對顯示器參數進行調節，設置鍵盤的功能，美國手、日本手的切換，開啟關閉缺陷的類型，VR模式與PC端模式的切換，對風、雨、塵、霧等天氣等級的開關進行調節。

2 平臺設計框架

2.1 平臺設計原則

軟件的設計主要遵循以下幾點原則[1]：①先進性。在滿足當前使用要求的前提下，巡線虛擬仿真系統具有較好的技術擴展性，能豐富系統模塊，增強功能。②安全性。外接口有嚴格的接口環節，保證外接進來的不能破壞系統內部的。③安全性。系統具備恢復能力，保證系統正常運行。④經濟性。系統應具有良好的兼容性，功能方面，系統應該兼容過去版本。⑤可擴展性。設計系統時，預留了多余的接口，以備系統在今后的升級中，能增加附帶的增值業務。⑥規范性。設計符合國家標準、行業一級技術標準。

2.2 軟件系統框架

設計系統時，把Airsim當作Unreal場景的一個插件使用，并對其進行二次編譯。在使用過程中需要注意如下幾點：Unreal工程的運行需要至少一個源文件（創建一個Unreal類）；將Airsim插件復制到Unreal場景中；使用Visual Studio打開需要編譯項，點擊F5進行編譯；更改模式，完成如上操作后，使用Unreal調用AirLib文件中的物理引擎、傳感器模型（氣壓計、IMU、GPS和磁力計等）、無人機模型、控件庫等API接口，實現數據的收集及控制仿真。系統框架如圖2所示。

3 平臺實現

3.1 線路三維模型重建

三維仿真模型重建，基于激光點云數據完成對線路及周邊地物的三維模型構建，利用3D max繪制精細化模型，并導入巡線、AOPA、特種作業等場景，使得所有場景更加接近真實，增加培訓人員的的訓練沉浸感，增強訓練效果，在預知飛行任務區域后，可以針對性構建任務區域地形和場景進行模擬訓練，可以提高任務完成質量和效率。

圖2 系統框架

3.2 地形三維模型重建

地形三維重建基于地形數據，在已有的地形測繪、高程衛星數據上利用Global Polynomial Interpolation的插值方法進行數據的預處理，然后在Global Mapperh上生成可編輯的網絡模型，導入到3D max中進行網格平滑處理，生成三維地形模型，最后將生成的三維地形模型放到UE4虛幻引擎中進行植被的插入。

3.3 平臺交互

3.3.1 場景交互

新建文件夾存儲場景交互藍圖，并命名，添加模塊Scene，作為顯示文本的坐標；添加模塊StaticMesh，作為顯示的模型，指定預覽模型，上個模型會被替換；添加模塊Sphere Collision，作為碰撞半徑，如果需要互動，需要進入碰撞半徑模型；接著添加結構體，將場景交互的藍圖放進去，對屬性進行命名并實例化，添加新變量，作為UI的顯示紋理；接著制作邏輯圖表，新加變量，接收場景交互藍圖的結構屬性。新建節點MenuParameterSet，設置結構體的默認值；新建節點Self，調用獲取自身引用的功能，為每個屬性創建變量，并修改數據類型和重命名，把屬性設置為公開變量，可以在編輯器中指定參數值；添加變量，用來替換BP默認的模型，將模型調整為靜態模型；新建節點Set Static Mesh，調用設置模型的功能，設置為公開變量，這樣就可以使用場景編輯器中指定模型替換藍圖中默認模型。最后，制作儲存默認材質的功能，新建節點Get Material，調用獲取材質功能；新建節點Cast MaterialInstance，調用強制類型轉換為材質實例的功能，設置重置材質的變量。最后，新建注釋，將各模塊分別綁定，然后在場景編輯器中給場景交互藍圖指定屬性。

3.3.2 鍵盤交互

無人機巡線仿真培訓平臺的交互分為鍵盤操作與遙控器制操作。在此培訓平臺中，鍵盤的W、S、A、D進行功能的選擇、無人機機型和線路場景的切換、C鍵切換無人機飛行視角，鍵盤↑←↓→鍵進行無人機模型的角度切換，Page down、Page up進行功能翻頁，P鍵調出菜單，Backspace返回主界面，Enter確認選項。

3.3.3 遙控器交互

遙控器的操作主要針對無人機，C1鍵為噴火按鈕，C2鍵為拍照按鈕，B鍵+LW滾輪為云臺俯仰調節按鈕，A鍵+LW滾輪為云臺左右調節按鈕，D鍵+LW滾輪為云臺調焦按鈕，SW1為飛行模式切換按鈕，往左撥為姿態增穩模式，往右撥為GPS模式。

4 結論

本文運用UE4、3D max等技術與Airsim相結合，研發專業性與實用性并重的電力無人機巡線仿真培訓系統，系統從機巡業務、安全意識、操控技能三個方面對受訓人員進行全面的培訓，以電力行業、電網公司相關標準為業務指導，全程貫穿安全規程要點及注意事項，通過“教學→訓練→考核→強化”的管道式培訓模式，達到標準化巡線的目標，填補會飛無人機到掌握無人機精細化巡檢技能的空白。

［1］矯永康，陳永，于進勇.無人機模擬訓練系統設計與開發［J］.計算機測量與控制，2018，26（1）：209-212.

V279；TM75

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.18.064

2095－6835（2020）18－0154－02

廣西電網科技項目“小型多旋翼無人機飛行與維護技能強化技術研究及應用”（編號：040900KK52190002）

李斐（1986—），男，碩士，高級工程師，研究方向為電氣工程及其自動化。張德欽（1985—），男，本科，高級工程師，研究方向為輸電線路運行管理。劉源（1985—），男，本科，工程師，研究方向為電氣工程及其自動化。

〔編輯：嚴麗琴〕