應(yīng)用機器人軌跡跟蹤技術(shù)的電力線路無人機智能化巡檢系統(tǒng)設(shè)計

謝志文，吳 暉

（1.廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院，廣州510030；2.南方電網(wǎng)電力科技股份有限公司，廣州510030）

在地形比較復(fù)雜的荒野地區(qū)，電力線路分布廣且多，線路所使用的管、線經(jīng)過風(fēng)吹日曬，很容易出現(xiàn)老化破損等情況，需要加大電力線路的巡檢力度，同時，隨著電力技術(shù)的不斷改進，電壓等級以及電網(wǎng)規(guī)模也不斷得到改善，電力線路的鋪設(shè)范圍不斷增加，長距離的電力線路鋪設(shè)使用越來越多，隨之而來的巡檢電力線路的工作量不斷增加，如果使用人工開展電力線路的沿線巡檢，不但人力成本過大，而且安全成本和技術(shù)需求較高，不符合目前電力線路的安全、經(jīng)濟效益需求[1]。

過去使用的人工巡檢方式通常是人力主導(dǎo)，借助簡單交通工具和望遠鏡等檢測設(shè)備檢查電力線路情況，通過通信網(wǎng)絡(luò)上報線路故障問題，這種巡檢方式不能有效采集線路故障照片，技術(shù)人員不能準(zhǔn)確判斷故障情況與位置，容易出現(xiàn)漏檢測和誤檢測的情況[2-4]。且受到環(huán)境影響，巡檢工作不能按計劃開展，一旦線路發(fā)生故障不能被及時檢測出來，將會導(dǎo)致線路中斷，發(fā)生大面積斷電情況。為解決這種問題，眾多專家對無人機巡檢技術(shù)進行研究，文獻[5]設(shè)計一種基于衛(wèi)星技術(shù)的大型無人機巡檢系統(tǒng)，利用衛(wèi)星技術(shù)實現(xiàn)無人機的導(dǎo)航定位，該種技術(shù)雖然能夠?qū)崿F(xiàn)無人機的精準(zhǔn)導(dǎo)航巡檢，但是技術(shù)成本較高，實際使用時還需要進一步改進；文獻[6]從現(xiàn)場勘查、設(shè)備安裝、巡檢規(guī)劃和巡檢應(yīng)用等方面介紹了工程實施步驟，但是該種系統(tǒng)只能在地面實現(xiàn)檢測，遺漏巡檢的情況較高。

由于上述相關(guān)機器設(shè)備不能獨立思考，只能執(zhí)行計算機指令，在運行過程中會出現(xiàn)時變特性，受信噪干擾等因素的影響，很難實現(xiàn)全區(qū)、全天候的精確跟蹤，且巡檢準(zhǔn)確率較低，因此，本文采取軌跡跟蹤技術(shù)，使用魯棒滑模控制算法，提升軌跡跟蹤的準(zhǔn)確性。滑模控制能夠不考慮控制對象的擾動情況，在響應(yīng)方面速度較快且靈敏性高，具有物理設(shè)備需求較小的特點，在機器人運動軌跡控制方面已經(jīng)具有成熟的研究經(jīng)驗[7-9]，由此提升無人機巡檢的準(zhǔn)確性。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

考慮到電力線路無人機智能化巡檢的基本流程，構(gòu)建電力線路無人機智能化巡檢系統(tǒng)的整體框架，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框架Fig.1 Overall system framework

采集模塊、軌跡跟蹤控制模塊等數(shù)個模塊共同組成電力線路無人機智能化巡檢系統(tǒng)。在本文系統(tǒng)中，飛行狀態(tài)監(jiān)測模塊負責(zé)監(jiān)測飛行控制情況，由此監(jiān)測無人機飛行控制情況，飛行控制模塊中最重要的部分就是軌跡跟蹤控制子模塊，該子模塊也是整個無人機飛行控制的核心部分，在下文中會展開詳細分析。數(shù)據(jù)采集模塊負責(zé)采集電力線路的圖像信息與地面位置信息，并將其傳輸至飛行控制模塊，飛行控制模塊將這些數(shù)據(jù)經(jīng)過無線數(shù)據(jù)傳輸模塊傳輸至地面站模塊，該模塊保存電力線路圖像信息數(shù)據(jù)與位置信息，巡檢數(shù)據(jù)智能化分析管理模塊對圖像數(shù)據(jù)在線處理，地面站的工作人員分析電力線路中可能存在的故障問題與環(huán)境中可能存在的環(huán)境侵害，并判斷故障情況，地面站控制模塊向飛行控制模塊反饋飛行數(shù)據(jù)，幫助軌跡跟蹤控制模塊控制無人機飛行。

飛行動力模塊由動力能源設(shè)備與無人機機體組成，充電鋰電池作為動力能源；飛行狀態(tài)監(jiān)測模塊主要負載在巡檢過程中監(jiān)控?zé)o人機的飛行狀態(tài)：電池電量、飛行時水平與垂直速度、飛行姿態(tài)等，用于掌握無人機的實時動態(tài)；數(shù)據(jù)采集模塊主要通過傳感器實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，因此該模塊配備高清攝像機與光感傳感器等設(shè)備獲得電力線路和環(huán)境情況的數(shù)據(jù)[10-11]；無線數(shù)據(jù)傳輸模塊負責(zé)圖像與環(huán)境信息的傳輸和存儲，配備大功率MDS 實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸，保證了數(shù)據(jù)的完整性與傳輸穩(wěn)定性；地面站控制模塊主要負責(zé)無人機的指揮操作；巡檢數(shù)據(jù)智能化分析管理模塊是檢測電力線路是否發(fā)生故障的關(guān)鍵部分，該模塊的工作流程如圖2所示。

圖2 巡檢數(shù)據(jù)智能化分析管理模塊工作流程Fig.2 Work flow chart of patrol inspection data intelligent analysis management module

該模塊需要對獲取的圖像數(shù)據(jù)實行預(yù)處理，作為檢測電力線路故障的智能算法，在比較復(fù)雜的背景環(huán)境中檢測出電力線路中的故障情況，實現(xiàn)電力線路無人機智能化巡檢[12]。

1.2 無人機硬件配置

本文智能化巡檢系統(tǒng)所使用的無人機為四旋翼飛行器，該結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 無人機結(jié)構(gòu)Fig.3 UAV structure

如果需要近距離特殊操作則需要云臺、攝像機以及無人機之間實現(xiàn)三軸切換轉(zhuǎn)動，這種時候就需要使用遙控器實現(xiàn)控制操作。在該硬件部分中5.9G33 拼點模擬圖片傳輸系統(tǒng)實現(xiàn)無線圖像傳輸功能，該系統(tǒng)的有效傳輸距離為3.5 km，如果地面站配備天線接收設(shè)備，傳輸范圍可擴大至10 m，利用XTEND900M/1W 數(shù)傳電臺實現(xiàn)無線數(shù)字傳輸，該硬件的最大數(shù)字傳輸距離接近65 m，35 A 無刷電子調(diào)速器配合無刷電機作為無人機的動力系統(tǒng)，最大功率接近580 W。可見光攝像機與3840×2160 分辨率航拍攝像機作為圖像采集設(shè)備[13-14]。

1.3 機器人軌跡跟蹤控制方法

軌跡跟蹤控制子模塊是飛行控制模塊中最重要的一部分，也是整個系統(tǒng)的核心部分。無人機在坐標(biāo)系的位置為坐標(biāo)點，坐標(biāo)點是四旋翼的中點M，航向角用θ 描述，x坐標(biāo)軸的夾角和無人機飛行方向為無人機運行方向，其動力數(shù)學(xué)模型用式（1）描述：

式中：γ 為無人機的角速度；［x，y］為無人機的位置；v為無人機的線速度；［v，γ］為采用控制律完成無人機的軌跡跟蹤。

通過自適應(yīng)魯棒滑模變結(jié)構(gòu)控制算法完成無人機的軌跡跟蹤[15]。

設(shè)置實時位置用［x，y］描述，理想軌跡用［xd，yd］描述，位置誤差用［xe，ye］=［x-xd，x-yd］描述。將其導(dǎo)進式（1）中求出式（2）：

設(shè)計位置控制律：

（1）X軸：設(shè)置u1=vcos λ，取滑模變結(jié)構(gòu)函數(shù)s1=xe，求導(dǎo)出s1′＝u1-xd′，設(shè)計控制律用u1=xd′-k1s1描述。其中，k1＞0，可得s1′＝-k1s1。

構(gòu)建李雅譜諾夫函數(shù)，如式（3）所示：

求導(dǎo)得出式（4）：

當(dāng)k1＞0 時，則V1′≤0，表示系統(tǒng)穩(wěn)定。

（2）Y軸：設(shè)置u2=vsin λ，取滑模變結(jié)構(gòu)函數(shù)s2=xe，求導(dǎo)出s2′＝u2-yd′，設(shè)計控制律用u2=yd′-k2s2描述。其中，k2＞0，可得s2′＝-k2s2。

構(gòu)建李雅普諾夫函數(shù)，如式（5）所示：

求導(dǎo)得出式（6）：

當(dāng)k2＞0 時，則V2′≤0，表示系統(tǒng)穩(wěn)定。

通過上式求出實際位置控制律，如式（7）所示：

式中：實際控制角度用λ 描述。為使控制角度誤差是0，需設(shè)計姿態(tài)控制律。

設(shè)計姿態(tài)控制律：

設(shè)置實際控制角度與理想角度誤差用λe=λ-λd描述，取滑模函數(shù)用s3=λe描述，求導(dǎo)出式（8）：

滑模姿態(tài)控制律，如式（9）所示：

構(gòu)建李雅譜諾夫函數(shù)，如式（10）所示：

求導(dǎo)得出式（11）：

按照柯西-施瓦茨不等式求出式（12）：

當(dāng)k3＞0 時，則V3′≤0，表示系統(tǒng)穩(wěn)定，地面站根據(jù)數(shù)據(jù)信息，進行電力線路故障識別，進而實現(xiàn)電力線路無人機智能化巡檢。

2 實驗結(jié)果

以某市郊區(qū)較空曠區(qū)域的電力線路作為研究對象，驗證本文系統(tǒng)的性能，實驗研究區(qū)域的電力線路長度約為5 km，屬于110 kV 高壓線路，結(jié)構(gòu)屬于架空線路，供電性能安全可靠，有利于區(qū)域電力長時間可持續(xù)發(fā)展。該段線路經(jīng)濟成本較低但是極易受到冷空氣及雷擊災(zāi)害影響，所以對于該類線路的巡檢一直是電力公司重點工作。在本文方法應(yīng)用下，其導(dǎo)航定位與路徑規(guī)劃模式如圖4所示。

圖4 導(dǎo)航定位與路徑規(guī)劃模式Fig.4 Navigation positioning and path planning mode

為使實驗結(jié)果更加具有對比性，同時使用基于衛(wèi)星技術(shù)的無人機巡檢系統(tǒng)（下文簡稱對比系統(tǒng)1）與基于機器視覺的無人機巡檢系統(tǒng)（下文簡稱對比系統(tǒng)2）對研究區(qū)域電力線路開展巡檢驗證，兩種對比系統(tǒng)分別來自參考文獻[5]與參考文獻[6]。

無論何種巡檢系統(tǒng)，無人機飛行方向都需要在系統(tǒng)控制之下，因此系統(tǒng)會存在一個規(guī)定軌跡路線，對比3 個系統(tǒng)軌跡跟蹤在X軸方向、Y軸方向，與航向角度方向上與規(guī)定軌跡之間的誤差，結(jié)果如圖5所示。

圖5 無人機軌跡跟蹤誤差分析Fig.5 Trajectory tracking error analysis of UAV

從圖5 中能夠看出，在實驗初始階段，本文系統(tǒng)與理想軌跡之間存在較小誤差，經(jīng)過短暫運行后，本文系統(tǒng)無人機飛行軌跡基本與理想軌跡擬合，沒有出現(xiàn)過大的誤差，軌跡跟蹤控制效果較好。兩種對比系統(tǒng)由于對于飛行軌跡控制沒有過于重視，導(dǎo)致飛行軌跡與理想軌跡存在較大誤差，這種誤差將嚴(yán)重影響無人機的巡檢效果。

為驗證系統(tǒng)軌跡跟蹤的可靠性能，特意把本文系統(tǒng)無人機帶離距離規(guī)定軌跡30 m 處再開始起飛，系統(tǒng)可靠性驗證結(jié)果如圖6所示。

在圖6 中，A 時刻為無人機起飛的初始地點，C時刻是規(guī)定軌跡的起始位置，A 時刻與C 時刻相距30 m，從圖6 中能夠看出，盡管初始階段無人機與規(guī)定軌跡距離較遠，但運用本文系統(tǒng)的無人機能夠?qū)崟r獲取GPS 信號，同時由于本文系統(tǒng)使用自適應(yīng)魯棒滑模變結(jié)構(gòu)控制算法，所以能夠在B 時刻使得飛行器重新回到規(guī)定軌跡上，并且在后續(xù)的飛行過程中始終保持與規(guī)定軌跡一致的路線，由此可以看出本文系統(tǒng)具有較強的可靠性。

對比3 種系統(tǒng)圖像數(shù)據(jù)采集后預(yù)處理效果，結(jié)果如圖7所示。

圖7 圖像數(shù)據(jù)預(yù)處理效果Fig.7 Image data preprocessing effect

從圖7 中能夠看出，由于本文系統(tǒng)中巡檢數(shù)據(jù)智能化分析管理模塊具有良好的數(shù)據(jù)預(yù)處理功能，使用本文系統(tǒng)能夠獲得較為清晰的電力線路圖像數(shù)據(jù)。兩種對比系統(tǒng)并沒有使用預(yù)處理技術(shù)，所以圖像數(shù)據(jù)中存在較多噪聲干擾。

在不同天氣情況下，對電力線路開展巡檢，巡檢結(jié)果準(zhǔn)確率情況見表1。

表1 不同天氣干擾下巡檢準(zhǔn)確率對比Tab.1 Comparison of patrol inspection accuracy under different weather interference

從表1 中能夠看出，對于電力線路各個構(gòu)件3種系統(tǒng)均能實現(xiàn)準(zhǔn)確巡檢，但是在不同天氣情況下，兩種對比系統(tǒng)的巡檢準(zhǔn)確率逐漸降低，但是本文系統(tǒng)在天氣干擾情況下仍然能夠?qū)Ρ入娏€路各個部件保證較高的巡檢準(zhǔn)確率，說明本文系統(tǒng)的實際應(yīng)用性能較好。

3 結(jié)語

本文設(shè)計了應(yīng)用機器人軌跡跟蹤技術(shù)的電力線路無人機智能化巡檢系統(tǒng)，利用無人機搭載傳感器獲得電力線路圖像數(shù)據(jù)，運用本文所設(shè)計系統(tǒng)中的軌跡跟蹤技術(shù)，控制無人機按照規(guī)劃路線對電力線路實現(xiàn)巡檢。以實際電力線路為研究對象開展實驗研究，經(jīng)過驗證，本文系統(tǒng)無人機飛行軌跡能夠與規(guī)定軌跡高度擬合，具有良好的軌跡跟蹤效果，即使初始階段發(fā)生偏航也能依靠系統(tǒng)強大的控制能力重新回歸到規(guī)定軌跡；且本文系統(tǒng)在數(shù)據(jù)預(yù)處理階段具有強大的數(shù)據(jù)預(yù)處理效果，在采集電力線路圖像數(shù)據(jù)后能夠?qū)崿F(xiàn)圖像預(yù)處理，獲得良好的電力線路巡檢效果。