無公網覆蓋區域配網無人機自動駕駛巡檢技術研究

陳紹南，陳千懿，肖靜，歐陽健娜，李欣桐

（廣西電網有限責任公司電力科學研究院，廣西南寧 530023）

無人機巡檢技術具有巡檢效率高、巡檢成本低等優勢，被廣泛應用于配網巡檢領域。無人機在完成自動駕駛巡檢工作時，對巡檢區域的環境因素十分關注。電路的短路斷路、超高樹木、違章建筑等其他行為都會影響無人機自動駕駛巡檢操作，影響噪聲信號的獲取，甚至對于巡檢行為存在安全威脅[1-2]。無人機自動駕駛巡檢技術作為我國實時研究的熱點，傳感器是巡檢技術研究的核心內容，它能夠聯絡并指揮無人機完成巡檢工作，但對無公網覆蓋區域的局域網信號獲取存在一定影響，是無人機自動駕駛巡檢技術待解決的問題。無公網覆蓋區域因為地理位置和信號的影響，仍然采用人工巡檢方式，在巡檢過程中，由于人員行為的限制，存在巡檢死角，導致巡檢遺漏，嚴重影響配網安全[3-4]。

為此，該文通過構建無公網覆蓋區域配網無人機自動駕駛感知模型代替信號源獲取方式，進行配網無人機自動駕駛巡檢操作，保證區域配網的安全運行。

1 無人機自動駕駛感知模型

該文從整體化、系統化角度出發，通過與無人機無線充電平臺、缺陷識別大數據平臺結合，實現無人機配網巡檢中的智能控制與缺陷快速分析，大大提升用戶對配網輸電線路巡檢效率，以及即時發現、定位、消除缺陷的能力。無人機智能作業流程如圖1所示。

圖1 無人機智能作業流程

根據圖1 可知，作業管控平臺作為核心控制平臺，與缺陷智能分析子系統、監控中心、地面工作站以及自主巡檢子系統相連接。各部分功能如下：

監控中心：能夠實現作業實時監控、機巡成果展示。

作業管控平臺：能夠實現航線規劃、任務管理、任務監控數據管理、缺陷管理以及巡檢報告生成。

缺陷智能分析子系統：能夠進行故障分析、設備缺陷分析以及安全隱患分析。

地面工作站：能夠實現離線作業支撐、生成缺陷就地智能分析報告。

自主巡檢子系統：能夠實現任務下載、一鍵起飛作業以及斷點續飛突發狀況人工干預。

機載儀器：包括高清可見光相機、紅外相機以及氣體分析儀。

無公網覆蓋區域內沒有信號的交流，因此，需要在此區域內構建無人機自動駕駛感知模型代替信號的作用，完成無人機自動駕駛巡檢操作[5-7]。兩個器件的感知原理相同，都是通過光線之間的物理反應，形成特定的形體，完成信息感知。激光雷達可以傳遞出飛行器一定距離內的障礙物信息、配網站點信息和飛行狀態信息，信息感知的過程是器件對脈沖波對應的回波進行放大分析，完成感知。傳感器主要傳遞無人機捕獲的圖像信息，工作原理是通過向需要獲取的物品發射激光，通過光束反射的投影，可以感知并獲取站點的信息[7-8]。

具體無公網覆蓋區域配網無人機自動駕駛感知模型的建立過程如下：

首先將激光雷達和傳感器的感知等級進行同化，以傳感器相對于無人機中心的位置O(x,y)為原點建立一個三維坐標系，部署傳感器的感知屬性，具體模型如下：

其中，向量C表示傳感器感知無人機自動駕駛的主感方向；α表示傳感器相對于水平的角度；β表示傳感器水平旋轉的極值角度；R和r表示傳感器有效的最遠感知距離和最近感知距離[9-10]。

其次，通過加權算法對傳感器感知的圖像模型進一步具體化，將無人機有效覆蓋面積平均分成多個大小相同的格子，根據屬性模型內的云數據量對照點進行布置，根據實際的無人機駕駛環境感知圖像的插值半徑[11-12]。

最后，將無人機自動駕駛感知信息進行加權歸一化處理，構建一個完整的感知模型，模型表示如下：

其中，xa、ya分別表示水平坐標系中的橫向與縱向坐標；Za表示感知對象中斜線的坡度；I表示感知對象中曲線上點的曲率；di表示無人機駕駛的切線轉角；k表示無人機駕駛航線的弧長。

2 無人機自動駕駛巡檢技術

2.1 無人機自動駕駛建模航線控制算法

配網無人機自動駕駛巡檢技術的性能通過巡檢有效覆蓋面積進行驗證，因此無人機自動駕駛的航線規劃尤為重要，為了提高無人機自動駕駛巡檢的工作效率，通過結合載波相位差分高精度定位技術完成無人機自動駕駛建模航線控制算法的分析[13-14]。無人機在自動駕駛過程中，不可預測的風力、其他無人機的干擾、通信信號中斷、天氣原因都可能導致無人機在巡檢中出現偏差。一旦出現較小的偏差，就會導致巡檢的軌跡出現變化，影響巡檢的覆蓋面積。因此，必須在無人機內置自動駕駛建模航線的控制算法，保證無人機巡檢路線的規范性[15-16]。激光雷達掃描示意圖如圖2 所示。

圖2 激光雷達掃描示意圖

為了提高控制算法數據采集的準確度，首先設置無人機與配網線路之間的水平安全距離Ha和垂直安全距離Da，具體計算公式如下所示：

其中，Ha表示自動駕駛時車輛中心與無人機保持的水平距離長度，單位為m；L表示配網桿塔最長的橫擔長度，單位為m；n表示配網線路的安全距離，單位為m；Da表示無人機與水平地面之間的垂直安全距離，單位為m；H表示配網結構的高度，單位為m；θ表示自動駕駛無人機與配電網之間的射程角度，單位為rad。巡檢路徑如圖3 所示。

圖3 巡檢路徑

根據巡檢路徑，同時附屬一個控制指令，一旦無人機在行駛過程中出現偏差，立即作出調整，保證無人機自動駕駛巡檢的安全，控制算法的計算公式如下所示：

其中，i表示無人機的循環巡檢飛行次數；其他未知數的意義同上。

2.2 無人機自動駕駛精細化巡檢航線控制算法

定義無人機自動駕駛巡檢的各個信息點關聯計算公式如下所示：

其中，l1、l2分別表示在磁場干擾下，保持無人機操控系統正常工作條件下至線路兩側邊導線的最小安全距離，單位為m；l3、l4分別表示在電場干擾下，保持無人機操控系統正常工作條件下至線路兩側邊導線的最小安全距離，單位為m；x1表示允許風速條件下瞬時導致無人機偏離航點的最大距離，單位為m；x2表示規劃航點與無人機GPS 定位儀數據實際位置的距離誤差，單位為m；v表示無人機巡檢的飛行速度，單位為m/s；t表示無線通信系統最長延時，單位為s；a1表示多旋翼無人機軸距與半螺旋槳長度之和，單位為m。

通過以上公式即可計算出需要巡檢配網的精細化巡檢路徑，上傳到無人機自動駕駛指揮中心，完成巡檢路線的規劃。

3 實驗研究

為了檢驗以上技術的效果是否滿足配網無人機自動駕駛巡檢領域的工作規范，進行了對比實驗。

測試采用基于GPS 技術的無公網覆蓋區域配網無人機自動駕駛巡檢技術（對應無人機2 號）和基于系統指揮的無公網覆蓋區域配網無人機自動駕駛巡檢技術（對應無人機3 號），共同輔助完成對比實驗的測試，保證實驗結果的科學性和可行性。根據該文巡檢技術設計的理念，對比實驗測試仿真環境是長春市寬城區無公網覆蓋的某一區域，規定無人機自動駕駛巡檢的高度為30 m，巡檢面積為100 000 m2，建立無人機自動駕駛的飛行約束根據實際的地理位置確定，在實驗進行前，工作人員準備好測試需要用到的計算機、數據測試儀器、應急儀器等，避免影響實驗的進度。

實驗測試時首先將3 種配網無人機自動駕駛巡檢技術分別錄入統一型號的計算機內，并將3 臺計算機連接3 個同一型號的無人機，無人機放在實驗場地的起始位置，同一時間觸發3 種技術，開始實驗測試，在此過程中計算機全程實時記錄每個無人機的巡檢狀態以及飛行數據，一旦測試出現任何意外，立刻切斷電源，停止測試，保證人員在測試期間的安全。當3 種巡檢技術全部向計算機發送相關巡檢數據后，結束測試，整理場地和實驗器材，工作人員整理計算機記錄的數據，得出相關實驗測試結論，進行實驗數據的分析。巡檢面積實驗結果如表1 所示。

表1 巡檢面積實驗結果

按照以上設定的對比實驗測試流程，將測試得到的數據進行分析，整理得到的測試結論如下：

1）該文設計的配網無人機自動駕駛巡檢技術有效的巡檢覆蓋面積為100 000 m2，采用基于GPS 技術的無公網覆蓋區域配網無人機自動駕駛巡檢技術有效的巡檢面積為98 000 m2，采用基于系統指揮的無公網覆蓋區域配網無人機自動駕駛巡檢技術的有效巡檢面積為97 387 m2；

2）綜合分析3 臺無人機的整個飛行數據，可以知道無人機1 號的飛行收斂高度平均值為29.98 m，無人機2 號的飛行收斂高度平均值為29 m，無人機3號的飛行收斂高度平均值為26 m；

3）無人機2 號最先完成整個無公網覆蓋區域的配網巡檢，無人機3 號則是完成巡檢任務最長的機器；

4）無人機1 號在完成巡檢任務后，向計算機系統提交了4 個無公網覆蓋區域配網的安全隱患，無人機2 號提交了4 個安全隱患，無人機3 號提交了2個安全隱患，實驗后經過排查，該測試區域內配網存在4 個安全隱患。

通過對比實驗測試的結論1）、2）、4），可以得出基于系統指揮的無公網覆蓋區域配網無人機自動駕駛巡檢技術不是最佳的巡檢技術。衡量配網無人機自動駕駛巡檢技術所附屬無人機的巡檢有效面積、巡檢收斂高度以及巡檢數據的準確度可以得出實驗測試結論，該文設計的無公網覆蓋區域配網無人機自動駕駛巡檢技術是最佳的巡檢技術，巡檢的效率高、覆蓋面積廣、具有較高的收斂穩定性。

4 結束語

該文借助巡檢路徑控制算法和無人機自動駕駛巡檢的感知模型完成無公網覆蓋區域配網無人機自動駕駛巡檢，將無公網覆蓋區域配網巡檢操作由人工化更新為智能化，提高區域配網的巡檢效果，以便持續維護區域配網的運行安全。在此基礎上，可以進一步分析無人機的飛行角度和飛行環境之間的內在關系，使無人機在任何環境下的自動駕駛巡檢達到更好的效果，提高配網無人機巡檢的穩定性和覆蓋范圍。