一種無人直升機避障系統(tǒng)設(shè)計

程燕勝, 楊鶴猛, 楊雪, 喬曉明

(天津航天中為數(shù)據(jù)系統(tǒng)科技有限公司, 天津 300301)

0 引言

隨著我國架空輸電線路里程不斷增加,巡檢需求和人力缺員的矛盾日益突出,依靠人力進行線路精細化巡檢運維,在工作效率和經(jīng)濟效益上已無法滿足需要。隨著無人機技術(shù)和人工智能識別技術(shù)的發(fā)展,無人機自動巡視已得到廣泛應(yīng)用,全自動無人機巡視已成為輸電線路無人機巡檢的發(fā)展重點[1],通過無人機搭載各類巡檢任務(wù)載荷對線路進行巡檢,并自動完成巡檢數(shù)據(jù)處理,大大提高了巡檢效率和質(zhì)量。小型多旋翼無人機航時和載荷能力有限,無法滿足遠距離線路巡檢等場景要求,無人直升機由于載重量大、航時長的特點,適用于輸電線路遠距離精細化巡視作業(yè),也得到了應(yīng)用。

無人直升機進行線路精細化巡視時,需識別出部件的隱患缺陷,無人直升機與線路之間的距離較近,線路本體設(shè)施和周邊樹木等都可能成為障礙物,嚴重影響作業(yè)安全,對避障功能提出了迫切要求。當(dāng)前研究針對多旋翼無人機避障[2-3],技術(shù)相對成熟,市場上部分多旋翼無人機已具備自動避障能力,但在無人直升機上尚未普及,一定程度上制約了無人直升機巡檢的應(yīng)用。

本文對障礙檢測傳感器進行綜合對比分析,利用多傳感器協(xié)同檢測的方式,設(shè)計一種適用于架空輸電線路直升機巡檢的避障系統(tǒng),可有效提高機巡作業(yè)時的障礙避讓能力。

1 總體設(shè)計

無人直升機避障系統(tǒng)主要由障礙檢測傳感器(毫米波雷達及雙目攝像機)、避障控制器、數(shù)傳電臺和監(jiān)控地面站組成,如圖1所示。

圖1 無人直升機避障系統(tǒng)組成

避障系統(tǒng)各組成部分如下。

(1) 障礙檢測傳感器

包括毫米波雷達和雙目攝像機,對不同方向障礙物進行實時感知,并將檢測信息發(fā)送至避障控制器。

(2) 避障控制器

根據(jù)檢測到的障礙物分布信息,結(jié)合無人直升機飛行狀態(tài),計算出避障航跡,并發(fā)送至飛行控制器。

(3) 數(shù)傳電臺

完成避障控制器和監(jiān)控地面站之間的信息交互。

(4) 監(jiān)控地面站

避障系統(tǒng)參數(shù)配置和飛行規(guī)劃航跡上傳,實時監(jiān)視系統(tǒng)工作狀態(tài)。

2 傳感器選型

實現(xiàn)自主動態(tài)避障的首要任務(wù)是檢測到障礙物,然后由控制系統(tǒng)做出實時避障操作[4]。可選的傳感器類型也較多[5-7]。對應(yīng)用廣泛的典型傳感器進行對比分析,如表1所示。

表1 典型障礙檢測傳感器對比分析

利用雷達和視覺傳感器進行目標檢測在車輛自動駕駛領(lǐng)域已得到應(yīng)用[8]。采用毫米波雷達與雙目攝像機相結(jié)合的方式進行障礙物檢測,既可對導(dǎo)線等金屬物進行有效檢測,同時可發(fā)揮雙目視覺檢測信息豐富的特點。

3 障礙物判斷

通過構(gòu)建虛擬的避障空間,可為航線規(guī)劃提供依據(jù)[9-10]。設(shè)計圓柱狀的飛行通道,以飛行器中心為原點,沿航向進行拉伸形成飛行通道,通道半徑視具體機型可以配置,長度取毫米波雷達最大檢測距離。根據(jù)檢測到的物體位置信息,結(jié)合與下一航點的位置關(guān)系,判斷物體是否位于飛行通道內(nèi)。可分為兩種情況。

(1) 檢測物體在下一航點前

如圖2所示,R為飛行通道半徑,AE為航線方向,下一航點G位于飛行通道外,A為無人直升機,B為檢測物體,L為目標距離,α、β分別為檢測物體方位角、俯仰角。

圖2 檢測物體在下一航點前障礙物判斷

根據(jù)三角形勾股定理,利用L、α、β可計算出CD。若CD≤R,則檢測到的物體位于避障空間內(nèi),視為障礙物。

(2) 檢測物體在下一航點后

如圖3所示,障礙檢測傳感器檢測到的物體位于下一航點后。假設(shè)剛經(jīng)過第N個航點,則G1為N+1航點,G2為N+2航點,BD垂直于G1G2。

圖3 檢測物體在下一航點后障礙物判斷

根據(jù)檢測物體方位及相對距離可計算出B點的位置,根據(jù)B、G1、G23點位置即可計算出BD長度。在不考慮無人機轉(zhuǎn)彎半徑的情況下,若BD≤R,則認為檢測到的物體為障礙物。

4 系統(tǒng)應(yīng)用模式

在無人直升機飛行控制器支持實時更改航線的情況下,避障系統(tǒng)檢測到障礙物時,自動規(guī)劃避障航線,將避障航線實時注入飛行控制器中,實現(xiàn)無人機自主避障。

避障系統(tǒng)的工作流程如圖4所示。

圖4 避障系統(tǒng)工作流程

圖5 監(jiān)控地面站顯示障礙物分布

避障主要分為以下幾個階段。

(1) 系統(tǒng)參數(shù)配置

避障系統(tǒng)上電后,通過監(jiān)控地面站采用手動或讀取配置文件的方式進行參數(shù)配置,配置的參數(shù)主要包括飛行器類型、避障空間長度、任務(wù)航線等。

(2) 開啟障礙檢測

當(dāng)飛行距地高度超過安全半徑時,避障系統(tǒng)處于工作狀態(tài),避免起降階段將地面視為障礙物的誤警情況。

(3) 障礙物判斷

對檢測到的物體進行安全距離判斷,確定影響飛行安全的障礙物。

(4) 避障航線規(guī)劃

根據(jù)檢測到的障礙物分布情況,考慮制約因素,自動運行避障航線智能規(guī)劃算法,生成與障礙物保持安全距離且盡可能平滑的避障航線[11]。

(5) 避障航線注入

將規(guī)劃避障航線注入無人直升機飛行控制器。

(6) 關(guān)閉避障系統(tǒng)

巡檢作業(yè)完成,離地相對高度小于安全半徑,系統(tǒng)自動關(guān)閉。

5 系統(tǒng)測試

將避障系統(tǒng)安裝在無人機上進行測試,毫米波雷達可實現(xiàn)遠距離障礙物的檢測,輸出障礙物的距離、方位等信息,雙目視覺傳感器可有效探測寬視場范圍目標。通過測試,設(shè)計的避障系統(tǒng)可有效實現(xiàn)障礙物檢測及避讓。

6 總結(jié)

本文設(shè)計了一種適用于輸電線路無人直升機巡檢的避障系統(tǒng)。針對輸電線路巡檢作業(yè)典型障礙物探測需求,在對不同的障礙檢測傳感器進行優(yōu)缺點對比的基礎(chǔ)上,完成傳感器選型及避障流程設(shè)計,采用多傳感器組合檢測的方式,充分發(fā)揮毫米波雷達探測距離遠及雙目攝像機檢測信息豐富的特點,通過調(diào)整毫米波雷達帶寬及雙目攝像機焦距實現(xiàn)不同距離及分辨率的目標檢測,對不同安全距離要求的無人直升機具有良好的適配性,可為提高無人機直升機架空輸電線路巡檢安全性提供參考。