電力巡線無人直升機障礙規(guī)避系統(tǒng)

鄭天茹 ，王濱海 ，3，劉 俍 ，王 騫 ，張晶晶

（1.山東電力研究院，山東 濟南 250002；2.國家電網(wǎng)公司電力機器人技術實驗室，山東 濟南 250002；3.山東魯能智能技術有限公司， 山東 濟南 250002）

0 引言

近年來，我國國民經(jīng)濟的持續(xù)快速發(fā)展對電力工業(yè)提出越來越高的要求。我國目前已形成華北、東北、華東、華中、西北和南方電網(wǎng)共6個跨省區(qū)電網(wǎng)，截至2010年110（66）kV及以上輸電線路已超過70萬km。500 kV線路已成為各大電力系統(tǒng)的骨架和跨省、跨地區(qū)的聯(lián)絡線，電網(wǎng)發(fā)展滯后的矛盾得到緩解。由于我國國土遼闊，地形復雜，平原少、丘陵及山區(qū)較多，氣象條件復雜，瓷絕緣子質(zhì)量不夠穩(wěn)定等，為了安全和可靠地供電，巡線維護自動化和現(xiàn)代化已日益顯示出其迫切性［1-3］。

采用無人機空中作業(yè)進行電力巡線，能夠克服利用有人駕駛的直升機進行巡線的維護費用昂貴、安全問題突出等弊端［4］，但無人機巡線過程中，難免會遇到交跨線、樹木、建筑物等障礙物，無人機巡線系統(tǒng)雖然具有3D程控飛行的技術，但是仍然欠缺應對預期外障礙物的緊急避讓機制；無人機是通過GPS方式進行導航的，由于GPS存在誤差，所以無人機在執(zhí)行任務的過程中可能會出現(xiàn)偏離預定航向的情況，造成無人機與輸電線路或其他障礙物的發(fā)生碰撞［5］；在經(jīng)過交跨線時，如果無人機的飛行高度不夠，同樣存在與線路發(fā)生碰撞的危險。因此，為了保障無人機巡線系統(tǒng)及輸電線路的安全，提升巡線作業(yè)的可靠性，有必要開發(fā)一套無人機避障系統(tǒng)，實現(xiàn)無人機巡線系統(tǒng)的自主避障功能。

1 測距方式的分類和選擇

超聲波測距、紅外測距、激光測距、微波雷達測距和毫米波雷達測距是目前比較常用的測距方式，通過對其測距原理的了解，紅外測距的范圍有限，而激光測距抗干擾能力較弱，超聲波方式雖然實現(xiàn)簡單、抗干擾能力較強，但是具有一次測量距離較短的缺陷，均不適用于無人機避障系統(tǒng)［6-8］。微波雷達和毫米波雷達方式除具備超聲波方式抗干擾能力強、指向性強等特點外，還可以進行遠距離的精確測距，其測量距離可達數(shù)百米，測量精度可達到厘米級，但毫米波雷達相對于微波雷達容易小型化，因此毫米波雷達更加適用于開發(fā)無人機自主避障系統(tǒng)。此外，根據(jù)電力巡線無人機巡查目標——輸電線路的特殊性，設計了根據(jù)電磁場強度的探測來判斷與輸電線路距離這一具有針對性、獨特性、創(chuàng)造性的測距方法。此方法的特性是：距離輸電線路越近，測距精度越高，可達厘米甚至毫米級別，尤其適用于電力巡線無人機在對輸電線路巡查時對輸電線路的規(guī)避。

毫米波（Millimeter Wave）的工作頻率介于微波和光之間，波長為1～10 mm，因此兼有兩者的優(yōu)點。它具有極寬的帶寬：26.5～300 GHz，帶寬高達273.5 GHz，超過從直流到微波全部帶寬的10倍；波束窄，因此可以分辨相距更近的小目標或者更為清晰地觀察目標的細節(jié)；傳播受氣候的影響要小得多，可以認為具有全天候特性；易小型化。因此利用毫米波雷達測距可滿足無人機自主避障系統(tǒng)的要求。高精度電磁場檢測傳感器/系統(tǒng)可根據(jù)各種磁傳感器的工作范圍和使用條件不同，選擇幾種進行組合使用，以達到輸電線路周圍磁場檢測精度和穩(wěn)定性的要求，以及無人機對于所搭載設備的重量、抗震、抗干擾等多方面的要求。

2 電力巡線無人直升機超低空飛行障礙規(guī)避系統(tǒng)設計

無人機避障系統(tǒng)由機載的信號采集模塊和機載飛控的緊急避障模塊組成。機載的高精度電磁場檢測傳感器、高性能測距傳感器與飛控緊急避讓模塊可實現(xiàn)主動避讓方式；視覺傳感器與后臺的分析識別模塊可實現(xiàn)輔助判斷避讓方式。測距傳感器和電磁場檢測傳感器均與信號預處理模塊連接，視覺傳感器與視覺信號處理模塊連接，信號預處理模塊和視覺信號處理模塊通過通訊端口與緊急避障模塊連接，緊急避障模塊與無人機動力裝置連接。系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 避障系統(tǒng)框架圖

2.1 毫米波雷達測距

2.1.1 測距傳感器

測距傳感器信號先經(jīng)過預處理模塊，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并將周圍的環(huán)境信息封裝為通訊報文或其他形式，經(jīng)通訊端口，將數(shù)據(jù)提供給飛控的緊急避障模塊。飛控的緊急避障模塊負責對環(huán)境信息進行分析計算，并判斷是否要進行避障行為，同時計算出合理的避讓路線，隨后將控制信號發(fā)送給無人機的動力系統(tǒng)，實現(xiàn)避讓動作。以德國Innosent公司的IVS-148微波雷達測距傳感器（圖2）為例，介紹其基本參數(shù)，如表1所示。

圖2 IVS-148微波雷達測距傳感器

2.1.2 毫米波雷達測距

毫米波雷達測距的原理是：雷達系統(tǒng)通過天線向外發(fā)射一列連續(xù)調(diào)頻毫米波，并接收目標的反射信號。發(fā)射波的頻率隨時間按調(diào)制電壓的規(guī)律變化。一般調(diào)制信號為三角波信號。反射波與發(fā)射波的形狀相同，只是在時間上有一個延遲，發(fā)射信號與反射信號在某一時刻的頻率差即為混頻輸出的中頻信號頻率，且目標距離與前端輸出的中頻頻率成正比。如果反射信號來自一個相對運動的目標，則反射信號中包括一個由目標的相對運動所引起的多譜勒頻移。根據(jù)多譜勒原理就可以計算出目標距離和目標相對運動速度。

表1 IVS-148微波雷達測距傳感器基本參數(shù)

2.1.3 信號處理

由于無人機檢測輸電線路時飛行高度較低，在應用毫米波雷達進行對導線、地線等尺寸較小物體的距離檢測時，大地存在形成的反射波造成的干擾是巨大的，因此需要對信號進行噪聲抑制處理。將測距傳感器檢測、輸出的模擬信號通過A/D轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，并應用信號處理技術，抑制強大的干擾信號，同時將有用的檢測信號放大，以排除干擾信號，提高毫米波雷達檢測結(jié)果精確度。

2.2 電磁場測距

2.2.1 電磁場檢測傳感器

輸電導線周圍的電磁場根據(jù)麥克斯韋電磁場理論，會在周圍產(chǎn)生一定強度的電磁場。我國的輸電頻率為50 Hz，產(chǎn)生的電磁波屬于極低頻（工頻）電磁波，波長超過6 000 km。輸電導線周圍的電場和磁場按照一定規(guī)律分布。通過機載電磁場檢測傳感器的探頭檢測無人機所處電磁場的強度和方向可以反過來獲得無人機距離輸電導線的距離，能夠判斷無人機是否存在安全隱患，這正是進行電磁測距的目的。由于無人機在進行輸電線路巡檢時與線路需要保持一定的安全距離，在此距離上電磁場強度已大大減弱，且無人機尺寸遠遠小于工頻電磁波的波長，電磁場輻射能量很小，能夠檢測到電磁波的能量非常小，因此在使用電磁測距時，需要使用高精度傳感器。

以霍爾傳感器（圖3）為例，介紹其基本參數(shù)。

圖3 霍爾傳感器

霍爾器件具有許多優(yōu)點，他結(jié)構牢固、體積小、重量輕、壽命長、安裝方便、功耗小、頻率高、耐震動，不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕，基本參數(shù)如表2所示。

表2 霍爾傳感器基本參數(shù)

2.2.2 電磁場測距

將不同電壓等級的輸電導線周圍電磁場的變化做仿真計算，其計算分析可精確到與輸電導線距離變化厘米級時對應電磁場的變化情況，由此可獲取導線周圍一定距離范圍內(nèi)的電磁場數(shù)值分布。進而，將電磁場測量設備檢測到的電磁場強度與仿真結(jié)果對比，可推測得到無人機與輸電線路間的距離，將此信號傳遞給飛控系統(tǒng)。當檢測到與輸電導線距離小于某定值時，飛控系統(tǒng)可強制無人機飛行平臺改變飛行方向，以避免無人機與輸電導線的碰撞，避免事故發(fā)生。

2.3 視覺測距

2.3.1 視覺傳感器

視覺傳感器是由安裝在無人機機身上的多個攝像頭構成的，各個攝像頭可分別成像，并將視頻信號發(fā)送給視覺處理模塊。

2.3.2 視覺處理模塊

視覺處理模塊的原理就是利用多個攝像頭從各視點獲取目標點在不同視角下形成的圖像坐標信號，利用成像幾何模型計算同名像點圖像坐標偏差，來獲取目標點的三維坐標，再利用信息融合技術，可計算出圖像中的物體距機體的距離，從而實現(xiàn)距離測量，為無人機避障系統(tǒng)提供判斷依據(jù)。

3 系統(tǒng)效果

能夠測量一定的距離范圍且具有較高的測距精度，在30～100 m的范圍內(nèi)能感知厘米級別的障礙物或設備，電磁場測量儀器能夠測量0～10-2T范圍內(nèi)的磁場強度。

具有較小的體積和重量。由于無人機的載荷有限，必須選擇重量輕、體積小的產(chǎn)品。

具有較低的功耗。

具有較高的可靠性。由于是在特殊的條件下工作，又是整個無人機避障系統(tǒng)的重要組成部分，因此需要具備高可靠性的特點，抗振性強。

具有較高實時性。通過對環(huán)境數(shù)據(jù)的分析，極短時間內(nèi)可決定是否發(fā)動避障動作，并能夠進行路徑規(guī)劃。

4 后續(xù)研究工作

避障系統(tǒng)作為無人機巡檢系統(tǒng)的重要保障機制，必須經(jīng)過科學、全面且長期的測試工作，檢驗其性能和可靠性。

1）抗振測試。利用設備獲取無人機機體的振動頻譜，并用專業(yè)的振動臺進行模擬，將信號采集模塊安裝在振動臺上，檢驗其工作是否正常，并進行長時間的抗振測試，檢查信號采集模塊是否能夠保持正常狀態(tài)。

2）靜態(tài)模擬測試。利用實驗室、輸電線路培訓場地等條件，靜態(tài)模擬巡檢過程中遇到的障礙物等情況，檢驗信號采集模塊是否能夠感知到導線、樹木等，并檢驗其測量距離和測量精度。

3）動態(tài)模擬測試。將信號采集模塊安裝在汽車等動態(tài)移動的物體上，對指定的導線、樹木等障礙物進行測距，檢驗其是否能在動態(tài)條件下感知障礙物。飛控緊急避障模塊是否能夠正常分析環(huán)境數(shù)據(jù)并做出避障響應。

4）長時間聯(lián)調(diào)測試。將無人機避障子系統(tǒng)安裝在無人機巡檢系統(tǒng)上進行長時間聯(lián)調(diào)測試，檢驗其功率消耗、抗振性、測量距離、測量精度和電磁兼容性等性能是否能夠長時間符合無人機工作要求。