無(wú)人機(jī)自動(dòng)避障技術(shù)在輸電線路巡檢中的應(yīng)用

方遠(yuǎn)征，劉洪偉，劉 霄，胡春生，王 偉

（國(guó)網(wǎng)山東省電力公司檢修公司，山東 濟(jì)南 250118）

0 引言

超、特高壓線路已成為全國(guó)電力網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的大動(dòng)脈，為確保電網(wǎng)系統(tǒng)主干網(wǎng)絡(luò)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，需對(duì)輸電線路本體及線路通道內(nèi)出現(xiàn)的各類情況進(jìn)行掌握，盡早發(fā)現(xiàn)隱患，并及時(shí)進(jìn)行處理。在輸電線路巡檢中，無(wú)人機(jī)能夠近距離檢查輸電線路本體，其攜帶的各類傳感器能夠拍攝、存儲(chǔ)大量影像資料，給輸電線路運(yùn)維人員進(jìn)行比對(duì)、分析，能夠快速判定輸電線路存在的缺陷，相較于人工巡檢，具有檢查線路缺陷效率高、安全系數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)［1］。無(wú)人機(jī)在巡檢過(guò)程中，需保證與帶電線路保持安全距離，利用無(wú)人機(jī)自動(dòng)避障技術(shù)，有效避免了碰撞事故的發(fā)生，提高無(wú)人機(jī)巡檢的安全水平。

1 無(wú)人機(jī)自主避障系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

自主研發(fā)的多旋翼無(wú)人機(jī)避障系統(tǒng)依據(jù)其測(cè)距方法主要可分為3類：一是超聲波測(cè)距法；二是飛行時(shí)間測(cè)距法；三是由多種測(cè)距和圖像處理方法相結(jié)合的復(fù)合型測(cè)距法［2］。以上3種方法只應(yīng)用在某種特定的無(wú)人機(jī)飛控系統(tǒng)自主避障功能的開發(fā)設(shè)計(jì)中，當(dāng)開發(fā)者對(duì)無(wú)人機(jī)構(gòu)造不了解時(shí)，以上測(cè)距方法不能與無(wú)人機(jī)飛控系統(tǒng)相適配。多旋翼無(wú)人機(jī)運(yùn)行機(jī)理為遙控器接收機(jī)接收飛行控制信號(hào)并將其傳遞給控制模塊，進(jìn)而傳送給無(wú)人機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)其飛行。根據(jù)無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)原理在遙控器接收機(jī)與飛控模塊之間增設(shè)自主避障模塊，其中自主避障模塊由超聲波傳感器和Arduino UNO平臺(tái)兩部分組成，如圖1所示。超聲波傳感器通過(guò)發(fā)射超聲波信號(hào)并收集由障礙物反射回的信息，實(shí)時(shí)檢測(cè)出無(wú)人機(jī)與其飛行環(huán)境周圍存在的障礙物之間的距離，并傳遞給Arduino UNO平臺(tái)。Arduino UNO平臺(tái)通過(guò)比對(duì)遙控器接收機(jī)接收的無(wú)人機(jī)飛行控制信號(hào)和采集到的超聲波傳感器檢測(cè)的無(wú)人機(jī)與障礙物之間的距離信息，進(jìn)行邏輯判斷，進(jìn)而重構(gòu)出飛行控制信號(hào)，并將重構(gòu)出的飛行信息傳遞給無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，當(dāng)無(wú)人機(jī)飛行中遇到障礙物時(shí)飛機(jī)能夠以準(zhǔn)確姿態(tài)避開，從而在不改變無(wú)人機(jī)飛控系統(tǒng)軟硬件的情況下實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)避障。

圖1 多適配性無(wú)人機(jī)避障系統(tǒng)方案

2 無(wú)人機(jī)自主避障模塊硬件平臺(tái)搭建及軟件設(shè)計(jì)方案

2.1 硬件平臺(tái)搭建

2.1.1 電源模塊

Arduino UNO控制板作為超聲波傳感器及遙控器接收機(jī)的信息存儲(chǔ)單元，為減少了外界信息的干擾，采用外部獨(dú)立電源供電，圖2為系統(tǒng)供電模塊原理圖，Vin為電源輸入端口，允許輸入電壓范圍為5～10 V，A4端連接二極管，其單向?qū)ǖ奶匦杂行П苊饬讼到y(tǒng)元器件因電源極性接反而被燒毀的問(wèn)題。

圖2 外部供電模塊

2.1.2 Arduino UNO與飛控接口設(shè)計(jì)

Arduino UNO芯片作為Arduino市場(chǎng)的主流產(chǎn)品，端口豐富，功能強(qiáng)大，用戶根據(jù)不同的需求可靈活選擇各類開發(fā)平臺(tái)，選取該型號(hào)芯片作為自主避障模塊核心控制元件［3］。Arduino是當(dāng)前市場(chǎng)上比較受歡迎的嵌入式開發(fā)平臺(tái)，該處理器無(wú)論硬件還是軟件都是開源的，用戶可以查看其源代碼、設(shè)計(jì)圖表等信息，設(shè)計(jì)方式極其靈活。主要包含兩大部分：Arduino電路板和Arduino IDE模塊，前者是起連接系統(tǒng)作用的硬件部分；后者根據(jù)傳感器來(lái)感知、反饋周圍環(huán)境的變化，開發(fā)板上的微控模塊可以應(yīng)用其自身的開發(fā)語(yǔ)言進(jìn)行編程，并將翻譯后的機(jī)器代碼，錄入控制芯片內(nèi)。

Arduino UNO控制板與飛控系統(tǒng)之間采用14路數(shù)字信號(hào)傳遞數(shù)據(jù)與控制信號(hào)，端口工作電壓為5 V，端口輸出接入最大電流為40 mA，外部配置20～50 kΩ上拉電阻。Arduino UNO各芯片引腳的功能為：控制接收信號(hào)串口RX（1號(hào)），控制發(fā)送信號(hào)串口TX（2號(hào)），連接信息交換芯片，控制與外部芯片進(jìn)行信息交換；脈寬調(diào)制 PWM（2、3、4、5、6、7）引腳，輸出8位控制數(shù)據(jù)信號(hào)；外部觸發(fā)中斷（8號(hào)和9號(hào)）引腳，為跳沿觸發(fā)方式；SPI（10（SS），11（MOSI），12（MISO），13 （SCK）） 可以 SPI通信接口；LED 燈（13號(hào)）測(cè)試接口，用于測(cè)試Arduino的LED接口，當(dāng)該端口輸出低電位時(shí)LED為熄滅狀態(tài)，反之該燈被點(diǎn)亮。

2.1.3 超聲波傳感器選型

綜合分析超聲波傳感器測(cè)距范圍、測(cè)量精度及其質(zhì)量、體積與無(wú)人機(jī)負(fù)荷能力相適配等問(wèn)題，選取尺寸、重量適中，測(cè)量范圍較大、精度較高型號(hào)為 US100-Y401的超聲波測(cè)距傳感器，如圖3所示。

圖3 US100-Y401的超聲波測(cè)距傳感器

US100-Y401型超聲波測(cè)距系統(tǒng)通過(guò)軟硬件結(jié)合可實(shí)現(xiàn)串口的全雙工通信，通過(guò)設(shè)定不同訪問(wèn)地址，單個(gè)通信口可實(shí)現(xiàn)對(duì)16個(gè)不同地址的設(shè)備的訪問(wèn)，且在測(cè)距中選擇其低功耗模式，能夠大量節(jié)省傳感器熱損耗，在實(shí)際應(yīng)用中選擇采集信息的指令校準(zhǔn)功能，能進(jìn)一步提高測(cè)量精度。其聲波輸出功率較強(qiáng)，能在復(fù)雜的外界干擾條件下（電磁波和聲波），通過(guò)實(shí)時(shí)校準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)距離信號(hào)的精準(zhǔn)測(cè)量。該型號(hào)傳感器工作電壓為3.3～5 V，探測(cè)功能強(qiáng)大測(cè)距范圍可達(dá)700 cm，環(huán)境溫度在-40～65℃范圍內(nèi)正常工作，其高頻率聲波探測(cè)能力，避免了被探測(cè)物形狀、顏色等干擾因素的影響，從而獲取準(zhǔn)確的距離信息，達(dá)到精準(zhǔn)快速避障的目的。

在探測(cè)無(wú)人機(jī)飛行環(huán)境周圍的障礙物時(shí)，為消除US100-Y401超聲波傳感器的檢測(cè)盲區(qū)，飛控系統(tǒng)對(duì)測(cè)距結(jié)果將進(jìn)行分組處理。

2.2 軟件設(shè)計(jì)方案

2.2.1 軟件流程

基于以上硬件控制平臺(tái)，無(wú)人機(jī)自主避障模塊軟件設(shè)計(jì)流程如圖4所示。Arduino UNO平臺(tái)首先接收用戶通過(guò)遙控器輸入的無(wú)人機(jī)的原始飛行控制信息，然后讀取超聲波傳感器檢測(cè)到的無(wú)人機(jī)與障礙物間的距離信號(hào)，并進(jìn)行邏輯判斷。若通過(guò)系統(tǒng)判定得知無(wú)人機(jī)與被測(cè)量障礙物之間的距離大于系統(tǒng)設(shè)定的安全距離，則無(wú)人機(jī)按照遙控器接收機(jī)的原始輸入信息執(zhí)行飛行任務(wù)；若通過(guò)系統(tǒng)判定知無(wú)人機(jī)與被測(cè)量障礙物之間的距離在系統(tǒng)設(shè)定的安全距離范圍之內(nèi)，則無(wú)人機(jī)認(rèn)定障礙物對(duì)其安全飛行構(gòu)成威脅，飛控系統(tǒng)賦予飛行器執(zhí)行機(jī)構(gòu)值為K*（安全距離和測(cè)量距離之差）的控制信號(hào)，使無(wú)人機(jī)遠(yuǎn)離障礙物到安全距離以外，其中K值為正系數(shù)避征值，其值越大，無(wú)人機(jī)避障反應(yīng)越明顯。

圖4 軟件流程

2.2.2 算法實(shí)現(xiàn)

基于以上設(shè)計(jì)思想，在設(shè)計(jì)完成的Arduino UNO硬件控制平臺(tái)上，完成自主避障飛控系統(tǒng)的軟件程序調(diào)試工作。設(shè)計(jì)中無(wú)人機(jī)的加速與方向舵通道為獨(dú)立控制單元，系統(tǒng)綜合信息判定的結(jié)果只控制升降舵與副翼的運(yùn)行，萬(wàn)一發(fā)生無(wú)法預(yù)料的情況時(shí)，可直接控制加速與方向舵調(diào)整飛機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，避免意外狀況發(fā)生，保證飛機(jī)運(yùn)行安全。自主避障飛控系統(tǒng)軟件程序內(nèi)定義無(wú)人機(jī)與障礙物間的距離變量為distance，對(duì)于檢測(cè)結(jié)果系統(tǒng)首先進(jìn)行濾波處理，若測(cè)量距離大于等于40 cm，distance賦值為40 cm。無(wú)人機(jī)的安全距離設(shè)置為40 cm，其目的是在無(wú)人機(jī)與障礙物之間設(shè)定了一個(gè)0～40 cm敏感區(qū)域，若無(wú)人機(jī)進(jìn)入該范圍，系統(tǒng)認(rèn)定無(wú)人機(jī)為非安全飛行狀態(tài)。自主避障模塊運(yùn)行時(shí)，由系統(tǒng)設(shè)定的安全距離減去變量distance并將差值賦予變量error，若error值為0，無(wú)人機(jī)機(jī)按照遙控器原始輸入信號(hào)飛行；若測(cè)量知無(wú)人機(jī)與障礙物之間的距離為30 cm，則error值為10 cm，通過(guò)調(diào)整比例系數(shù)飛控系統(tǒng)獲取控制信息驅(qū)動(dòng)無(wú)人機(jī)調(diào)速機(jī)構(gòu)飛離障礙物，至安全距離大于40 cm，從而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確避開障礙物的目的，無(wú)人機(jī)避障反應(yīng)與變量error值成正比例關(guān)系。

2.3 系統(tǒng)驗(yàn)證

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的有效性，需進(jìn)行飛行測(cè)試，選擇六軸六漿的多旋翼無(wú)人機(jī)平臺(tái)Wookong-M飛控系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，操作人員操作無(wú)人機(jī)勻速接近障礙物時(shí)，無(wú)人機(jī)避障反應(yīng)明顯，當(dāng)無(wú)人在雷達(dá)區(qū)域外時(shí)，可穩(wěn)定懸停在空中。無(wú)人機(jī)操作人員對(duì)其飛行環(huán)境周邊的障礙物做出提前預(yù)判，及時(shí)調(diào)整飛機(jī)運(yùn)行姿態(tài)，為保障無(wú)人機(jī)與輸電線路的安全提供保障。該型號(hào)超聲波傳感器檢測(cè)障礙物的范圍達(dá)700 cm，辨識(shí)精確度達(dá)到0.1 cm［4］。此外，該型號(hào)傳感器對(duì)采樣數(shù)據(jù)可以進(jìn)行濾波處理，其指令集中有校準(zhǔn)功能指令，能進(jìn)一步提高測(cè)量精確度，通過(guò)實(shí)際驗(yàn)證測(cè)量模塊得出如下特點(diǎn)：1）測(cè)量角度30°錐形；2）與地面平行飛行不受電磁干擾；3）超聲波傳感器波束方向與被測(cè)物因測(cè)量夾角存在的誤差，不影響其自主避障功能的實(shí)現(xiàn)；4）測(cè)量最小能見(jiàn)度1.5 cm2左右；5）物體最大測(cè)量面積700 cm2左右。考慮無(wú)人機(jī)巡視輸電線路時(shí)的飛行環(huán)境，綜上可知選用US100-Y401型傳感器能夠滿足使用要求。

系統(tǒng)采用Arduino UNO和超聲波傳感器相結(jié)合的方式，超聲波傳感器探測(cè)無(wú)人機(jī)飛行環(huán)境周圍存在的障礙物，Arduino UNO平臺(tái)收集輸入的相關(guān)信息進(jìn)行邏輯信息重構(gòu)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)無(wú)人機(jī)調(diào)速器改變飛機(jī)運(yùn)行姿態(tài)，準(zhǔn)確避開障礙物。本設(shè)計(jì)具有超強(qiáng)的抗電磁干擾能力，整個(gè)系統(tǒng)按照國(guó)標(biāo)設(shè)計(jì)，靜電抗擾度和電磁抗擾度等級(jí)均達(dá)到500 kV輸電線路運(yùn)行要求。 同時(shí)充分考慮了系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境的變化，系統(tǒng)應(yīng)用到不同型號(hào)無(wú)人機(jī)，可根據(jù)環(huán)境的不同，用戶要求的不同，靈活地調(diào)整系統(tǒng)設(shè)置。

3 結(jié)語(yǔ)

多適配性無(wú)人機(jī)避障模塊介于遙控接收機(jī)和飛行控制系統(tǒng)之間，采用外接電源進(jìn)行獨(dú)立供電，選用US100-401超聲波傳感器進(jìn)行測(cè)距，并將超聲波雷達(dá)與Arduino UNO硬件控制平臺(tái)相融合，發(fā)射探測(cè)信號(hào)，采集反饋信息，接收遙控器接收機(jī)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了接收機(jī)與飛控系統(tǒng)的互聯(lián)。通過(guò)對(duì)試飛過(guò)程的跟蹤觀察，和無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中對(duì)障礙物的感知和躲避的分析確認(rèn)，能夠?qū)崿F(xiàn)有效躲避障礙物，提高了無(wú)人機(jī)巡檢的安全性，推廣使用將充分發(fā)揮避障系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、可靠性、易用性和可擴(kuò)展性。