無人機在電力巡檢中的監(jiān)管預警技術

王和平　楊偉旗　畢曉偉　毛鵬飛　劉曄

【摘 要】本文旨在為電力巡檢無人機提供有效的監(jiān)管手段，防止電力巡檢無人機飛出電力巡檢區(qū)域，避免安全事故的發(fā)生。文中首先介紹了無人機在電力巡檢方面的優(yōu)勢及不足，然后通過無人機飛行軌跡預測算法，預測無人機是否會飛離電力巡檢區(qū)域，能夠有效降低無人機在電力巡檢過程中的安全隱患，確保合法飛行的其他飛行器的安全。

【關鍵詞】無人機;電力巡檢;監(jiān)管;預警

中圖分類號： TM75 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）13-0049-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.13.023

0 引言

隨著近年來無人機產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，無人機憑借著它高機動性、便于攜帶、環(huán)境適應性強等優(yōu)點，無人機逐步運用于各行各業(yè)。在無人機給我們?nèi)粘Ｉ顜肀憷耐瑫r，大量的飛行器涌入有限的空域，同樣也帶來了許多危險。近年來無人機監(jiān)管的政策與制度愈發(fā)明確，無人機監(jiān)管預警技術也快速發(fā)展。

而在電力巡檢方面，對無人機監(jiān)管預警技術的研究方面較為缺失。電力巡檢無人機主要圍繞著輸電線路進行巡檢作業(yè)，作業(yè)現(xiàn)場相對固定，針對電力巡檢無人機這一飛行特點，可輸電線路劃定周邊部分區(qū)域為作業(yè)區(qū)域，限定電力巡檢無人機僅可在作業(yè)區(qū)域內(nèi)進行巡檢飛行，通過預測無人機是否會飛出作業(yè)區(qū)域，及時通知無人機并令其改變航向，以保證飛行安全。本文提出一種針對電力巡檢作業(yè)區(qū)域的預警算法，并將其運用在電力巡檢無人機預警監(jiān)管系統(tǒng)中，對電力巡檢無人機及時的實施警告。

1 無人機在電力巡檢中的安全問題

輸電線路是電網(wǎng)的重要組成部分，輸電線路巡視是保障其可靠性運行的重要手段，隨著新技術、新方法以及新的管理理念的引入，無人機已逐步得到重視并開始廣泛應用于輸電線路巡視作業(yè)。

無人機巡視的廣泛應用也暴露出無人機在電力巡檢方面所存在的安全隱患，具體安全隱患主要存在以下問題：

（1）無人機電力巡檢作業(yè)自身飛行存在安全隱患。由于電力巡檢運用場景的特殊性，無人機需在輸電線路周圍進行飛行作業(yè)，輸電線路周圍電磁場環(huán)境復雜，無人機在巡檢作業(yè)時由于電磁場的劇烈變化，可能會出現(xiàn)無人機失控、墜毀等危險事故，存在一定的安全隱患。

（2）無人機巡檢作業(yè)的過程監(jiān)管不夠完善。作業(yè)人員在進行電力巡檢作業(yè)時，具有較高的飛行自由度，同時作業(yè)人員對電力巡檢作業(yè)所申請的空域沒有直觀概念，無法保證作業(yè)過程完全在申請空域內(nèi)飛行。由于電力巡檢作業(yè)缺乏對無人機飛行的有效監(jiān)管手段，巡檢無人機飛出合法空域時，管理人員及作業(yè)人員無法及時掌握飛行情況，可能會對其他合法飛行的飛行器造成威脅。

在電力巡檢方面，應加強對無人機飛行的監(jiān)管，對無人機的飛行軌跡進行實時的預警，在無人機將要飛離合法空域時作出預警，并及時通知該無人機，提醒無人機駕駛員改變航向。

2 無人機飛行軌跡預測技術分析

作為機動靈活的移動目標，無人機的飛行軌跡預測具有較高的技術難度。在對無人機的飛行軌跡進行預測時，需要預測無人機這個移動目標整體的運動趨勢，而不僅僅是無人機在某一點的運動狀態(tài)，因此需要通過無人機在某一時段內(nèi)的運動軌跡曲線來預測它是否會飛出作業(yè)區(qū)域。采用最小二乘曲線擬合算法[1]，可根據(jù)無人機一段時間內(nèi)的運動軌跡信息，運用合適的多項式函數(shù)對無人機的運動軌跡進行曲線擬合[2]來預測無人機的飛行軌跡。然后再通過大量的實驗以及對軌跡類型的判斷，采用合適階次的擬合多項式函數(shù)，可以提升無人機的軌跡預測效果。該方法的優(yōu)點在于不需要大量的移動目標的數(shù)據(jù)信息，進行數(shù)據(jù)處理速度比較快，計算復雜度不高，實時性較高。

我們通過采集無人機在當前一段時間內(nèi)飛行的一些離散經(jīng)緯度坐標點，經(jīng)過坐標轉(zhuǎn)換后，采用改進的最小二乘曲線擬合算法來對無人機的飛行軌跡進行預測[3]，可以達到較好的預測效果。

3 無人機電力巡檢中的監(jiān)管預警技術

在完成無人機飛行軌跡的預測技術之后，還需解決無人機飛離作業(yè)區(qū)域的預警。對于電力巡檢作業(yè)的無人機來說，如何預測無人機是否會飛離作業(yè)區(qū)域，及時地預警通知無人機駕駛員，以提醒其所駕駛的無人機需改變飛行方向或速度，從而避免無人機飛離作業(yè)區(qū)域。采用最小二乘曲線擬合算法可預測除無人機的飛行軌跡曲線，再通過無人機飛行軌跡曲線的切線方程，可通過計算無人機的飛行軌跡曲線是否與作業(yè)區(qū)域的邊界相交來預測該無人機是否會飛離作業(yè)區(qū)域。然而電力巡檢作業(yè)的區(qū)域基本上都是不規(guī)則形狀的，如何判斷直線與不規(guī)則圖形是否相交是亟待解決的難題。

針對巡檢作業(yè)無人機飛離作業(yè)區(qū)域的預警問題，可通過監(jiān)管預警技術解決這一問題，實現(xiàn)巡檢作業(yè)無人機飛離作業(yè)區(qū)域的預警，該技術的流程圖如下所示：

該算法的主要原理如下：

1）將作業(yè)區(qū)域、合法空域的拐點的坐標進行轉(zhuǎn)化。將由GPS獲取到的WGS-84坐標系下的描述合法空域邊界拐點的大地坐標轉(zhuǎn)換到高斯平面直角坐標系下的平面直角坐標[4]。具體處理方法如下：

（1）現(xiàn)將某點由GPS直接測量出的WGS-84坐標系下的大地坐標，轉(zhuǎn)換為WGS-84坐標系空間直角坐標，可采用如下公式進行轉(zhuǎn)換：

（2）再進行WGS-84空間直角坐標到BJ-54空間直角坐標系的變化，可根據(jù)布爾沙坐標轉(zhuǎn)換公式通過參數(shù)轉(zhuǎn)換后，獲得該點在BJ-54空間直角坐標系下的對應坐標;

（3）然后通過將BJ-54空間直角坐標轉(zhuǎn)換為BJ-51大地坐標，可采用以下公式進行轉(zhuǎn)換：

式中，L為大地經(jīng)度，B為大地緯度，H為大地高度，N為該點卯酉圈半徑;a、b、e依次為該橢球體的長半徑長、短半徑長、第一偏心率。

（4）將BJ-54坐標系下的大地坐標（B2，L2）通過高斯投影法將該地理球面坐標轉(zhuǎn)換成高斯平面坐標（x，y）。

2）通過改進的最小二乘法擬合算法對無人機的飛行軌跡進行預測。針對采用傳統(tǒng)的最小二乘曲線擬合算法，僅僅依靠在某一時刻對無人機飛行軌跡的單次曲線擬合來預測該無人機飛行軌跡的不足之處，我們提出了改進的最小二乘曲線擬合算法，采用分段函數(shù)對無人機的飛行軌跡曲線進行描述，不間斷地對無人機的飛行軌跡進行預測。

3）采用遺傳算法求解合法空域的最大內(nèi)接矩形（Maximum Enclosed Rectangle，MER）。遺傳算法是一種自適應的全局優(yōu)化方法，可求解多目標、多模型、非線性等復雜系統(tǒng)問題，是一種高效、強魯棒性的算法，很適合求解MER問題。首先采用浮點數(shù)進行編碼，然后在遺傳算法中設計一種初始種群的生成辦法，提高初始種群的質(zhì)量，并引入懲罰項以及精英保存策略使得遺傳算法可以解決任意不規(guī)則封閉圖形內(nèi)的MER問題[5]。通過計算找出的該合法空域的最大內(nèi)接矩形來近似代替該合法空域。

4）計算無人機飛行軌跡曲線在當前位置點的切線，通過計算該切線是否會與代替該空域的最大內(nèi)接矩形相交來判斷無人機是否會飛離作業(yè)區(qū)域。

通過監(jiān)管預警技術來解決如何判斷無人機是否會進入禁飛區(qū)問題，如果無人機飛行軌跡曲線在當前位置點的切線與作業(yè)區(qū)域的最小內(nèi)接矩形相交，求出與當前點距離最近的交點，并計算當前時刻無人機與作業(yè)區(qū)域邊界的距離，及時實施告警，并將當前時刻無人機離作業(yè)區(qū)域邊界的距離等告警信息以UDP的方式發(fā)送給該無人機駕駛員的地面站，通知駕駛員改變無人機的飛行速度或方向，避免飛離合法飛行區(qū)域，保證飛行安全;如果不相交，則進行下一時刻的預警。

4 總結(jié)

近年來隨著無人機技術的不斷發(fā)展，在電力巡檢方面無人機也得到廣泛應用。隨著大量的無人機在低空域飛行，如何確保空域的交通安全，防止發(fā)生空中交通事故，便變得非常重要，因此對無人機預警技術的研究越來越受到研究學者的關注。而輸電線路的巡檢是國家電網(wǎng)工程中的重要一環(huán)，保證輸電線路安全穩(wěn)定運行的同時，也需保證無人機巡檢的安全。因此本文針對無人機在輸電線路巡檢方面的飛行安全進行了深入的研究與分析，提出了無人機電力巡檢的監(jiān)管預警技術，防止無人機飛離作業(yè)區(qū)域（合法空域），該技術的提出對電力巡檢無人機的監(jiān)督管理與預警技術研究起到了推動作用。

未來無人機也將往更智能、更穩(wěn)定、更安全、更高效方面發(fā)展，在無人機監(jiān)管方面，管理體（下轉(zhuǎn)第41頁）（上接第50頁）系逐步完善，同時結(jié)合科技手段，無人機的監(jiān)管預警也將愈加智能、合理。

【參考文獻】

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[2]李蓓蕾.多次自適應最小二乘曲線擬合方法及其應用[D].荊州：長江大學，2014，6-25

[3]周琳娜.空中飛行目標軌跡預測技術研究[D].太原：中北大學，2011，28-41.

[4]張楠，董曉晶，張健.WGS-84坐標系與BJ-54坐標系的轉(zhuǎn)換方法及精度探討[J].制造業(yè)自動化，2009，31（12）：162-165.

[5]袁哲，王永振，石懷濤，肖健宇，王琳巖.基于改進遺傳算法的任意圖形最大內(nèi)接矩形求解[J].控制工程，2016，23（03）：400-404.