無人機(jī)在電力巡檢中的監(jiān)管預(yù)警技術(shù)

王維陶 王甜田 徐新奎

【摘?要】電力巡檢無人機(jī)主要圍繞著輸電線路進(jìn)行巡檢作業(yè)，作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)相對(duì)固定，針對(duì)電力巡檢無人機(jī)這一飛行特點(diǎn)，可輸電線路劃定周邊部分區(qū)域?yàn)樽鳂I(yè)區(qū)域，限定電力巡檢無人機(jī)僅可在作業(yè)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行巡檢飛行，通過預(yù)測(cè)無人機(jī)是否會(huì)飛出作業(yè)區(qū)域，及時(shí)通知無人機(jī)并令其改變航向，以保證飛行安全。

【關(guān)鍵詞】無人機(jī);電力巡檢;監(jiān)管預(yù)警技術(shù)

1無人機(jī)技術(shù)簡(jiǎn)介

無人機(jī)是利用無線電遙控設(shè)備和自備的程序控制裝置操控的無人駕駛航空器的簡(jiǎn)稱（UAV），無人機(jī)、控制站、通信系統(tǒng)和設(shè)備保障系統(tǒng)共同構(gòu)成了無人機(jī)系統(tǒng)。（1）無人機(jī)。為滿足工業(yè)控制的要求，無人機(jī)需要具備以下特點(diǎn)：首先，為保證無人機(jī)在空中飛行穩(wěn)定，可以適應(yīng)不同的工況，其外形設(shè)計(jì)需要合理;其次，具備足夠的載荷能力，以保證能夠搭載信息采集系統(tǒng)和不同的任務(wù)設(shè)備;第三，可以完成特定的工作任務(wù)，如電力線路巡檢、清障作業(yè)、架線作業(yè)、自主巡檢等;最后，具備遠(yuǎn)程無線圖傳和定位功能等。（2）控制站（GCS）。控制站是無人機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分，為無人機(jī)操控人員提供人機(jī)接口和工作環(huán)境等。主要負(fù)責(zé)無人機(jī)的航線規(guī)劃、起飛與降落、任務(wù)執(zhí)行與管理、信息采集、控制計(jì)算和緊急情況處理等。（3）通信系統(tǒng)。通信系統(tǒng)起到連接無人機(jī)和控制站的橋梁作用，實(shí)現(xiàn)兩者之間控制信息、任務(wù)載荷信息、無人機(jī)狀態(tài)信息、圖像視頻等數(shù)據(jù)信息的傳輸。（4）設(shè)備保障系統(tǒng)。主要為無人機(jī)正常作業(yè)提供必要的技術(shù)支持和安全保障，滿足無人機(jī)野外作業(yè)時(shí)需要的電力、油類等需求，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)場(chǎng)作業(yè)的要求。

2無人機(jī)的安全問題

最近幾年無人機(jī)發(fā)展迅速，但是在其安全保障方面的技術(shù)卻有所不足，導(dǎo)致無人機(jī)的安全事故時(shí)常發(fā)生，這樣便很容易泄露電力公司的機(jī)密，甚至對(duì)國(guó)家?guī)順O大的安全隱患。在電力巡檢避障中使用的無人機(jī)由于其特殊性，往往很容易就會(huì)帶來安全威脅，譬如傳感器數(shù)據(jù)、信號(hào)傳遞、線路觸碰等。根據(jù)現(xiàn)階段常用的無人機(jī)的種類及其性能參數(shù)可以知道目前電力企業(yè)使用的大部分無人機(jī)都是航拍無人機(jī)小改款，其內(nèi)部的安保系統(tǒng)十分簡(jiǎn)易，很容易發(fā)生安全事故。這些無人機(jī)在制作時(shí)的設(shè)計(jì)重點(diǎn)僅僅在電力巡檢避障方面，而在信息保障以及防觸碰兩方面欠缺考慮。

3無人機(jī)在電力巡檢中的監(jiān)管預(yù)警技術(shù)

3.1巡檢系統(tǒng)中的關(guān)鍵性技術(shù)

針對(duì)無人機(jī)電力線路安全巡檢系統(tǒng)的關(guān)鍵性技術(shù)展開有效性分析，其中首先是針對(duì)飛行姿態(tài)控制技術(shù)，確保無人機(jī)巡線時(shí)能夠不受相關(guān)自然因素的影響，提升無人機(jī)飛行姿態(tài)，控制系統(tǒng)的有效性。其次，多傳感器應(yīng)當(dāng)提升其精準(zhǔn)度，并能夠確保時(shí)間的同步，將相關(guān)測(cè)量數(shù)據(jù)展開緊密的聯(lián)系，并加以全面性分析，并對(duì)定位數(shù)據(jù)展開輸出。對(duì)控制器的相關(guān)時(shí)間加以統(tǒng)一，并實(shí)現(xiàn)激光掃描儀數(shù)據(jù)的合理性，使得傳感器數(shù)據(jù)都能夠同步錄入到系統(tǒng)的當(dāng)中，并能夠?qū)崟r(shí)對(duì)控制器展開監(jiān)控。最后，針對(duì)探測(cè)技術(shù)中出現(xiàn)線路缺陷以及安全隱患方面，主要涉及到視覺探測(cè)、紅外和與紫外探測(cè)技術(shù)以及激光雷達(dá)等探測(cè)技術(shù)，因此需要無人機(jī)電力線路巡檢工作的實(shí)際開展中，能夠針對(duì)以上三個(gè)方面產(chǎn)生了缺陷以及安全隱患，加以重點(diǎn)排查，提升線路巡檢的有效性，從而將視覺探視的可見光探測(cè)效果發(fā)揮出來。降低紅外熱成像儀，受到溫度影響的不利影響，降低紫外成像儀受到自然光以及人造光源的影響，同時(shí)對(duì)激光雷達(dá)探測(cè)技術(shù)加以明確性應(yīng)用從而將其測(cè)距的優(yōu)勢(shì)發(fā)揮出來。

3.2無人機(jī)飛行軌跡預(yù)測(cè)分析

由于飛行環(huán)境和無人機(jī)本身存在的不確定性，自主控制系統(tǒng)的規(guī)劃與重規(guī)劃應(yīng)該具有較高程度的智能，對(duì)由于系統(tǒng)參數(shù)的變化、不確定產(chǎn)生的擾動(dòng)以及可能發(fā)生的故障應(yīng)該具有一定的魯棒性。典型的自主飛行無人機(jī)規(guī)劃問題就是如何在滿足所有可飛約束條件下，有效、經(jīng)濟(jì)地避開威脅，完成任務(wù)目標(biāo)。作為無人機(jī)自主導(dǎo)航的關(guān)鍵技術(shù)之一，航跡規(guī)劃已經(jīng)成為目前無人機(jī)研究領(lǐng)域內(nèi)的一大熱點(diǎn)。無人機(jī)航跡規(guī)劃，就是綜合考慮到達(dá)時(shí)間、油耗、威脅以及可飛行區(qū)域等因素，為無人機(jī)之后的飛行規(guī)劃出最優(yōu)或者次優(yōu)的飛行軌跡。同多種規(guī)劃計(jì)算一樣，無人機(jī)的航跡規(guī)劃最初也是由操作人員手工完成，隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展與無人機(jī)飛行突防要求的不斷提高，在規(guī)劃前對(duì)飛行空間的地形與敵方防空威脅信息的掌握也越來越精確，因此現(xiàn)在的航跡規(guī)劃都由相應(yīng)的計(jì)算機(jī)軟件來處理大量的數(shù)據(jù)信息完成規(guī)劃，在線實(shí)時(shí)規(guī)劃與重規(guī)劃更需要特定的硬件與軟件系統(tǒng)來完成規(guī)劃。無人機(jī)的飛行一般都需要執(zhí)行特定的飛行任務(wù)，因此無人機(jī)的航跡規(guī)劃都應(yīng)該以滿足任務(wù)需求作為規(guī)劃航跡的最初目的。航跡規(guī)劃就是綜合考慮油耗代價(jià)、威脅代價(jià)以及性能載荷的情況下找出一條能都完成飛行任務(wù)的最優(yōu)航跡。在無人機(jī)起飛之前，首先由地面規(guī)劃系統(tǒng)預(yù)先規(guī)劃出一條滿足任務(wù)需求的油耗代價(jià)與威脅代價(jià)均較小的最優(yōu)航跡。無人機(jī)起飛之后，無人機(jī)按照預(yù)先規(guī)劃的最優(yōu)航跡飛行，但由于飛行空間具有不確定性，以及突發(fā)威脅的存在，預(yù)先規(guī)劃的航跡有可能不再適應(yīng)當(dāng)前飛行狀態(tài)，因此需要依據(jù)當(dāng)前無人機(jī)飛行狀態(tài)以及最新探測(cè)到的飛行環(huán)境信息進(jìn)行替代航跡重新規(guī)劃，規(guī)劃出一條新的航跡以保證無人機(jī)安全飛行至完成任務(wù)。

3.3無人機(jī)電力巡檢中的監(jiān)管預(yù)警技術(shù)

對(duì)于電力巡檢作業(yè)的無人機(jī)來說，如何預(yù)測(cè)無人機(jī)是否會(huì)飛離作業(yè)區(qū)域，及時(shí)地預(yù)警通知無人機(jī)駕駛員，以提醒其所駕駛的無人機(jī)需改變飛行方向或速度，從而避免無人機(jī)飛離作業(yè)區(qū)域。采用最小二乘曲線擬合算法可預(yù)測(cè)除無人機(jī)的飛行軌跡曲線，再通過無人機(jī)飛行軌跡曲線的切線方程，可通過計(jì)算無人機(jī)的飛行軌跡曲線是否與作業(yè)區(qū)域的邊界相交來預(yù)測(cè)該無人機(jī)是否會(huì)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(duì)巡檢作業(yè)無人機(jī)飛離作業(yè)區(qū)域的預(yù)警問題，可通過監(jiān)管預(yù)警技術(shù)解決這一問題，實(shí)現(xiàn)巡檢作業(yè)無人機(jī)飛離作業(yè)區(qū)域的預(yù)警。針對(duì)巡檢作業(yè)無人機(jī)飛離作業(yè)區(qū)域的預(yù)警問題，可通過監(jiān)管預(yù)警技術(shù)解決這一問題，實(shí)現(xiàn)巡檢作業(yè)無人機(jī)飛離作業(yè)區(qū)域的預(yù)警，該技術(shù)的流程如下：（1）采用遺傳算法求解合法空域的最大內(nèi)接矩形（MER）。遺傳算法是一種自適應(yīng)的全局優(yōu)化方法，可求解多目標(biāo)、多模型、非線性等復(fù)雜系統(tǒng)問題，是一種高效、強(qiáng)魯棒性的算法，很適合求解MER問題。首先采用浮點(diǎn)數(shù)進(jìn)行編碼，然后在遺傳算法中設(shè)計(jì)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(xiàng)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。通過計(jì)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。（2）計(jì)算無人機(jī)飛行軌跡曲線在當(dāng)前位置點(diǎn)的切線，通過計(jì)算該切線是否會(huì)與代替該空域的最大內(nèi)接矩形相交來判斷無人機(jī)是否會(huì)飛離作業(yè)區(qū)域。通過監(jiān)管預(yù)警技術(shù)來解決如何判斷無人機(jī)是否會(huì)進(jìn)入禁飛區(qū)問題，如果無人機(jī)飛行軌跡曲線在當(dāng)前位置點(diǎn)的切線與作業(yè)區(qū)域的最小內(nèi)接矩形相交，求出與當(dāng)前點(diǎn)距離最近的交點(diǎn)，并計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻無人機(jī)與作業(yè)區(qū)域邊界的距離，及時(shí)實(shí)施告警，并將當(dāng)前時(shí)刻無人機(jī)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(jī)駕駛員的地面站，通知駕駛員改變無人機(jī)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(jìn)行下一時(shí)刻的預(yù)警。

4結(jié)束語

本文針對(duì)無人機(jī)在輸電線路巡檢方面的飛行安全進(jìn)行了深入的研究與分析，提出了無人機(jī)電力巡檢的監(jiān)管預(yù)警技術(shù)，防止無人機(jī)飛離作業(yè)區(qū)域（合法空域），該技術(shù)的提出對(duì)電力巡檢無人機(jī)的監(jiān)督管理與預(yù)警技術(shù)研究起到了推動(dòng)作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]蒙波.無人機(jī)航跡規(guī)劃與任務(wù)分析的仿真與實(shí)現(xiàn)[D]..電子科技大學(xué)信號(hào)與信息處理專業(yè)碩士學(xué)位論文，2010（5）：12-22.

（作者單位：航天神舟飛行器有限公司）