電力多旋翼無人機(jī)巡檢安全間距保持系統(tǒng)

李新 許強(qiáng) 尚策

【摘 ?要】本文主要對電力多旋翼無人機(jī)巡檢安全間距保持系統(tǒng)做具體的論述，希望給行業(yè)內(nèi)人士以借鑒和啟發(fā)。

【關(guān)鍵詞】輸電線路;無人機(jī);巡檢

引言

對于電力多旋翼無人機(jī)巡檢而言，由于其載重能力有限無法安裝大載重、遠(yuǎn)距離機(jī)載檢測裝置，所以需要沿線路近距離飛行懸停檢測。與輸電線路保持安全距離飛行是多旋翼無人機(jī)在電力巡檢中重要的安全保障之一，同時也是電力多旋翼無人機(jī)巡檢的強(qiáng)制要求。隨著近幾年無人機(jī)行業(yè)的快速發(fā)展，在電力巡檢中多旋翼無人機(jī)以其成本低、操作簡單、使用靈活、方便運(yùn)輸?shù)葍?yōu)勢得以廣泛使用。傳統(tǒng)的無人機(jī)與輸電線路安全間距保持方法為GPS定位控制，缺點在于其精度低、抗風(fēng)性差、實時修正能力弱等原因，使其安全系數(shù)較低，優(yōu)點在于其載重輕，有效減小飛機(jī)負(fù)載，延長續(xù)航時間。

1多旋翼無人機(jī)避障系統(tǒng)的發(fā)展及現(xiàn)狀

自動避障系統(tǒng)是保障無人機(jī)順利完成飛行任務(wù)的重要系統(tǒng)，有助于無人機(jī)飛行路徑的規(guī)劃。自動避障系統(tǒng)應(yīng)具備可靠、實用、靈活反應(yīng)等特點，這樣無人機(jī)在飛行過程中才能快速制定新的飛行路徑，并及時將路徑數(shù)據(jù)直接傳送到飛行控制器中，完成飛行任務(wù)。目前無人機(jī)避障技術(shù)可分為三個階段，即感知障礙物階段、繞過障礙物階段，以及場景建模和路徑搜索階段。在感知障礙物階段中，無人機(jī)只是簡單地感知障礙物。當(dāng)遇到障礙物時快速識別并懸停下來，等待操縱者的進(jìn)一步指令。在第二階段中，無人機(jī)通過獲取障礙物的深度圖像，精確判斷和感知障礙物的具體輪廓，然后自主繞開障礙物。最后階段，無人機(jī)對飛行區(qū)域形成三維立體地圖模型，并規(guī)劃合理線路進(jìn)行飛行活動。

2無人機(jī)巡檢流程

我們以1000kV同塔雙回耐張塔巡線拍攝為例，對無人機(jī)巡檢流程進(jìn)行簡要介紹。小型旋翼機(jī)巡線一般巡檢流程如下：第一、收集巡檢線路資料，確定巡檢線路的地點、巡檢時間、人員和車輛安排等內(nèi)容;第二、確定桿塔類型、桿塔數(shù)量、桿塔巡檢對象、拍攝要求、拍攝數(shù)量;第三、勘查巡檢現(xiàn)場，了解桿塔位置、線路走向、地形、地貌、風(fēng)向、風(fēng)速、光源方向、信號塔、山丘、河流、樹木、礦藏、地下管道等;第四、制定飛行計劃，確定地面站放置點、飛手站立地點、飛機(jī)起飛點、飛行方向、飛行路線，尤其需要注意桿塔方位、風(fēng)向、風(fēng)速、光源、樹木、通訊塔、山丘、礦藏、管道、溫度、飛手站位與桿塔電線的角度;第五、根據(jù)巡線需求調(diào)整相機(jī)中設(shè)置的照片質(zhì)量，實施巡檢，每個拍攝對象拍攝5張以上的照片，以防止因為無人機(jī)抖動造成的相片重影，圖像發(fā)虛等情況，從中選擇最優(yōu)照片，避免因為不合格照片而需重新飛行，以便提高飛行的效率。下面將對實際應(yīng)用過程中桿塔巡檢拍攝步驟進(jìn)行簡要介紹：步驟一：起飛后緩慢上升至左線下相，機(jī)身與線路左線大號側(cè)絕緣子串水平，拍攝絕緣子串及連接金具;緩慢下降，機(jī)身與線路左跳線硬管母水平，拍攝硬管母整體及連接金具;緩慢上升，機(jī)身與線路左線小號側(cè)絕緣子串水平，拍攝絕緣子串、金具等。步驟二：緩慢上升至左線中相，重復(fù)步驟一。步驟三：緩慢上升至左線上相，重復(fù)步驟一。步驟四：緩慢上升至塔頂，略高于地線，拍攝左側(cè)地線及掛點和金具。步驟五：翻越桿塔至另一側(cè)，緩慢下降，拍攝右側(cè)地線。步驟六：緩慢下降至右線上相，機(jī)身與線路右線大號側(cè)絕緣子串水平，拍攝絕緣子串及連接金具;緩慢下降，機(jī)身與線路右跳線硬管母水平，拍攝右跳線硬管母整體及連接金具;緩慢上升，機(jī)身與線路右線小號側(cè)絕緣子串水平，拍攝絕緣子串及連接金具。步驟七：緩慢下降至左線中相，重復(fù)步驟六。步驟八：緩慢下降至左線下相，重復(fù)步驟六。步驟九：拍攝大小號側(cè)通道及周圍危險點。以上九個步驟為巡檢1000kV同塔雙回耐張塔時的拍攝方式，其他電壓等級的線路巡檢過程與其類似。同時我們還應(yīng)該注意到小型旋翼機(jī)巡線時天氣狀況影響較大，當(dāng)風(fēng)力高于3級時，無人機(jī)會出現(xiàn)飄移的情況，可能導(dǎo)致其與輸電線路、輸電桿塔設(shè)備等無法滿足有效的安全距離，甚至發(fā)生碰撞。因此加裝測距系統(tǒng)也是目前眾多巡線用無人機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置。目前使用最多的是超聲波測距模塊，超聲波模塊的特點是必須符合探測角度足夠大的要求，測量距離的范圍適中即可。小型旋翼機(jī)機(jī)體較小，能近距離飛抵輸電線路附近，我們這里選用的測試距離以6-10米為宜，檢測的精度能夠達(dá)到毫米級，這也是我們將小型旋翼機(jī)作為線路巡檢設(shè)備首先的考慮因素之一。

3 kalman濾波融合技術(shù)

目前比較常用的濾波融合技術(shù)有綜合平均法、貝葉斯估計法、D-S法、模糊邏輯法、神經(jīng)邏輯法、kalman濾波法、專家系統(tǒng)方法等。kalman濾波經(jīng)在控制領(lǐng)域得以推廣后，便成為多傳感器信息融合的主要技術(shù)手段之一，其基本思想是先分散處理，再全局融合，即以一個信號為主體，與其他信號兩兩結(jié)合，在其結(jié)合信號的基礎(chǔ)上獲得全局估計。當(dāng)多旋翼無人機(jī)以不同的角度接近輸電線路時，會出現(xiàn)兩種情況：第一，當(dāng)超聲波傳感器發(fā)出超聲波的傳播方向與線路垂直，則只需要進(jìn)行Kalman濾波融合就可以得到準(zhǔn)確的間距;第二，當(dāng)超聲波傳感器發(fā)出超聲波的傳播方向與線路不垂直，則需要姿態(tài)模塊確定飛行姿態(tài)，通過三角公式換算得到垂直距離。

4電力多旋翼無人機(jī)巡檢安全間距保持系統(tǒng)避障方法

4.1紅外/激光TOF測距

這種方法是利用紅外線感應(yīng)原理來實現(xiàn)測距的。紅外線避障的常見實現(xiàn)方式就是“三角測量原理”。紅外感應(yīng)器包含紅外發(fā)射器與CCD檢測器。紅外線發(fā)射器發(fā)射紅外線，紅外線碰到物體會發(fā)生反射，CCD檢測器接收到反射光線后，根據(jù)不同距離的物體，就得到不同的反射角度，進(jìn)而產(chǎn)生不同的偏移值，得到這些數(shù)據(jù)再經(jīng)過計算，就能得出物體的距離。簡言之，就是傳感器發(fā)射一定頻率的紅外/激光信號，然后根據(jù)反射信號與原信號的相位差計算信號的飛行時間，即可換算出距離障礙物的距離。這種方法技術(shù)比較成熟，作用距離較超聲波更遠(yuǎn)（數(shù)米到數(shù)百米），而且高等級的TOF傳感器可以獲得障礙物的深度圖像，但成本高、抗干擾能力較差。該方案在當(dāng)前市場中占有一定的應(yīng)用規(guī)模。

4.2雙目視覺測距

這種方法是利用兩個平行的攝像頭進(jìn)行拍攝，然后根據(jù)兩幅圖像之間的差異，通過復(fù)雜的算法計算出特定點的距離，當(dāng)數(shù)據(jù)足夠時還能生成深度圖。這種方法運(yùn)用了人眼估計距離的原理，即同一個物體在兩個鏡頭畫面中的坐標(biāo)稍有不同，經(jīng)過轉(zhuǎn)換即可得到障礙物的距離。這種方法的缺點在于技術(shù)難度較高，且距離估計的誤差會隨著距離的變大而呈現(xiàn)指數(shù)型增長，但這一缺點不影響在無人機(jī)避障領(lǐng)域中的應(yīng)用。

4.3電子地圖測距

借助高分辨率的數(shù)字高程地圖和城市三維建筑地圖，既能避免無人機(jī)撞擊重要建筑物（即禁飛區(qū)功能），也能實現(xiàn)多數(shù)情況下的無人機(jī)避障。數(shù)字高程地圖是一個能夠?qū)崟r更新的三維立體地圖，在軍事上，例如戰(zhàn)斧巡航導(dǎo)彈的遠(yuǎn)程飛行在很大程度上依賴于該地圖。

結(jié)語

在輸電線路垂直方向在兩個傳感器之間時，其準(zhǔn)確距離需要三角換算得到。多旋翼無人機(jī)與輸電線路之間距離越小電機(jī)轉(zhuǎn)速越快，推動無人機(jī)快速倒退，使其遠(yuǎn)離危險區(qū)域，繼續(xù)保持安全間距。

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（作者單位：中國南方電網(wǎng)超高壓輸電公司曲靖局）