多旋翼無人機(jī)輸電線路巡檢避障技術(shù)綜述

呂學(xué)偉 宋福根

（福州大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，福州 350000）

0 引言

隨著我國電網(wǎng)的飛速發(fā)展，高壓輸電線路電壓等級越來越高，線路越來越長且所經(jīng)過的地形地貌也越來越復(fù)雜。傳統(tǒng)的人工巡檢方式效率低下[1]，無法實(shí)現(xiàn)全方位的巡檢。無人機(jī)具有不受地形環(huán)境限制、費(fèi)效比低的優(yōu)勢，同時(shí)無需顧慮飛機(jī)意外墜毀導(dǎo)致的機(jī)上人員傷亡問題。因此，為了解決巡檢的安全性問題，同時(shí)為了提高巡檢的效率，使用無人機(jī)來巡檢輸電線路成為必然，并且它會逐步取代人工巡檢，從而大大提高巡檢效率[2-3]。

安全問題是無人機(jī)巡檢的重要方面。無人機(jī)在作業(yè)過程中需要拍攝清晰度較高的照片，便于電力人員對輸電線路進(jìn)行分析診斷，因此無人機(jī)要盡可能地靠近輸電線路或桿塔。但如果與線路或桿塔過于接近，必然存在安全隱患。

為盡量減小無人機(jī)與作業(yè)目標(biāo)（輸電線路和桿塔等）的間距，提高作業(yè)的安全性，防止碰撞事故發(fā)生，同時(shí)為了減小人工操作成本，巡檢無人機(jī)可配備一套高精準(zhǔn)性、高靈敏度的避障系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)避障目的，從而保障無人機(jī)巡檢工作順利進(jìn)行。當(dāng)無人機(jī)與作業(yè)目標(biāo)的間距小于安全距離時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)及時(shí)快速地給無人機(jī)發(fā)出避障動作指令，同時(shí)安全距離要盡可能小，以便拍攝的照片更加清晰。

目前，無人機(jī)巡檢大多以多旋翼無人機(jī)為主[4]。本文綜合介紹多旋翼無人機(jī)巡檢避障的各種方案和原理，先簡單介紹幾種傳統(tǒng)的方案，如基于傳感器和柱狀空間的避障方法，但由于其仍存在一定的不足之處，所以后來有學(xué)者提出利用輸電線路本身存在的電磁場特性來實(shí)現(xiàn)避障的方案，經(jīng)驗(yàn)證，該方法比傳統(tǒng)方法更為精準(zhǔn)、高效。

1 基于傳感器的無人機(jī)避障方法

基于視覺的無人機(jī)避障方法出現(xiàn)較早，主要是利用攝像頭等成像設(shè)備，拍攝并實(shí)時(shí)傳輸周邊的環(huán)境圖像給無人機(jī)以達(dá)到避障的目的。

英國EA 電力咨詢公司和威爾士大學(xué)最先將無人機(jī)應(yīng)用于高壓輸電線路巡檢工作中，他們研發(fā)了用于輸電線路巡檢的無人機(jī)，并利用實(shí)時(shí)無線傳輸?shù)娘w行圖像進(jìn)行巡檢避障和懸停拍攝。后來由于單目視覺存在太多缺陷，雙目立體視覺技術(shù)被提出，其原理是在多視角下感知并捕捉周圍環(huán)境的圖像，基于三角測量原理得到圖像像素間的位置偏差，最后得到周圍環(huán)境的三維空間信息[5]，其避障流程如圖1 所示。

圖1 雙目立體視覺避障流程

后來無人機(jī)技術(shù)得到快速發(fā)展，基于多空間圖像的三維巡檢視頻技術(shù)開始逐步興起，首先在多個(gè)方位拍攝周圍空間的圖片，用于飛行空間的三維立體合成，同時(shí)將數(shù)據(jù)回傳給地面站，根據(jù)該合成圖像，地面工作人員可完成避障工作，但是該避障方案也存在一些缺陷，如三維圖像合成較難、存儲空間過大、實(shí)時(shí)性較差等[6]。

單純的基于視覺的避障方法已經(jīng)不能滿足復(fù)雜的巡檢工作要求，所以很多學(xué)者開始將視覺避障法與其他理論結(jié)合來實(shí)現(xiàn)更好的避障效果，例如張午陽等提出的一種基于深度學(xué)習(xí)的四旋翼無人機(jī)單目視覺避障方法[7]，該方法所用到的傳感器只有一塊單目攝像頭，相比于傳統(tǒng)的基于傳感器的避障方法，所占用無人機(jī)的體積大大減小。朱平等提出了一種雙目立體視覺和光流相結(jié)合的避障方法[8]，雙目立體視覺可獲取可靠的視差值和空間深度信息，進(jìn)而辨別物體的遠(yuǎn)近；光流法能得到障礙物相對于攝像頭的每一個(gè)時(shí)刻的運(yùn)動速度。為了更快地得到更加準(zhǔn)確的位置信息，將立體視覺和光流結(jié)合在一起。

然而基于視覺的無人機(jī)避障技術(shù)主要利用成像原理來進(jìn)行避障，不可避免地存在圖像處理問題，如圖像清晰度問題和圖像儲存空間問題等；而先采集圖像再以此避障的過程需要一定的時(shí)間，也就是實(shí)時(shí)性較差；另外視覺還會出現(xiàn)“看不到”或者“看不出來”等問題。

目前在無人機(jī)巡檢避障技術(shù)中，應(yīng)用較多的是毫米波雷達(dá)避障技術(shù)。加拿大的阿姆菲泰克公司于2000 年7 月研發(fā)的巡檢無人機(jī)采用的就是這種技術(shù)，該技術(shù)主要利用連續(xù)雷達(dá)波信號來測量目標(biāo)的距離和速度，即

式中：s為距離；c為光速；T為信號發(fā)射周期；fb為差拍頻率；Δf為調(diào)頻帶寬；v為速度；λ為信號波長；fd為多普勒頻移。

經(jīng)實(shí)飛驗(yàn)證，雖然該避障技術(shù)能基本實(shí)現(xiàn)有效避障，但還是存在反射信號過多導(dǎo)致無法有效識別真正的障礙物反射波的問題[9-12]。我國的由國家電網(wǎng)公司立項(xiàng)、福建電力公司承擔(dān)的大型無人機(jī)巡檢輸電線路項(xiàng)目也采用了毫米波雷達(dá)避障技術(shù)來實(shí)現(xiàn)巡檢避障目的，但是也存在反射波過濾較難和設(shè)備較多、較重等缺陷[13-14]。

除了上述幾種方法，還有利用超聲波傳感器來實(shí)現(xiàn)避障的，超聲波測距原理如圖2 所示。同樣基于超聲波傳感器，孟光磊等人仿真實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)的避障[15]；陳根華等人則設(shè)計(jì)了一套無人機(jī)三維避障系統(tǒng)[16]。也有學(xué)者將多個(gè)傳感器結(jié)合在一起來加強(qiáng)避障的效果，例如N. Gageik 等人以低成本的紅外測距傳感器和超聲波傳感器為主，結(jié)合光流和慣性測量單元（inertial measurement unit, IMU）對紅外和超聲波傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，以此實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的避障[17]。

圖2 超聲波測距原理

總地來說，上述基于傳感器的避障方法都存在一定的缺陷：視覺避障存在圖像處理問題和實(shí)時(shí)性較差等問題；紅外避障由于作用距離很短，所以在室外光線強(qiáng)的情況下基本不能使用；超聲波避障的有效作用距離很難超過10m，且因?yàn)槭谴钶d在多旋翼無人機(jī)上，故旋翼對空氣的干擾使其更難應(yīng)用；雷達(dá)避障存在反射波過濾較難、識別避障目標(biāo)較難等問題，另外雷達(dá)避障設(shè)備體積較大、質(zhì)量較重，對于空間和載荷都十分有限的無人機(jī)來說，其應(yīng)用存在很大的缺陷。

2 基于柱狀空間的無人機(jī)避障方法

柱狀空間避障法主要是利用地圖信息結(jié)合實(shí)際全球定位系統(tǒng)（global positioning system, GPS）數(shù)據(jù)，得到準(zhǔn)確的三維空間信息以實(shí)現(xiàn)避障目的。柱狀空間法一般是利用地理信息系統(tǒng)（geographic information system, GIS），有學(xué)者提出可采用電網(wǎng)公司已有的GIS 結(jié)合GPS 來對無人機(jī)巡檢進(jìn)行航路規(guī)劃和避障。

董軍喜利用GPS 導(dǎo)航定位系統(tǒng)得到無人機(jī)的實(shí)時(shí)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，同時(shí)結(jié)合等高線地圖數(shù)據(jù)，得到等高線等效障礙物模型[18]，以此實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的避障。

當(dāng)然，將柱狀空間法與其他方法有效結(jié)合必然能提高精準(zhǔn)性，例如將柱狀空間法和支持向量機(jī)算法結(jié)合的無人機(jī)線路檢測避障方法[19]：①根據(jù)飛行區(qū)障礙物建立圓柱形三維空間模型，如圖3 所示（圖中，H為拉伸后高度，Hd為安全高度，并且Hd滿足大于0，V1, …,V10為避障邊界線的頂點(diǎn)）；②引入支持向量機(jī)以一種新的視角實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的避障。還有將柱狀空間法和改進(jìn)A*算法結(jié)合的無人機(jī)規(guī)避方法[20]：①根據(jù)無人機(jī)飛行區(qū)域的障礙物分布情況，建立飛行區(qū)域的柱狀空間；②將障礙物對無人機(jī)的影響引入估價(jià)函數(shù)中，重新設(shè)計(jì)啟發(fā)函數(shù)；③將基于柱狀空間和改進(jìn)A*算法的無人機(jī)規(guī)避方法應(yīng)用于無人機(jī)的規(guī)避中，并對規(guī)劃的路徑進(jìn)行平滑處理。

圖3 三維避障柱狀空間

由于柱狀空間的三維地圖的合成很難做到完全準(zhǔn)確，同時(shí)地面上的建筑物體等存在易變、隨機(jī)、無規(guī)律性等特點(diǎn)，若為此一直保持三維地圖的實(shí)時(shí)更新，則代價(jià)過大；并且還存在三維地圖的存儲空間要求過大、讀取速度較慢等方面的問題，故基于柱狀空間的避障方法也不是十分適合無人機(jī)巡檢避障。

3 基于線路電磁場的無人機(jī)避障方法

由于上述基于視覺的、基于傳感器的、基于柱狀空間的避障方法都存在一定缺陷，因此研究人員將目光投到輸電線路本身就存在的電磁場特性上。眾所周知，由于輸電線路的導(dǎo)線有電流通過，其導(dǎo)線周圍存在一定范圍、不同強(qiáng)度的電磁場，而電磁場和距離在某種程度上是對應(yīng)關(guān)系，因此利用輸電線路的電磁場來達(dá)到避障的目的是一個(gè)很新穎很貼切的思路。經(jīng)各種研究證明，基于輸電線路電磁場的無人機(jī)巡檢避障方案比上述傳統(tǒng)避障方法在各個(gè)方面都要更優(yōu)越。該避障技術(shù)在硬件方面要求不高，非常適合荷載小的無人機(jī)；同時(shí)其避障的精準(zhǔn)性較高，研究價(jià)值高、工程意義重大。

3.1 基于電場環(huán)境的避障方法

只利用電場來實(shí)現(xiàn)避障是早先的一種方案，山東電力科學(xué)研究院按照電壓等級分類，利用輸電線路電場強(qiáng)度變化率作為避障參量[21]，并對每一電壓等級都確定一個(gè)避障限值，當(dāng)無人機(jī)測得的電場強(qiáng)度變化率大于限值時(shí)就發(fā)出避障指令。但輸電線路電場強(qiáng)度變化率主要取決于導(dǎo)線排列方式而不是電壓等級，電壓等級主要影響的是電場強(qiáng)度。而該方案卻以電壓等級分類，分別研究不同電壓等級的避障，實(shí)際上電壓等級與電場強(qiáng)度變化率并無直接對應(yīng)關(guān)系，使其分類基礎(chǔ)是缺乏理論依據(jù)的。因此，該避障方案是存在缺陷的。

后來宋福根首創(chuàng)性地提出一種基于輸電線路電場分布特征的無人機(jī)巡檢避障方案[22]，該方案主要利用輸電線路產(chǎn)生的電場作為避障參量，將實(shí)時(shí)檢測到的各個(gè)方位的電場強(qiáng)度與理論分析得到的等電場強(qiáng)度結(jié)合，獲得無人機(jī)和巡檢目標(biāo)的距離區(qū)間等，最后根據(jù)該距離區(qū)間進(jìn)行避障。此外，由于輸電線路電場強(qiáng)度主要取決于電壓等級，故只需研究某一電壓等級在不同情況下的避障方案，對于其他電壓等級則只需按照電壓等級進(jìn)行變換，進(jìn)而得到對應(yīng)的避障方案，最終可實(shí)現(xiàn)基于輸電線路電場分布特征的全電網(wǎng)無人機(jī)巡檢避障。

距離是無人機(jī)巡檢避障的關(guān)鍵參量之一，而電場又恰好與距離成映射關(guān)系，因此就可以通過測得的電場強(qiáng)度數(shù)據(jù)，經(jīng)過理論分析得到電場強(qiáng)度與距離的對應(yīng)關(guān)系，然后計(jì)算出無人機(jī)與輸電線路或桿塔之間的距離，使得無人機(jī)在巡檢作業(yè)時(shí)可以與輸電線路保持一定的安全距離，減小高壓輸電線產(chǎn)生的電場對無人機(jī)電子設(shè)備造成的干擾，避免墜機(jī)或損壞高壓電線等事故的發(fā)生。陳紹祥等人設(shè)計(jì)了一種檢測高壓輸電線路電場的三維立體檢測裝置[23]來完成上述避障步驟；鄭天茹等人基于距離與電場強(qiáng)度的對應(yīng)關(guān)系（見圖4，以220kV 為例），先通過電場測量裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，再與無人機(jī)飛控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，來判斷是否需要進(jìn)行避障動作[24]。

圖4 220kV 線路仿真與實(shí)測數(shù)據(jù)對比圖

有些研究人員不利用距離作為避障參量，而是直接利用電場數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)避障判斷：黃俊璞等人通過計(jì)算輸電線路周圍電場得到電場強(qiáng)度二次倒數(shù)，以此為判據(jù)來進(jìn)行無人機(jī)避障判別，提高了無人機(jī)避障的精準(zhǔn)性[25]。這是一種簡單直接并且有效的思路。

3.2 基于磁場環(huán)境的避障方法

由于磁場的復(fù)雜性等特點(diǎn)，其應(yīng)用于無人機(jī)巡檢避障方面的局限性相較于電場更大，因此直接利用磁場環(huán)境的避障方法并不多。一種最簡單的思路就是將電磁傳感器放在無人機(jī)上，并使用磁場數(shù)據(jù)來確定無人機(jī)與傳輸線之間的相對位置，以達(dá)到避障的目的[26]。

3.3 基于電磁場結(jié)合的避障方法

顯然，結(jié)合電場與磁場的復(fù)合避障方法要比單一利用電場或磁場的避障法更具有嚴(yán)謹(jǐn)性和精確性。首先要設(shè)計(jì)一種搭載在無人機(jī)上的并能同時(shí)檢測電場和磁場強(qiáng)度的檢測系統(tǒng)[27-28]，如圖5 和圖6所示，該系統(tǒng)能夠檢測出無人機(jī)與高壓輸電線在不同距離時(shí)的電磁場強(qiáng)度，又由于電磁場強(qiáng)度與無人機(jī)和高壓輸電線的距離成線性關(guān)系，因此可將檢測數(shù)據(jù)通過無線傳輸?shù)降孛婵刂浦行幕蛑苯犹峁┙o無人機(jī)飛控處理單元，來判斷無人機(jī)是否處于安全范圍，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的避障功能[29]。

圖5 電場檢測單元結(jié)構(gòu)

圖6 磁場檢測單元結(jié)構(gòu)

3.4 基于電磁場模型的避障方法

建模法通過仿真軟件建立起實(shí)際問題環(huán)境的空間數(shù)據(jù)模型，方便研究人員進(jìn)行理論分析和仿真驗(yàn)證，避免了實(shí)際工作中人力、物力的耗費(fèi)。要建立輸電線路電磁場模型，首先要獲得輸電線路的電磁場參數(shù)和各種數(shù)據(jù)，再利用仿真軟件（常用的有Ansys 和Ansoft）在計(jì)算機(jī)中建立仿真模型。

若僅建立輸電線路電場分布模型，則研究不同直流電壓下直流輸電線路中無人機(jī)巡檢安全距離的電場仿真[30]，得到不同位置距離的空間電場分布，見表1，再通過安全距離研究避障。

表1 500kV 線路空間電場分布

或針對輸電線路周圍的障礙物，利用電場分布來研究避障。黃俊璞等人用Ansoft 仿真軟件對輸電線路下方的障礙物進(jìn)行三維仿真，如圖7 所示，再結(jié)合線路斜上方和斜下方的電場分布情況，得到無人機(jī)巡線安全距離，最后研究了無人機(jī)避障問題[31]。

圖7 線路斜下方房屋障礙模型

圖7中，三條直線1、2、3 垂直于導(dǎo)線表面，用來研究電場的沿線分布，A、B、C 為三相導(dǎo)線。

為了使建模工作更精準(zhǔn)更高效，可以將仿真分析軟件與其他分析方法結(jié)合，宋福根等人利用三維電場估計(jì)方法結(jié)合有限元分析軟件Ansys 對電場強(qiáng)度分布進(jìn)行建模，在此基礎(chǔ)上分析空間電場強(qiáng)度的分布特征，然后研究無人機(jī)的避障原理[32]。同樣，建模時(shí)結(jié)合第2 節(jié)所講的柱狀空間法，使得仿真結(jié)果更嚴(yán)謹(jǐn)、更精確。邴麗媛等人采用多傳感器融合技術(shù)，通過對巡檢過程中可能出現(xiàn)的障礙物進(jìn)行建模，建立最小安全空間模型，再結(jié)合輸電線路周圍電場模型，同時(shí)利用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，來研究無人機(jī)巡線的避障技術(shù)[33]。

研究電磁場結(jié)合的輸電線路模型與上述相似，關(guān)鍵在于得到不同電磁場強(qiáng)度下無人機(jī)與導(dǎo)線的距離關(guān)系，這可以通過結(jié)合有限元算法等分析方法與Ansys 等仿真軟件來分析得出。但該距離可能存在誤差，因此曹浩楠等人提出了選用電場有效值結(jié)合高度的方法來確定無人機(jī)與輸電線路真實(shí)距離[34]，其結(jié)果誤差更小，更接近實(shí)際距離。此外，劉壯等人也通過建立輸電線路電磁場仿真模型[35]，研究無人機(jī)不同巡檢距離下導(dǎo)線周圍電磁場分布，并仿真得到±500kV 直流輸電線路直線塔無人機(jī)巡檢作業(yè)最小安全距離為3m，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合電流進(jìn)行距離修正，使其更精準(zhǔn)更真實(shí)。

除此之外，還可將電磁場仿真模型及其得到的安全距離結(jié)果，結(jié)合其他方法來實(shí)現(xiàn)更高效、更準(zhǔn)確的避障。例如馮智慧等人先通過建立導(dǎo)線對無人機(jī)工頻電磁場干擾仿真模型，分析工頻電磁場對無人機(jī)機(jī)身及機(jī)載設(shè)備的影響，確定了飛行最小安全距離；基于此，結(jié)合確定的最小安全距離、線路桿塔三維模型、巡檢任務(wù)相關(guān)信息和三維GIS 系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)無人機(jī)巡線路徑規(guī)劃和避障等功能[36]。

3.5 基于電磁場并結(jié)合其他方案的避障方法

同樣，將多種方法結(jié)合起來的避障方案雖然復(fù)雜性較高，但從精確性和優(yōu)越性來說，必然比單一方法更高。在利用電磁場特性分析并得出無人機(jī)巡檢的安全飛行距離的基礎(chǔ)上，高旭東等人將圖像匹配的視覺測距方法融合到該避障方法中[37]。這種復(fù)合避障法的關(guān)鍵在于利用電磁場特性得到無人機(jī)安全飛行距離，具體做法是：首先構(gòu)建交流輸電線路模型，分析不同電壓等級下輸電線內(nèi)側(cè)、外側(cè)、下側(cè)三個(gè)方向不同距離的電場強(qiáng)度、磁場強(qiáng)度的衰減情況；并設(shè)計(jì)簡單的含有機(jī)翼、腳架的無人機(jī)模型，分析無人機(jī)對于輸電線周圍電場和磁場分布的影響以及無人機(jī)周圍電場的分布、無人機(jī)機(jī)體磁場的分布；結(jié)合無人機(jī)飛行速度、信號傳輸延時(shí)特性、風(fēng)速等因素，最終得出無人機(jī)在高壓交流輸電線環(huán)境中巡檢的近似安全飛行距離。

4 結(jié)論

綜上所述，幾種傳統(tǒng)的基于傳感器的和基于柱狀空間的避障方案雖然在初期實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)巡檢避障的功能，但經(jīng)過實(shí)踐的檢驗(yàn)，其缺陷也慢慢暴露出來，但這些方案所提供的思路和經(jīng)驗(yàn)仍然是避障工作不可或缺的寶貴財(cái)富。同時(shí)，隨著研究的深入，這些方案也很有可能經(jīng)過優(yōu)化、完善和創(chuàng)新，展現(xiàn)出全新的活力。

相比之下，基于輸電線路空間電磁場分布特征的無人機(jī)避障策略更為優(yōu)越。該避障策略是一種通過分析輸電線路空間電場的分布特征，得到其空間等電場強(qiáng)度區(qū)域并以此值作為主要避障參量的自主避障策略。該避障策略硬件要求低，受外界影響較低，避障精準(zhǔn)性高，效率高，同時(shí)理論基礎(chǔ)扎實(shí)，發(fā)展前景廣，更適合應(yīng)用于大型無人機(jī)自主巡檢避障控制，可為其超視距的大范圍自主巡檢提供一種安全、高效的避障策略。目前國網(wǎng)福建省電力公司已經(jīng)在該避障控制領(lǐng)域進(jìn)行了大量的前期研究工作，為將來大型無人機(jī)的超視距大范圍巡檢打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。