基于垂起固定翼技術(shù)人工智能巡檢策略研究

趙昊東，許 超，王明馨，李小蘭

(1.國(guó)網(wǎng)沈陽(yáng)供電公司，遼寧 沈陽(yáng) 110003；2.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)，遼寧 沈陽(yáng) 110866)

我國(guó)電網(wǎng)的高壓輸電線路分布范圍廣，且有一部分線路架設(shè)在地形復(fù)雜、氣象環(huán)境惡劣的地區(qū)。這一情況使輸電線路及其相關(guān)器件的安全運(yùn)行面臨嚴(yán)峻的考驗(yàn)，對(duì)高壓輸電線路的巡檢、維護(hù)和管理提出了更高要求。使用無(wú)人機(jī)進(jìn)行定期巡檢作為一種新型、安全、高效的巡檢作業(yè)形式已在高壓輸電線路作業(yè)中逐步應(yīng)用，并呈現(xiàn)替代傳統(tǒng)作業(yè)方式的趨勢(shì)[1]。

目前，電力巡檢手段主要采用人工利用望遠(yuǎn)鏡巡檢和近距離遙控?zé)o人機(jī)巡檢兩種方式。這兩種方式均以人為基本行動(dòng)單位。受觀測(cè)手段及多旋翼無(wú)人機(jī)控制距離的限制，均需要工作人員靠近輸電塔，在巡線人員容易到達(dá)的區(qū)域有較好的巡檢效果。用于巡檢的遙控?zé)o人機(jī)主要分為3種類(lèi)型：多旋翼無(wú)人機(jī)、無(wú)人直升機(jī)和固定翼無(wú)人機(jī)[2-4]。其中，多旋翼無(wú)人機(jī)以其可定點(diǎn)懸停采集數(shù)據(jù)的特點(diǎn)被廣泛使用，但是其飛行速度慢，在一定的續(xù)航時(shí)長(zhǎng)下，覆蓋的輸電線路和輸電塔有限。另外，對(duì)一些分布在地形復(fù)雜和偏遠(yuǎn)地區(qū)的輸電塔來(lái)說(shuō)，工作人員靠近輸電塔的難度很大，且增加了巡檢的時(shí)間成本、人員成本以及資金成本。為此，迫切需要一種低成本、高可靠性的電力巡檢手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)難以到達(dá)的輸電塔群的巡檢。

本文提出基于垂起式固定翼無(wú)人機(jī)[5-6](以下簡(jiǎn)稱(chēng)垂起無(wú)人機(jī))的人工智能巡檢方法對(duì)偏遠(yuǎn)地區(qū)的輸電塔群進(jìn)行智能化巡檢。垂起無(wú)人機(jī)從車(chē)載平臺(tái)起飛，采用慣性與衛(wèi)星定位組合導(dǎo)航的方法對(duì)方圓20 km內(nèi)位置已知的多個(gè)輸電塔實(shí)現(xiàn)快速自動(dòng)化巡檢。在巡檢過(guò)程中垂起無(wú)人機(jī)以固定翼狀態(tài)對(duì)輸電塔進(jìn)行精確的繞圈飛行，使用搭載在垂起無(wú)人機(jī)上的側(cè)向捷聯(lián)式成像設(shè)備對(duì)輸電線路和輸電塔進(jìn)行360°監(jiān)視。此外，本文對(duì)該方案在回路仿真系統(tǒng)里進(jìn)行了仿真驗(yàn)證[7]。

1 垂起無(wú)人機(jī)智能化巡檢技術(shù)方案

垂起無(wú)人機(jī)偏遠(yuǎn)輸電塔群巡檢系統(tǒng)包括垂起無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)、側(cè)視捷聯(lián)成像模塊以及無(wú)人機(jī)導(dǎo)航控制系統(tǒng)3個(gè)部分。

垂起無(wú)人機(jī)不但兼具多旋翼無(wú)人機(jī)可垂直起飛和降落、定點(diǎn)懸停、速度快、覆蓋范圍廣的特點(diǎn)，而且續(xù)航時(shí)間和負(fù)重能力都較強(qiáng)。選擇垂起無(wú)人機(jī)的固定翼模式來(lái)進(jìn)行繞圈飛行，利用側(cè)向的低成本捷聯(lián)式工業(yè)相機(jī)完成對(duì)輸電塔的長(zhǎng)時(shí)間有效繞圈巡檢。與旋翼模式相比，垂起無(wú)人機(jī)減少了機(jī)載電源電量損耗，這也是選擇垂起無(wú)人機(jī)作為飛行平臺(tái)的根本原因。

1.1 垂起無(wú)人機(jī)智能化巡檢工作流程

執(zhí)行巡檢任務(wù)時(shí)，操作人員將巡檢任務(wù)涉及到的所有輸電塔的位置坐標(biāo)作為自動(dòng)飛行航點(diǎn)寫(xiě)入到飛行任務(wù)中，垂起無(wú)人機(jī)從停放的地面檢修車(chē)上垂直起飛，如圖1所示。垂起無(wú)人機(jī)在起飛過(guò)程中從多旋翼狀態(tài)切換至固定翼狀態(tài)后開(kāi)始進(jìn)行航點(diǎn)飛行。垂起無(wú)人機(jī)在飛向下一個(gè)輸電塔的過(guò)程中，會(huì)實(shí)時(shí)判斷自身與輸電塔之間的距離，當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)定的安全距離后，無(wú)人機(jī)會(huì)根據(jù)相對(duì)距離矢量與當(dāng)前速度矢量的關(guān)系做出判斷，避免與輸電塔進(jìn)行交匯，然后從輸電塔的一側(cè)進(jìn)入繞圈航線，根據(jù)輸電塔的位置信息以及預(yù)設(shè)的繞圈半徑和高度控制無(wú)人機(jī)圍繞輸電塔，并進(jìn)行繞圈監(jiān)測(cè)。

圖1 基于垂起無(wú)人機(jī)的輸電塔群智能化巡檢過(guò)程

垂起無(wú)人機(jī)巡檢的詳細(xì)工作流程如圖2所示。在第2個(gè)判斷環(huán)節(jié)，如果預(yù)設(shè)的高度和繞圈半徑不合適，可以通過(guò)在安全范圍內(nèi)調(diào)整高度和繞圈半徑,起到對(duì)側(cè)視捷聯(lián)相機(jī)拍攝角度和距離的調(diào)整。

圖2 垂起無(wú)人機(jī)智能化巡檢工作流程

1.2 側(cè)視捷聯(lián)成像模塊

側(cè)視捷聯(lián)成像模塊為可見(jiàn)光制式，固定安裝在垂起無(wú)人機(jī)的側(cè)面，光軸位于垂起無(wú)人機(jī)機(jī)體坐標(biāo)系Obxbybzb的Obxbyb平面內(nèi)，垂直于Obxb軸，相機(jī)參數(shù)如表1所示。該成像模塊在巡檢過(guò)程中負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)拍攝輸電線纜的測(cè)試圖像信息和輸電塔的360°圖像信息。本文中選用英偉達(dá)的Jetson TX2作為圖像處理模塊。受限于圖像壓縮算法的運(yùn)行性能，方案中圖像的幀率為25～30幀/s。

表1 ?？禉C(jī)器人工業(yè)相機(jī)參數(shù)

垂起無(wú)人機(jī)導(dǎo)航控制采用的是慣性測(cè)量單元與衛(wèi)星導(dǎo)航組合導(dǎo)航控制，而且沒(méi)有地形高度信息，無(wú)人機(jī)飛行過(guò)程中使用的高度是根據(jù)氣壓高度和衛(wèi)星定位高度融合的高度，精度為3～5 m，所以在圍繞輸電塔進(jìn)行定高盤(pán)旋飛行時(shí)，高度難免有較大偏差。在側(cè)向捷聯(lián)相機(jī)獲取到輸電塔的圖像中，可以根據(jù)輸電塔主體在圖像坐標(biāo)系的像素位置計(jì)算出視線高低角λv。然后，根據(jù)視線高低角計(jì)算出需要的高度補(bǔ)償，對(duì)定高高度進(jìn)行修正，從而保證輸電塔主體一直處于側(cè)向畫(huà)面的中間，實(shí)現(xiàn)較好的巡檢效果。此外，也可根據(jù)輸電塔主體在側(cè)向圖像中的視線方位角λh對(duì)繞圈中心進(jìn)行微調(diào)。視線高低角和視線方位角的計(jì)算連同圖像采集、壓縮等功能均在英偉達(dá)的Jetson TX2圖像處理模塊中實(shí)現(xiàn)。

1.3 垂起無(wú)人機(jī)繞圈控制方法

一般情況下，根據(jù)圖3中左側(cè)示意圖可知，在指定L和R后，可根據(jù)無(wú)人機(jī)的實(shí)時(shí)速度(無(wú)人機(jī)的一般巡航速度)計(jì)算出一個(gè)側(cè)向的期望加速度來(lái)控制無(wú)人機(jī)圍繞O點(diǎn)進(jìn)行繞圈飛行。

圖3 垂起無(wú)人機(jī)繞點(diǎn)定高盤(pán)旋圖

L=2Rsinη

(1)

(2)

(3)

圖3中，如果無(wú)人機(jī)繞圈定高中心存在誤差，即輸電塔主體在側(cè)向圖像中的視線方位角λ不為零?？闪瞀?η0+λh對(duì)繞圈中心進(jìn)行微調(diào)。一般情況下，因?yàn)槎ǜ咧行氖菍?shí)測(cè)輸電塔中心的經(jīng)緯度，誤差幾乎為零，所以不建議長(zhǎng)時(shí)間使用視線方位角對(duì)其進(jìn)行修正。對(duì)定高高度的補(bǔ)償可通過(guò)測(cè)量的實(shí)現(xiàn)高低角λv計(jì)算出補(bǔ)償高度Δh=R·arctanλv。

本方案中垂起無(wú)人機(jī)的導(dǎo)航控制系統(tǒng)選擇Pixhawk開(kāi)源自駕儀，并對(duì)其進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，垂起無(wú)人機(jī)的繞圈控制方法位于其固定翼控制狀態(tài)中的側(cè)向飛行控制應(yīng)用層。

2 硬件在回路中的仿真過(guò)程

2.1 垂起無(wú)人機(jī)繞圈控制方法

硬件在回路仿真平臺(tái)軟件框架及實(shí)物圖如圖4所示。仿真系統(tǒng)使用X plane-10飛行模擬軟件，該軟件支持添加自定義地景、地面目標(biāo)模型與飛行器模型。X plane-10可模擬飛行器光學(xué)采集設(shè)備進(jìn)行圖像采集，支持調(diào)整圖像分辨率。采用Q Ground Control(QGC)開(kāi)源地面站對(duì)飛行器數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，并且支持Pixhawk與X plane-10的硬件在回路中的仿真功能。圖4中Pixhawk2自駕儀與TX2底層使用UART串口通信，傳輸協(xié)議為Fast RTPS協(xié)議。自駕儀中搭載Nuttx操作系統(tǒng)，使用uORB進(jìn)行各應(yīng)用間的消息傳遞管理。圖像采集卡獲取可視化飛行模擬電腦中飛行模擬軟件的界面信息(仿真無(wú)人機(jī)的側(cè)向圖像信息)后傳遞給Jetson TX2進(jìn)行處理。Jetson TX2作為仿真平臺(tái)中的核心模塊之一，安裝Ubuntu操作系統(tǒng)，運(yùn)行圖像采集、目標(biāo)跟蹤、圖像壓縮與傳輸、數(shù)據(jù)處理、線程控制等程序，并在目標(biāo)跟蹤軟件里對(duì)輸電塔的視線高低角和視線方位角進(jìn)行計(jì)算。

本文選取機(jī)場(chǎng)的塔臺(tái)作為模擬繞圈目標(biāo)，如圖5所示，并對(duì)其進(jìn)行繞圈飛行仿真,繞圈航跡為黃色虛線圈所示，黃色實(shí)線圈中為無(wú)人機(jī)。

(a)(b)圖4 硬件在回路仿真系統(tǒng)中的流程及實(shí)物圖

(a)(b)圖5 機(jī)場(chǎng)控制塔臺(tái)-硬件在回路仿真模擬繞圈目標(biāo)

2.2 仿真結(jié)果分析

在硬件回路仿真中，仿真無(wú)人機(jī)圍繞塔臺(tái)以相對(duì)高度60 m，半徑50 m進(jìn)行繞圈飛行，無(wú)人機(jī)的巡航空速約為16 m/s。期間，通過(guò)采用塔臺(tái)某一位置在無(wú)人機(jī)側(cè)向圖像中的高低視線角信息對(duì)無(wú)人機(jī)的繞圈高度進(jìn)行補(bǔ)償，使塔臺(tái)位置可以處于無(wú)人機(jī)側(cè)向圖像的中間區(qū)域，仿真數(shù)據(jù)如圖6所示。圖6(a)為無(wú)人機(jī)高度曲線;圖6(b) 無(wú)人機(jī)滾轉(zhuǎn)姿態(tài)曲線; 圖6(c)無(wú)人機(jī)俯仰姿態(tài)曲線。

(a)

(b)

(c)圖6 仿真數(shù)據(jù)

從圖6可知，仿真無(wú)人機(jī)可以在設(shè)定的60 m相對(duì)高度穩(wěn)定地以27°滾轉(zhuǎn)角和4°的俯仰角繞塔臺(tái)進(jìn)行半徑為50 m的繞圈飛行。圖6(a)中的高度為海拔高度，仿真位置的海拔高度為28 m，所以以60 m相對(duì)高度飛行時(shí)，顯示出來(lái)的融合高度約為88 m。從圖6(b)和圖6(c)可以看出，無(wú)人機(jī)飛行姿態(tài)穩(wěn)定，且姿態(tài)控制效果良好。

此外，圖6還包含了使用視線高低角進(jìn)行飛行高度補(bǔ)償?shù)臏y(cè)試，從圖6(a)可以看出期望的高度從88 m變?yōu)?8 m，同時(shí)圖6(b)和圖6(c)中的滾轉(zhuǎn)和俯仰姿態(tài)均作了調(diào)整。圖6(c)中無(wú)人機(jī)在爬升過(guò)程中為了保持繞圈半徑滾轉(zhuǎn)姿態(tài)做了5°以內(nèi)的調(diào)整。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文基于垂起無(wú)人機(jī)提出對(duì)偏遠(yuǎn)地區(qū)的輸電塔群進(jìn)行智能化巡檢的方法。垂起無(wú)人機(jī)的多旋翼模式可用于起降以及懸停后對(duì)某一點(diǎn)的檢測(cè)。垂起無(wú)人機(jī)以固定翼狀態(tài)圍繞輸電塔進(jìn)行繞圈飛行時(shí)，可通過(guò)搭載側(cè)向捷聯(lián)成像設(shè)備獲取穩(wěn)定的側(cè)向圖像信息來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸電塔的檢測(cè)。此外，垂起無(wú)人機(jī)的固定翼模式可以以更小的耗能來(lái)實(shí)現(xiàn)大范圍的覆蓋，完成對(duì)多個(gè)輸電塔的快速巡檢。本文在仿真系統(tǒng)中已經(jīng)將相關(guān)算法在性能可靠的硬件平臺(tái)上應(yīng)用，完全具備搭載在無(wú)人機(jī)上飛行并完成巡檢的能力。