山區(qū)無人機(jī)巡線避障技術(shù)研究與應(yīng)用

劉旋

摘要：近年來，經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，我國的綜合國力的發(fā)展也有了改善。隨著三維空間數(shù)據(jù)采集手段和數(shù)據(jù)處理方法不斷提高，為電力巡線數(shù)據(jù)采集和分析帶來了極大便利。介紹了機(jī)載三維激光雷達(dá)技術(shù)的系統(tǒng)組成及工作原理，以四川簡陽某地高壓線無人機(jī)巡檢項(xiàng)目為例，通過作業(yè)流程與數(shù)據(jù)處理，分析了機(jī)載雷達(dá)在電力巡線中的綜合應(yīng)用。機(jī)載LIDAR系統(tǒng)的三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)較為密集，每平方米均可達(dá)到百個(gè)以上，數(shù)據(jù)采集精度可達(dá)0.1m。

關(guān)鍵詞：電力巡線;無人機(jī);實(shí)時(shí)避障;方法研究

引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國電網(wǎng)規(guī)模快速擴(kuò)展，幾乎覆蓋了我國的每個(gè)角落，偏遠(yuǎn)、山區(qū)等地區(qū)也實(shí)現(xiàn)了通電，這使得發(fā)電量與輸電量也不斷提高。面對(duì)快速增加的電網(wǎng)規(guī)模，以及復(fù)雜多樣的輸電環(huán)境，遠(yuǎn)距離超、高壓輸電成為電力企業(yè)的核心業(yè)務(wù)。在復(fù)雜的輸電環(huán)境下，受到氣候、山川、河流等環(huán)境因素的影響，遠(yuǎn)距離超、高壓輸電線路與設(shè)備容易產(chǎn)生破損、老化等損壞現(xiàn)象，給電力輸送帶來隱患。因此為保障電力輸送的穩(wěn)定運(yùn)行，就必須對(duì)輸電線路進(jìn)行定期巡檢，及時(shí)掌握輸電線路的運(yùn)行情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并排除隱患。傳統(tǒng)的人工巡檢面臨地理環(huán)境、氣候環(huán)境等諸多因素的干擾，容易形成巡檢“盲區(qū)”，這就需要一種高效的、智能的新方式，而無人機(jī)的應(yīng)用，為其提供了可能。

1電力巡線無人機(jī)實(shí)時(shí)避障技術(shù)方案分析

在電力巡線過程中，根據(jù)環(huán)境條件和業(yè)務(wù)需要，無人機(jī)可搭載不同的設(shè)備進(jìn)行巡線，完成對(duì)應(yīng)的任務(wù)。對(duì)于遠(yuǎn)距離超、高壓輸電線路而言，山川、樹木、建筑物等可見障礙物外，還有非可預(yù)見性障礙，這些都需要采取針對(duì)性的避障技術(shù)完成無人機(jī)巡線。對(duì)于已知可見障礙物，可以通過采取無人機(jī)路徑規(guī)劃巡線方案，在巡線前完成路徑規(guī)劃。對(duì)于未知障礙物因素，則需要采取實(shí)時(shí)避障的方法，利用空間環(huán)境信息處理來完成巡線。對(duì)未知故障的無人機(jī)巡線中，要先根據(jù)輸電線路的實(shí)際情況，提前設(shè)計(jì)好對(duì)輸電線路的自主避障，估計(jì)出無人機(jī)與輸電線路的相對(duì)距離，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸電線路的實(shí)時(shí)避障。對(duì)于其他未知的障礙物，則需要借助無人機(jī)上的激光雷達(dá)傳感器、超聲波傳感器、視覺傳感器、GPS等設(shè)備，獲取無人機(jī)巡線中障礙物的相關(guān)數(shù)據(jù)信息，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理和控制策略確定，通過無人機(jī)飛行控制器來控制無人機(jī)飛行方向與速度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)無人機(jī)飛行路徑的有效控制。

2數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理

2.1數(shù)據(jù)采集流程

機(jī)載激光雷達(dá)主要包括激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集和POS定位定姿航向數(shù)據(jù)采集，其中POS最為重要。POS的數(shù)據(jù)精度直接決定了三維激光點(diǎn)云的數(shù)據(jù)精度，可以說高精度的POS數(shù)據(jù)是獲取高精度三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)。（1）航線設(shè)計(jì)：航線設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該考慮到地形的起伏、荷載無人機(jī)飛行高度、飛行速度等因素。如果遇到地形起伏比較大的地塊，航線設(shè)計(jì)應(yīng)盡量在目視范圍內(nèi)，無人機(jī)飛行的高度和速度決定掃描點(diǎn)云的點(diǎn)間距。在上述因素全部考慮到航線設(shè)計(jì)中后，提前將軌跡線路導(dǎo)入飛控系統(tǒng)中并進(jìn)行航線驗(yàn)證，并確定飛行任務(wù)結(jié)束后無人機(jī)的動(dòng)作，以保證整個(gè)飛行架次的安全。（2）參數(shù)設(shè)置：機(jī)載LiDAR的參數(shù)包含相機(jī)參數(shù)和激光器的參數(shù)。根據(jù)電力巡線高度和跨度，選擇最大脈沖頻率、最大掃描頻率、最大視場角以及慣性定位和定向系統(tǒng)等參數(shù)。（3）精度收斂：進(jìn)行精度收斂時(shí)應(yīng)該選擇開闊的場景進(jìn)行，一是對(duì)BDS信號(hào)沒有遮擋，二是保證飛行器能有足夠的安全空間進(jìn)行動(dòng)態(tài)動(dòng)作。動(dòng)態(tài)動(dòng)作最好是進(jìn)行“8”字形運(yùn)動(dòng)，這一步驟將會(huì)直接影響到系統(tǒng)誤差收斂和達(dá)到標(biāo)稱的精度，LiDAR系統(tǒng)會(huì)利用這一過程對(duì)IMU線性誤差、IMU常值誤差、IMU溫度誤差、IMU安裝偏差角誤差等多種誤差進(jìn)行評(píng)估、修正。（4）測區(qū)數(shù)據(jù)采集：完成了精度收斂步驟后，采集數(shù)據(jù)系統(tǒng)直接對(duì)待測區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

2.2數(shù)據(jù)處理流程

機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)的處理主要有POS數(shù)據(jù)處理和點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理，通過自動(dòng)化軟件進(jìn)行處理，獲得配電線路巡檢所需的各項(xiàng)報(bào)告成果。電力數(shù)據(jù)處理流程分為點(diǎn)云處理、巡檢報(bào)告的生成兩大塊。點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理整體步驟如圖2所示，具體步驟如下：（1）點(diǎn)云濾波。濾掉原始采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的大量散列點(diǎn)、孤立點(diǎn)。（2）提取關(guān)鍵點(diǎn)。點(diǎn)云數(shù)據(jù)關(guān)鍵點(diǎn)即特征點(diǎn)，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度起到控制作用。（3）根據(jù)POS輸出的高精度軌跡數(shù)據(jù)，自動(dòng)生成激光點(diǎn)云。（4）全景影像和激光點(diǎn)云的配準(zhǔn)，并對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行著色.

3解決無人機(jī)電力巡線的智能避障建議

針對(duì)上述無人機(jī)電力巡線在飛行過程中遇到的障礙困難，論文參考一些文獻(xiàn)資料，提出以下建議。

3.1擴(kuò)大超聲波的適用范圍

擴(kuò)大超聲波的適用范圍，在適用的過程中感應(yīng)速度和精度都需要提高。尤其在超聲波主動(dòng)測試的過程中，需要提高超聲波的精度，避免障礙物較遠(yuǎn)超聲波過弱精度降低。超聲波在主動(dòng)發(fā)射時(shí)盡量降低對(duì)反射物體的要求。盡可能提升超聲波的技術(shù)，使超聲波在大風(fēng)條件或者是海綿吸附的條件下也能夠使用。不僅如此，在主動(dòng)測試過程中，盡可能提升超聲波的技術(shù)，避免兩臺(tái)機(jī)器之間的相互干擾，擴(kuò)大超聲波的適用范圍。

3.2促進(jìn)激光技術(shù)成熟

需要促進(jìn)激光技術(shù)的發(fā)展越來越成熟，激光技術(shù)雖然只是位移的傳感器，只能給出一個(gè)測距值，但也需要盡可能提高激光技術(shù)的發(fā)展技術(shù)水平，尤其是激光技術(shù)的波束非常窄，可以通過多個(gè)多束激光組成雷達(dá)。需要提高激光技術(shù)的精度和抗干擾能力，并且尤其是提高激光元件的技術(shù)。在目前的發(fā)展水平中需要增加與其他國家的技術(shù)交流，提升激光元件的技術(shù)，避免激光元件價(jià)格貴，降低激光技術(shù)的使用能耗和激光技術(shù)的使用成本。

3.3減少紅外避障技術(shù)干擾

紅外線的避障技術(shù)也需要降低對(duì)受反射物體的要求，提高紅外線技術(shù)，避免紅外線容易被吸收。尤其需提高對(duì)一些黑色物體或者會(huì)穿透的透明物體之間的抗干擾能力。這樣一來，才能夠提高紅外線避障技術(shù)的精度。不僅如此，紅外線技術(shù)雖然只是單點(diǎn)測距獲得特定方向上的距離數(shù)據(jù)，要提高紅外線技術(shù)的測試水平，除此之外紅外線的避障技術(shù)雖然也采取了主動(dòng)測距的方式，但是需要盡可能避免兩臺(tái)機(jī)器之間相互產(chǎn)生干擾的問題。

3.4促進(jìn)“大疆無人機(jī)”避障技術(shù)發(fā)展深入

促進(jìn)“大疆無人機(jī)”中的精靈4Pro上的五向避障技術(shù)的發(fā)展水平更加深入。能夠?qū)懗鲇行У囊曈X識(shí)別或者地圖重構(gòu)的算法，也能夠在無人機(jī)上提高自身計(jì)算能力的同時(shí)降低損耗，保證無人機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)“大疆無人機(jī)”精靈4Pro上的五向避障技術(shù)也需要提高計(jì)算和數(shù)據(jù)儲(chǔ)存能力，同時(shí)提高自身的續(xù)航能力。不僅如此，也需要處理好功能的邊界，在視覺受限的情況下也需要保證功能正常運(yùn)行。

結(jié)語

無人機(jī)巡線的實(shí)踐應(yīng)用領(lǐng)域，不僅要考慮到輸電線環(huán)境中的客觀障礙物，還需要考慮到不可見障礙物，這就需要無人機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)避障功能，選擇合理的算法，估計(jì)出無人機(jī)與輸電線間位置關(guān)系的最優(yōu)無碰撞路徑，這就需要運(yùn)用到模糊控制方法，采用模糊控制避障決策，完成高質(zhì)量的無人機(jī)巡線。

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