無公網(wǎng)覆蓋區(qū)域配網(wǎng)無人機(jī)自動(dòng)駕駛巡檢技術(shù)研究

陳紹南，陳千懿，肖靜，歐陽健娜，李欣桐

（廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣西南寧 530023）

無人機(jī)巡檢技術(shù)具有巡檢效率高、巡檢成本低等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于配網(wǎng)巡檢領(lǐng)域。無人機(jī)在完成自動(dòng)駕駛巡檢工作時(shí)，對(duì)巡檢區(qū)域的環(huán)境因素十分關(guān)注。電路的短路斷路、超高樹木、違章建筑等其他行為都會(huì)影響無人機(jī)自動(dòng)駕駛巡檢操作，影響噪聲信號(hào)的獲取，甚至對(duì)于巡檢行為存在安全威脅[1-2]。無人機(jī)自動(dòng)駕駛巡檢技術(shù)作為我國實(shí)時(shí)研究的熱點(diǎn)，傳感器是巡檢技術(shù)研究的核心內(nèi)容，它能夠聯(lián)絡(luò)并指揮無人機(jī)完成巡檢工作，但對(duì)無公網(wǎng)覆蓋區(qū)域的局域網(wǎng)信號(hào)獲取存在一定影響，是無人機(jī)自動(dòng)駕駛巡檢技術(shù)待解決的問題。無公網(wǎng)覆蓋區(qū)域因?yàn)榈乩砦恢煤托盘?hào)的影響，仍然采用人工巡檢方式，在巡檢過程中，由于人員行為的限制，存在巡檢死角，導(dǎo)致巡檢遺漏，嚴(yán)重影響配網(wǎng)安全[3-4]。

為此，該文通過構(gòu)建無公網(wǎng)覆蓋區(qū)域配網(wǎng)無人機(jī)自動(dòng)駕駛感知模型代替信號(hào)源獲取方式，進(jìn)行配網(wǎng)無人機(jī)自動(dòng)駕駛巡檢操作，保證區(qū)域配網(wǎng)的安全運(yùn)行。

1 無人機(jī)自動(dòng)駕駛感知模型

該文從整體化、系統(tǒng)化角度出發(fā)，通過與無人機(jī)無線充電平臺(tái)、缺陷識(shí)別大數(shù)據(jù)平臺(tái)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)配網(wǎng)巡檢中的智能控制與缺陷快速分析，大大提升用戶對(duì)配網(wǎng)輸電線路巡檢效率，以及即時(shí)發(fā)現(xiàn)、定位、消除缺陷的能力。無人機(jī)智能作業(yè)流程如圖1所示。

圖1 無人機(jī)智能作業(yè)流程

根據(jù)圖1 可知，作業(yè)管控平臺(tái)作為核心控制平臺(tái)，與缺陷智能分析子系統(tǒng)、監(jiān)控中心、地面工作站以及自主巡檢子系統(tǒng)相連接。各部分功能如下：

監(jiān)控中心：能夠?qū)崿F(xiàn)作業(yè)實(shí)時(shí)監(jiān)控、機(jī)巡成果展示。

作業(yè)管控平臺(tái)：能夠?qū)崿F(xiàn)航線規(guī)劃、任務(wù)管理、任務(wù)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)管理、缺陷管理以及巡檢報(bào)告生成。

缺陷智能分析子系統(tǒng)：能夠進(jìn)行故障分析、設(shè)備缺陷分析以及安全隱患分析。

地面工作站：能夠?qū)崿F(xiàn)離線作業(yè)支撐、生成缺陷就地智能分析報(bào)告。

自主巡檢子系統(tǒng)：能夠?qū)崿F(xiàn)任務(wù)下載、一鍵起飛作業(yè)以及斷點(diǎn)續(xù)飛突發(fā)狀況人工干預(yù)。

機(jī)載儀器：包括高清可見光相機(jī)、紅外相機(jī)以及氣體分析儀。

無公網(wǎng)覆蓋區(qū)域內(nèi)沒有信號(hào)的交流，因此，需要在此區(qū)域內(nèi)構(gòu)建無人機(jī)自動(dòng)駕駛感知模型代替信號(hào)的作用，完成無人機(jī)自動(dòng)駕駛巡檢操作[5-7]。兩個(gè)器件的感知原理相同，都是通過光線之間的物理反應(yīng)，形成特定的形體，完成信息感知。激光雷達(dá)可以傳遞出飛行器一定距離內(nèi)的障礙物信息、配網(wǎng)站點(diǎn)信息和飛行狀態(tài)信息，信息感知的過程是器件對(duì)脈沖波對(duì)應(yīng)的回波進(jìn)行放大分析，完成感知。傳感器主要傳遞無人機(jī)捕獲的圖像信息，工作原理是通過向需要獲取的物品發(fā)射激光，通過光束反射的投影，可以感知并獲取站點(diǎn)的信息[7-8]。

具體無公網(wǎng)覆蓋區(qū)域配網(wǎng)無人機(jī)自動(dòng)駕駛感知模型的建立過程如下：

首先將激光雷達(dá)和傳感器的感知等級(jí)進(jìn)行同化，以傳感器相對(duì)于無人機(jī)中心的位置O(x,y)為原點(diǎn)建立一個(gè)三維坐標(biāo)系，部署傳感器的感知屬性，具體模型如下：

其中，向量C表示傳感器感知無人機(jī)自動(dòng)駕駛的主感方向；α表示傳感器相對(duì)于水平的角度；β表示傳感器水平旋轉(zhuǎn)的極值角度；R和r表示傳感器有效的最遠(yuǎn)感知距離和最近感知距離[9-10]。

其次，通過加權(quán)算法對(duì)傳感器感知的圖像模型進(jìn)一步具體化，將無人機(jī)有效覆蓋面積平均分成多個(gè)大小相同的格子，根據(jù)屬性模型內(nèi)的云數(shù)據(jù)量對(duì)照點(diǎn)進(jìn)行布置，根據(jù)實(shí)際的無人機(jī)駕駛環(huán)境感知圖像的插值半徑[11-12]。

最后，將無人機(jī)自動(dòng)駕駛感知信息進(jìn)行加權(quán)歸一化處理，構(gòu)建一個(gè)完整的感知模型，模型表示如下：

其中，xa、ya分別表示水平坐標(biāo)系中的橫向與縱向坐標(biāo)；Za表示感知對(duì)象中斜線的坡度；I表示感知對(duì)象中曲線上點(diǎn)的曲率；di表示無人機(jī)駕駛的切線轉(zhuǎn)角；k表示無人機(jī)駕駛航線的弧長(zhǎng)。

2 無人機(jī)自動(dòng)駕駛巡檢技術(shù)

2.1 無人機(jī)自動(dòng)駕駛建模航線控制算法

配網(wǎng)無人機(jī)自動(dòng)駕駛巡檢技術(shù)的性能通過巡檢有效覆蓋面積進(jìn)行驗(yàn)證，因此無人機(jī)自動(dòng)駕駛的航線規(guī)劃尤為重要，為了提高無人機(jī)自動(dòng)駕駛巡檢的工作效率，通過結(jié)合載波相位差分高精度定位技術(shù)完成無人機(jī)自動(dòng)駕駛建模航線控制算法的分析[13-14]。無人機(jī)在自動(dòng)駕駛過程中，不可預(yù)測(cè)的風(fēng)力、其他無人機(jī)的干擾、通信信號(hào)中斷、天氣原因都可能導(dǎo)致無人機(jī)在巡檢中出現(xiàn)偏差。一旦出現(xiàn)較小的偏差，就會(huì)導(dǎo)致巡檢的軌跡出現(xiàn)變化，影響巡檢的覆蓋面積。因此，必須在無人機(jī)內(nèi)置自動(dòng)駕駛建模航線的控制算法，保證無人機(jī)巡檢路線的規(guī)范性[15-16]。激光雷達(dá)掃描示意圖如圖2 所示。

圖2 激光雷達(dá)掃描示意圖

為了提高控制算法數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確度，首先設(shè)置無人機(jī)與配網(wǎng)線路之間的水平安全距離Ha和垂直安全距離Da，具體計(jì)算公式如下所示：

其中，Ha表示自動(dòng)駕駛時(shí)車輛中心與無人機(jī)保持的水平距離長(zhǎng)度，單位為m；L表示配網(wǎng)桿塔最長(zhǎng)的橫擔(dān)長(zhǎng)度，單位為m；n表示配網(wǎng)線路的安全距離，單位為m；Da表示無人機(jī)與水平地面之間的垂直安全距離，單位為m；H表示配網(wǎng)結(jié)構(gòu)的高度，單位為m；θ表示自動(dòng)駕駛無人機(jī)與配電網(wǎng)之間的射程角度，單位為rad。巡檢路徑如圖3 所示。

圖3 巡檢路徑

根據(jù)巡檢路徑，同時(shí)附屬一個(gè)控制指令，一旦無人機(jī)在行駛過程中出現(xiàn)偏差，立即作出調(diào)整，保證無人機(jī)自動(dòng)駕駛巡檢的安全，控制算法的計(jì)算公式如下所示：

其中，i表示無人機(jī)的循環(huán)巡檢飛行次數(shù)；其他未知數(shù)的意義同上。

2.2 無人機(jī)自動(dòng)駕駛精細(xì)化巡檢航線控制算法

定義無人機(jī)自動(dòng)駕駛巡檢的各個(gè)信息點(diǎn)關(guān)聯(lián)計(jì)算公式如下所示：

其中，l1、l2分別表示在磁場(chǎng)干擾下，保持無人機(jī)操控系統(tǒng)正常工作條件下至線路兩側(cè)邊導(dǎo)線的最小安全距離，單位為m；l3、l4分別表示在電場(chǎng)干擾下，保持無人機(jī)操控系統(tǒng)正常工作條件下至線路兩側(cè)邊導(dǎo)線的最小安全距離，單位為m；x1表示允許風(fēng)速條件下瞬時(shí)導(dǎo)致無人機(jī)偏離航點(diǎn)的最大距離，單位為m；x2表示規(guī)劃航點(diǎn)與無人機(jī)GPS 定位儀數(shù)據(jù)實(shí)際位置的距離誤差，單位為m；v表示無人機(jī)巡檢的飛行速度，單位為m/s；t表示無線通信系統(tǒng)最長(zhǎng)延時(shí)，單位為s；a1表示多旋翼無人機(jī)軸距與半螺旋槳長(zhǎng)度之和，單位為m。

通過以上公式即可計(jì)算出需要巡檢配網(wǎng)的精細(xì)化巡檢路徑，上傳到無人機(jī)自動(dòng)駕駛指揮中心，完成巡檢路線的規(guī)劃。

3 實(shí)驗(yàn)研究

為了檢驗(yàn)以上技術(shù)的效果是否滿足配網(wǎng)無人機(jī)自動(dòng)駕駛巡檢領(lǐng)域的工作規(guī)范，進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

測(cè)試采用基于GPS 技術(shù)的無公網(wǎng)覆蓋區(qū)域配網(wǎng)無人機(jī)自動(dòng)駕駛巡檢技術(shù)（對(duì)應(yīng)無人機(jī)2 號(hào)）和基于系統(tǒng)指揮的無公網(wǎng)覆蓋區(qū)域配網(wǎng)無人機(jī)自動(dòng)駕駛巡檢技術(shù)（對(duì)應(yīng)無人機(jī)3 號(hào)），共同輔助完成對(duì)比實(shí)驗(yàn)的測(cè)試，保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的科學(xué)性和可行性。根據(jù)該文巡檢技術(shù)設(shè)計(jì)的理念，對(duì)比實(shí)驗(yàn)測(cè)試仿真環(huán)境是長(zhǎng)春市寬城區(qū)無公網(wǎng)覆蓋的某一區(qū)域，規(guī)定無人機(jī)自動(dòng)駕駛巡檢的高度為30 m，巡檢面積為100 000 m2，建立無人機(jī)自動(dòng)駕駛的飛行約束根據(jù)實(shí)際的地理位置確定，在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行前，工作人員準(zhǔn)備好測(cè)試需要用到的計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)測(cè)試儀器、應(yīng)急儀器等，避免影響實(shí)驗(yàn)的進(jìn)度。

實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)首先將3 種配網(wǎng)無人機(jī)自動(dòng)駕駛巡檢技術(shù)分別錄入統(tǒng)一型號(hào)的計(jì)算機(jī)內(nèi)，并將3 臺(tái)計(jì)算機(jī)連接3 個(gè)同一型號(hào)的無人機(jī)，無人機(jī)放在實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地的起始位置，同一時(shí)間觸發(fā)3 種技術(shù)，開始實(shí)驗(yàn)測(cè)試，在此過程中計(jì)算機(jī)全程實(shí)時(shí)記錄每個(gè)無人機(jī)的巡檢狀態(tài)以及飛行數(shù)據(jù)，一旦測(cè)試出現(xiàn)任何意外，立刻切斷電源，停止測(cè)試，保證人員在測(cè)試期間的安全。當(dāng)3 種巡檢技術(shù)全部向計(jì)算機(jī)發(fā)送相關(guān)巡檢數(shù)據(jù)后，結(jié)束測(cè)試，整理場(chǎng)地和實(shí)驗(yàn)器材，工作人員整理計(jì)算機(jī)記錄的數(shù)據(jù)，得出相關(guān)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)論，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析。巡檢面積實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1 所示。

表1 巡檢面積實(shí)驗(yàn)結(jié)果

按照以上設(shè)定的對(duì)比實(shí)驗(yàn)測(cè)試流程，將測(cè)試得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，整理得到的測(cè)試結(jié)論如下：

1）該文設(shè)計(jì)的配網(wǎng)無人機(jī)自動(dòng)駕駛巡檢技術(shù)有效的巡檢覆蓋面積為100 000 m2，采用基于GPS 技術(shù)的無公網(wǎng)覆蓋區(qū)域配網(wǎng)無人機(jī)自動(dòng)駕駛巡檢技術(shù)有效的巡檢面積為98 000 m2，采用基于系統(tǒng)指揮的無公網(wǎng)覆蓋區(qū)域配網(wǎng)無人機(jī)自動(dòng)駕駛巡檢技術(shù)的有效巡檢面積為97 387 m2；

2）綜合分析3 臺(tái)無人機(jī)的整個(gè)飛行數(shù)據(jù)，可以知道無人機(jī)1 號(hào)的飛行收斂高度平均值為29.98 m，無人機(jī)2 號(hào)的飛行收斂高度平均值為29 m，無人機(jī)3號(hào)的飛行收斂高度平均值為26 m；

3）無人機(jī)2 號(hào)最先完成整個(gè)無公網(wǎng)覆蓋區(qū)域的配網(wǎng)巡檢，無人機(jī)3 號(hào)則是完成巡檢任務(wù)最長(zhǎng)的機(jī)器；

4）無人機(jī)1 號(hào)在完成巡檢任務(wù)后，向計(jì)算機(jī)系統(tǒng)提交了4 個(gè)無公網(wǎng)覆蓋區(qū)域配網(wǎng)的安全隱患，無人機(jī)2 號(hào)提交了4 個(gè)安全隱患，無人機(jī)3 號(hào)提交了2個(gè)安全隱患，實(shí)驗(yàn)后經(jīng)過排查，該測(cè)試區(qū)域內(nèi)配網(wǎng)存在4 個(gè)安全隱患。

通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)測(cè)試的結(jié)論1）、2）、4），可以得出基于系統(tǒng)指揮的無公網(wǎng)覆蓋區(qū)域配網(wǎng)無人機(jī)自動(dòng)駕駛巡檢技術(shù)不是最佳的巡檢技術(shù)。衡量配網(wǎng)無人機(jī)自動(dòng)駕駛巡檢技術(shù)所附屬無人機(jī)的巡檢有效面積、巡檢收斂高度以及巡檢數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度可以得出實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)論，該文設(shè)計(jì)的無公網(wǎng)覆蓋區(qū)域配網(wǎng)無人機(jī)自動(dòng)駕駛巡檢技術(shù)是最佳的巡檢技術(shù)，巡檢的效率高、覆蓋面積廣、具有較高的收斂穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語

該文借助巡檢路徑控制算法和無人機(jī)自動(dòng)駕駛巡檢的感知模型完成無公網(wǎng)覆蓋區(qū)域配網(wǎng)無人機(jī)自動(dòng)駕駛巡檢，將無公網(wǎng)覆蓋區(qū)域配網(wǎng)巡檢操作由人工化更新為智能化，提高區(qū)域配網(wǎng)的巡檢效果，以便持續(xù)維護(hù)區(qū)域配網(wǎng)的運(yùn)行安全。在此基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一步分析無人機(jī)的飛行角度和飛行環(huán)境之間的內(nèi)在關(guān)系，使無人機(jī)在任何環(huán)境下的自動(dòng)駕駛巡檢達(dá)到更好的效果，提高配網(wǎng)無人機(jī)巡檢的穩(wěn)定性和覆蓋范圍。