電力巡線無(wú)人直升機(jī)障礙規(guī)避系統(tǒng)

鄭天茹 ，王濱海 ，3，劉 俍 ，王 騫 ，張晶晶

（1.山東電力研究院，山東 濟(jì)南 250002；2.國(guó)家電網(wǎng)公司電力機(jī)器人技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250002；3.山東魯能智能技術(shù)有限公司， 山東 濟(jì)南 250002）

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展對(duì)電力工業(yè)提出越來(lái)越高的要求。我國(guó)目前已形成華北、東北、華東、華中、西北和南方電網(wǎng)共6個(gè)跨省區(qū)電網(wǎng)，截至2010年110（66）kV及以上輸電線路已超過(guò)70萬(wàn)km。500 kV線路已成為各大電力系統(tǒng)的骨架和跨省、跨地區(qū)的聯(lián)絡(luò)線，電網(wǎng)發(fā)展滯后的矛盾得到緩解。由于我國(guó)國(guó)土遼闊，地形復(fù)雜，平原少、丘陵及山區(qū)較多，氣象條件復(fù)雜，瓷絕緣子質(zhì)量不夠穩(wěn)定等，為了安全和可靠地供電，巡線維護(hù)自動(dòng)化和現(xiàn)代化已日益顯示出其迫切性［1-3］。

采用無(wú)人機(jī)空中作業(yè)進(jìn)行電力巡線，能夠克服利用有人駕駛的直升機(jī)進(jìn)行巡線的維護(hù)費(fèi)用昂貴、安全問(wèn)題突出等弊端［4］，但無(wú)人機(jī)巡線過(guò)程中，難免會(huì)遇到交跨線、樹(shù)木、建筑物等障礙物，無(wú)人機(jī)巡線系統(tǒng)雖然具有3D程控飛行的技術(shù)，但是仍然欠缺應(yīng)對(duì)預(yù)期外障礙物的緊急避讓機(jī)制；無(wú)人機(jī)是通過(guò)GPS方式進(jìn)行導(dǎo)航的，由于GPS存在誤差，所以無(wú)人機(jī)在執(zhí)行任務(wù)的過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)偏離預(yù)定航向的情況，造成無(wú)人機(jī)與輸電線路或其他障礙物的發(fā)生碰撞［5］；在經(jīng)過(guò)交跨線時(shí)，如果無(wú)人機(jī)的飛行高度不夠，同樣存在與線路發(fā)生碰撞的危險(xiǎn)。因此，為了保障無(wú)人機(jī)巡線系統(tǒng)及輸電線路的安全，提升巡線作業(yè)的可靠性，有必要開(kāi)發(fā)一套無(wú)人機(jī)避障系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)巡線系統(tǒng)的自主避障功能。

1 測(cè)距方式的分類和選擇

超聲波測(cè)距、紅外測(cè)距、激光測(cè)距、微波雷達(dá)測(cè)距和毫米波雷達(dá)測(cè)距是目前比較常用的測(cè)距方式，通過(guò)對(duì)其測(cè)距原理的了解，紅外測(cè)距的范圍有限，而激光測(cè)距抗干擾能力較弱，超聲波方式雖然實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、抗干擾能力較強(qiáng)，但是具有一次測(cè)量距離較短的缺陷，均不適用于無(wú)人機(jī)避障系統(tǒng)［6-8］。微波雷達(dá)和毫米波雷達(dá)方式除具備超聲波方式抗干擾能力強(qiáng)、指向性強(qiáng)等特點(diǎn)外，還可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離的精確測(cè)距，其測(cè)量距離可達(dá)數(shù)百米，測(cè)量精度可達(dá)到厘米級(jí)，但毫米波雷達(dá)相對(duì)于微波雷達(dá)容易小型化，因此毫米波雷達(dá)更加適用于開(kāi)發(fā)無(wú)人機(jī)自主避障系統(tǒng)。此外，根據(jù)電力巡線無(wú)人機(jī)巡查目標(biāo)——輸電線路的特殊性，設(shè)計(jì)了根據(jù)電磁場(chǎng)強(qiáng)度的探測(cè)來(lái)判斷與輸電線路距離這一具有針對(duì)性、獨(dú)特性、創(chuàng)造性的測(cè)距方法。此方法的特性是：距離輸電線路越近，測(cè)距精度越高，可達(dá)厘米甚至毫米級(jí)別，尤其適用于電力巡線無(wú)人機(jī)在對(duì)輸電線路巡查時(shí)對(duì)輸電線路的規(guī)避。

毫米波（Millimeter Wave）的工作頻率介于微波和光之間，波長(zhǎng)為1～10 mm，因此兼有兩者的優(yōu)點(diǎn)。它具有極寬的帶寬：26.5～300 GHz，帶寬高達(dá)273.5 GHz，超過(guò)從直流到微波全部帶寬的10倍；波束窄，因此可以分辨相距更近的小目標(biāo)或者更為清晰地觀察目標(biāo)的細(xì)節(jié)；傳播受氣候的影響要小得多，可以認(rèn)為具有全天候特性；易小型化。因此利用毫米波雷達(dá)測(cè)距可滿足無(wú)人機(jī)自主避障系統(tǒng)的要求。高精度電磁場(chǎng)檢測(cè)傳感器/系統(tǒng)可根據(jù)各種磁傳感器的工作范圍和使用條件不同，選擇幾種進(jìn)行組合使用，以達(dá)到輸電線路周圍磁場(chǎng)檢測(cè)精度和穩(wěn)定性的要求，以及無(wú)人機(jī)對(duì)于所搭載設(shè)備的重量、抗震、抗干擾等多方面的要求。

2 電力巡線無(wú)人直升機(jī)超低空飛行障礙規(guī)避系統(tǒng)設(shè)計(jì)

無(wú)人機(jī)避障系統(tǒng)由機(jī)載的信號(hào)采集模塊和機(jī)載飛控的緊急避障模塊組成。機(jī)載的高精度電磁場(chǎng)檢測(cè)傳感器、高性能測(cè)距傳感器與飛控緊急避讓模塊可實(shí)現(xiàn)主動(dòng)避讓方式；視覺(jué)傳感器與后臺(tái)的分析識(shí)別模塊可實(shí)現(xiàn)輔助判斷避讓方式。測(cè)距傳感器和電磁場(chǎng)檢測(cè)傳感器均與信號(hào)預(yù)處理模塊連接，視覺(jué)傳感器與視覺(jué)信號(hào)處理模塊連接，信號(hào)預(yù)處理模塊和視覺(jué)信號(hào)處理模塊通過(guò)通訊端口與緊急避障模塊連接，緊急避障模塊與無(wú)人機(jī)動(dòng)力裝置連接。系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 避障系統(tǒng)框架圖

2.1 毫米波雷達(dá)測(cè)距

2.1.1 測(cè)距傳感器

測(cè)距傳感器信號(hào)先經(jīng)過(guò)預(yù)處理模塊，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并將周圍的環(huán)境信息封裝為通訊報(bào)文或其他形式，經(jīng)通訊端口，將數(shù)據(jù)提供給飛控的緊急避障模塊。飛控的緊急避障模塊負(fù)責(zé)對(duì)環(huán)境信息進(jìn)行分析計(jì)算，并判斷是否要進(jìn)行避障行為，同時(shí)計(jì)算出合理的避讓路線，隨后將控制信號(hào)發(fā)送給無(wú)人機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)避讓動(dòng)作。以德國(guó)Innosent公司的IVS-148微波雷達(dá)測(cè)距傳感器（圖2）為例，介紹其基本參數(shù)，如表1所示。

圖2 IVS-148微波雷達(dá)測(cè)距傳感器

2.1.2 毫米波雷達(dá)測(cè)距

毫米波雷達(dá)測(cè)距的原理是：雷達(dá)系統(tǒng)通過(guò)天線向外發(fā)射一列連續(xù)調(diào)頻毫米波，并接收目標(biāo)的反射信號(hào)。發(fā)射波的頻率隨時(shí)間按調(diào)制電壓的規(guī)律變化。一般調(diào)制信號(hào)為三角波信號(hào)。反射波與發(fā)射波的形狀相同，只是在時(shí)間上有一個(gè)延遲，發(fā)射信號(hào)與反射信號(hào)在某一時(shí)刻的頻率差即為混頻輸出的中頻信號(hào)頻率，且目標(biāo)距離與前端輸出的中頻頻率成正比。如果反射信號(hào)來(lái)自一個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)，則反射信號(hào)中包括一個(gè)由目標(biāo)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)所引起的多譜勒頻移。根據(jù)多譜勒原理就可以計(jì)算出目標(biāo)距離和目標(biāo)相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度。

表1 IVS-148微波雷達(dá)測(cè)距傳感器基本參數(shù)

2.1.3 信號(hào)處理

由于無(wú)人機(jī)檢測(cè)輸電線路時(shí)飛行高度較低，在應(yīng)用毫米波雷達(dá)進(jìn)行對(duì)導(dǎo)線、地線等尺寸較小物體的距離檢測(cè)時(shí)，大地存在形成的反射波造成的干擾是巨大的，因此需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行噪聲抑制處理。將測(cè)距傳感器檢測(cè)、輸出的模擬信號(hào)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，并應(yīng)用信號(hào)處理技術(shù)，抑制強(qiáng)大的干擾信號(hào)，同時(shí)將有用的檢測(cè)信號(hào)放大，以排除干擾信號(hào)，提高毫米波雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果精確度。

2.2 電磁場(chǎng)測(cè)距

2.2.1 電磁場(chǎng)檢測(cè)傳感器

輸電導(dǎo)線周圍的電磁場(chǎng)根據(jù)麥克斯韋電磁場(chǎng)理論，會(huì)在周圍產(chǎn)生一定強(qiáng)度的電磁場(chǎng)。我國(guó)的輸電頻率為50 Hz，產(chǎn)生的電磁波屬于極低頻（工頻）電磁波，波長(zhǎng)超過(guò)6 000 km。輸電導(dǎo)線周圍的電場(chǎng)和磁場(chǎng)按照一定規(guī)律分布。通過(guò)機(jī)載電磁場(chǎng)檢測(cè)傳感器的探頭檢測(cè)無(wú)人機(jī)所處電磁場(chǎng)的強(qiáng)度和方向可以反過(guò)來(lái)獲得無(wú)人機(jī)距離輸電導(dǎo)線的距離，能夠判斷無(wú)人機(jī)是否存在安全隱患，這正是進(jìn)行電磁測(cè)距的目的。由于無(wú)人機(jī)在進(jìn)行輸電線路巡檢時(shí)與線路需要保持一定的安全距離，在此距離上電磁場(chǎng)強(qiáng)度已大大減弱，且無(wú)人機(jī)尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于工頻電磁波的波長(zhǎng)，電磁場(chǎng)輻射能量很小，能夠檢測(cè)到電磁波的能量非常小，因此在使用電磁測(cè)距時(shí)，需要使用高精度傳感器。

以霍爾傳感器（圖3）為例，介紹其基本參數(shù)。

圖3 霍爾傳感器

霍爾器件具有許多優(yōu)點(diǎn)，他結(jié)構(gòu)牢固、體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)、安裝方便、功耗小、頻率高、耐震動(dòng)，不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕，基本參數(shù)如表2所示。

表2 霍爾傳感器基本參數(shù)

2.2.2 電磁場(chǎng)測(cè)距

將不同電壓等級(jí)的輸電導(dǎo)線周圍電磁場(chǎng)的變化做仿真計(jì)算，其計(jì)算分析可精確到與輸電導(dǎo)線距離變化厘米級(jí)時(shí)對(duì)應(yīng)電磁場(chǎng)的變化情況，由此可獲取導(dǎo)線周圍一定距離范圍內(nèi)的電磁場(chǎng)數(shù)值分布。進(jìn)而，將電磁場(chǎng)測(cè)量設(shè)備檢測(cè)到的電磁場(chǎng)強(qiáng)度與仿真結(jié)果對(duì)比，可推測(cè)得到無(wú)人機(jī)與輸電線路間的距離，將此信號(hào)傳遞給飛控系統(tǒng)。當(dāng)檢測(cè)到與輸電導(dǎo)線距離小于某定值時(shí)，飛控系統(tǒng)可強(qiáng)制無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)改變飛行方向，以避免無(wú)人機(jī)與輸電導(dǎo)線的碰撞，避免事故發(fā)生。

2.3 視覺(jué)測(cè)距

2.3.1 視覺(jué)傳感器

視覺(jué)傳感器是由安裝在無(wú)人機(jī)機(jī)身上的多個(gè)攝像頭構(gòu)成的，各個(gè)攝像頭可分別成像，并將視頻信號(hào)發(fā)送給視覺(jué)處理模塊。

2.3.2 視覺(jué)處理模塊

視覺(jué)處理模塊的原理就是利用多個(gè)攝像頭從各視點(diǎn)獲取目標(biāo)點(diǎn)在不同視角下形成的圖像坐標(biāo)信號(hào)，利用成像幾何模型計(jì)算同名像點(diǎn)圖像坐標(biāo)偏差，來(lái)獲取目標(biāo)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，再利用信息融合技術(shù)，可計(jì)算出圖像中的物體距機(jī)體的距離，從而實(shí)現(xiàn)距離測(cè)量，為無(wú)人機(jī)避障系統(tǒng)提供判斷依據(jù)。

3 系統(tǒng)效果

能夠測(cè)量一定的距離范圍且具有較高的測(cè)距精度，在30～100 m的范圍內(nèi)能感知厘米級(jí)別的障礙物或設(shè)備，電磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x器能夠測(cè)量0～10-2T范圍內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度。

具有較小的體積和重量。由于無(wú)人機(jī)的載荷有限，必須選擇重量輕、體積小的產(chǎn)品。

具有較低的功耗。

具有較高的可靠性。由于是在特殊的條件下工作，又是整個(gè)無(wú)人機(jī)避障系統(tǒng)的重要組成部分，因此需要具備高可靠性的特點(diǎn)，抗振性強(qiáng)。

具有較高實(shí)時(shí)性。通過(guò)對(duì)環(huán)境數(shù)據(jù)的分析，極短時(shí)間內(nèi)可決定是否發(fā)動(dòng)避障動(dòng)作，并能夠進(jìn)行路徑規(guī)劃。

4 后續(xù)研究工作

避障系統(tǒng)作為無(wú)人機(jī)巡檢系統(tǒng)的重要保障機(jī)制，必須經(jīng)過(guò)科學(xué)、全面且長(zhǎng)期的測(cè)試工作，檢驗(yàn)其性能和可靠性。

1）抗振測(cè)試。利用設(shè)備獲取無(wú)人機(jī)機(jī)體的振動(dòng)頻譜，并用專業(yè)的振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行模擬，將信號(hào)采集模塊安裝在振動(dòng)臺(tái)上，檢驗(yàn)其工作是否正常，并進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的抗振測(cè)試，檢查信號(hào)采集模塊是否能夠保持正常狀態(tài)。

2）靜態(tài)模擬測(cè)試。利用實(shí)驗(yàn)室、輸電線路培訓(xùn)場(chǎng)地等條件，靜態(tài)模擬巡檢過(guò)程中遇到的障礙物等情況，檢驗(yàn)信號(hào)采集模塊是否能夠感知到導(dǎo)線、樹(shù)木等，并檢驗(yàn)其測(cè)量距離和測(cè)量精度。

3）動(dòng)態(tài)模擬測(cè)試。將信號(hào)采集模塊安裝在汽車等動(dòng)態(tài)移動(dòng)的物體上，對(duì)指定的導(dǎo)線、樹(shù)木等障礙物進(jìn)行測(cè)距，檢驗(yàn)其是否能在動(dòng)態(tài)條件下感知障礙物。飛控緊急避障模塊是否能夠正常分析環(huán)境數(shù)據(jù)并做出避障響應(yīng)。

4）長(zhǎng)時(shí)間聯(lián)調(diào)測(cè)試。將無(wú)人機(jī)避障子系統(tǒng)安裝在無(wú)人機(jī)巡檢系統(tǒng)上進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間聯(lián)調(diào)測(cè)試，檢驗(yàn)其功率消耗、抗振性、測(cè)量距離、測(cè)量精度和電磁兼容性等性能是否能夠長(zhǎng)時(shí)間符合無(wú)人機(jī)工作要求。