電力多旋翼無人機巡檢安全間距保持系統

李新 許強 尚策

【摘 ?要】本文主要對電力多旋翼無人機巡檢安全間距保持系統做具體的論述，希望給行業內人士以借鑒和啟發。

【關鍵詞】輸電線路;無人機;巡檢

引言

對于電力多旋翼無人機巡檢而言，由于其載重能力有限無法安裝大載重、遠距離機載檢測裝置，所以需要沿線路近距離飛行懸停檢測。與輸電線路保持安全距離飛行是多旋翼無人機在電力巡檢中重要的安全保障之一，同時也是電力多旋翼無人機巡檢的強制要求。隨著近幾年無人機行業的快速發展，在電力巡檢中多旋翼無人機以其成本低、操作簡單、使用靈活、方便運輸等優勢得以廣泛使用。傳統的無人機與輸電線路安全間距保持方法為GPS定位控制，缺點在于其精度低、抗風性差、實時修正能力弱等原因，使其安全系數較低，優點在于其載重輕，有效減小飛機負載，延長續航時間。

1多旋翼無人機避障系統的發展及現狀

自動避障系統是保障無人機順利完成飛行任務的重要系統，有助于無人機飛行路徑的規劃。自動避障系統應具備可靠、實用、靈活反應等特點，這樣無人機在飛行過程中才能快速制定新的飛行路徑，并及時將路徑數據直接傳送到飛行控制器中，完成飛行任務。目前無人機避障技術可分為三個階段，即感知障礙物階段、繞過障礙物階段，以及場景建模和路徑搜索階段。在感知障礙物階段中，無人機只是簡單地感知障礙物。當遇到障礙物時快速識別并懸停下來，等待操縱者的進一步指令。在第二階段中，無人機通過獲取障礙物的深度圖像，精確判斷和感知障礙物的具體輪廓，然后自主繞開障礙物。最后階段，無人機對飛行區域形成三維立體地圖模型，并規劃合理線路進行飛行活動。

2無人機巡檢流程

我們以1000kV同塔雙回耐張塔巡線拍攝為例，對無人機巡檢流程進行簡要介紹。小型旋翼機巡線一般巡檢流程如下：第一、收集巡檢線路資料，確定巡檢線路的地點、巡檢時間、人員和車輛安排等內容;第二、確定桿塔類型、桿塔數量、桿塔巡檢對象、拍攝要求、拍攝數量;第三、勘查巡檢現場，了解桿塔位置、線路走向、地形、地貌、風向、風速、光源方向、信號塔、山丘、河流、樹木、礦藏、地下管道等;第四、制定飛行計劃，確定地面站放置點、飛手站立地點、飛機起飛點、飛行方向、飛行路線，尤其需要注意桿塔方位、風向、風速、光源、樹木、通訊塔、山丘、礦藏、管道、溫度、飛手站位與桿塔電線的角度;第五、根據巡線需求調整相機中設置的照片質量，實施巡檢，每個拍攝對象拍攝5張以上的照片，以防止因為無人機抖動造成的相片重影，圖像發虛等情況，從中選擇最優照片，避免因為不合格照片而需重新飛行，以便提高飛行的效率。下面將對實際應用過程中桿塔巡檢拍攝步驟進行簡要介紹：步驟一：起飛后緩慢上升至左線下相，機身與線路左線大號側絕緣子串水平，拍攝絕緣子串及連接金具;緩慢下降，機身與線路左跳線硬管母水平，拍攝硬管母整體及連接金具;緩慢上升，機身與線路左線小號側絕緣子串水平，拍攝絕緣子串、金具等。步驟二：緩慢上升至左線中相，重復步驟一。步驟三：緩慢上升至左線上相，重復步驟一。步驟四：緩慢上升至塔頂，略高于地線，拍攝左側地線及掛點和金具。步驟五：翻越桿塔至另一側，緩慢下降，拍攝右側地線。步驟六：緩慢下降至右線上相，機身與線路右線大號側絕緣子串水平，拍攝絕緣子串及連接金具;緩慢下降，機身與線路右跳線硬管母水平，拍攝右跳線硬管母整體及連接金具;緩慢上升，機身與線路右線小號側絕緣子串水平，拍攝絕緣子串及連接金具。步驟七：緩慢下降至左線中相，重復步驟六。步驟八：緩慢下降至左線下相，重復步驟六。步驟九：拍攝大小號側通道及周圍危險點。以上九個步驟為巡檢1000kV同塔雙回耐張塔時的拍攝方式，其他電壓等級的線路巡檢過程與其類似。同時我們還應該注意到小型旋翼機巡線時天氣狀況影響較大，當風力高于3級時，無人機會出現飄移的情況，可能導致其與輸電線路、輸電桿塔設備等無法滿足有效的安全距離，甚至發生碰撞。因此加裝測距系統也是目前眾多巡線用無人機的標準配置。目前使用最多的是超聲波測距模塊，超聲波模塊的特點是必須符合探測角度足夠大的要求，測量距離的范圍適中即可。小型旋翼機機體較小，能近距離飛抵輸電線路附近，我們這里選用的測試距離以6-10米為宜，檢測的精度能夠達到毫米級，這也是我們將小型旋翼機作為線路巡檢設備首先的考慮因素之一。

3 kalman濾波融合技術

目前比較常用的濾波融合技術有綜合平均法、貝葉斯估計法、D-S法、模糊邏輯法、神經邏輯法、kalman濾波法、專家系統方法等。kalman濾波經在控制領域得以推廣后，便成為多傳感器信息融合的主要技術手段之一，其基本思想是先分散處理，再全局融合，即以一個信號為主體，與其他信號兩兩結合，在其結合信號的基礎上獲得全局估計。當多旋翼無人機以不同的角度接近輸電線路時，會出現兩種情況：第一，當超聲波傳感器發出超聲波的傳播方向與線路垂直，則只需要進行Kalman濾波融合就可以得到準確的間距;第二，當超聲波傳感器發出超聲波的傳播方向與線路不垂直，則需要姿態模塊確定飛行姿態，通過三角公式換算得到垂直距離。

4電力多旋翼無人機巡檢安全間距保持系統避障方法

4.1紅外/激光TOF測距

這種方法是利用紅外線感應原理來實現測距的。紅外線避障的常見實現方式就是“三角測量原理”。紅外感應器包含紅外發射器與CCD檢測器。紅外線發射器發射紅外線，紅外線碰到物體會發生反射，CCD檢測器接收到反射光線后，根據不同距離的物體，就得到不同的反射角度，進而產生不同的偏移值，得到這些數據再經過計算，就能得出物體的距離。簡言之，就是傳感器發射一定頻率的紅外/激光信號，然后根據反射信號與原信號的相位差計算信號的飛行時間，即可換算出距離障礙物的距離。這種方法技術比較成熟，作用距離較超聲波更遠（數米到數百米），而且高等級的TOF傳感器可以獲得障礙物的深度圖像，但成本高、抗干擾能力較差。該方案在當前市場中占有一定的應用規模。

4.2雙目視覺測距

這種方法是利用兩個平行的攝像頭進行拍攝，然后根據兩幅圖像之間的差異，通過復雜的算法計算出特定點的距離，當數據足夠時還能生成深度圖。這種方法運用了人眼估計距離的原理，即同一個物體在兩個鏡頭畫面中的坐標稍有不同，經過轉換即可得到障礙物的距離。這種方法的缺點在于技術難度較高，且距離估計的誤差會隨著距離的變大而呈現指數型增長，但這一缺點不影響在無人機避障領域中的應用。

4.3電子地圖測距

借助高分辨率的數字高程地圖和城市三維建筑地圖，既能避免無人機撞擊重要建筑物（即禁飛區功能），也能實現多數情況下的無人機避障。數字高程地圖是一個能夠實時更新的三維立體地圖，在軍事上，例如戰斧巡航導彈的遠程飛行在很大程度上依賴于該地圖。

結語

在輸電線路垂直方向在兩個傳感器之間時，其準確距離需要三角換算得到。多旋翼無人機與輸電線路之間距離越小電機轉速越快，推動無人機快速倒退，使其遠離危險區域，繼續保持安全間距。

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（作者單位：中國南方電網超高壓輸電公司曲靖局）