多旋翼無人機自主巡檢關鍵技術研究

包志鵬 李梓鍇 李梓菲 李梓璐 郭博楊

摘要：基于目前多旋翼無人機廣泛應用于輸電線路電力巡檢的背景，從功能設計、自動避障、路徑規劃三個方面討論多旋翼無人機自主巡檢關鍵技術。研究設計多旋翼無人機自主巡檢控制功能模塊并劃分無人機巡檢工作狀態，然后分析無人機自動避障原理及搭載多元化傳感器避障的傳感器選型依據，闡述多種無人機路徑規劃算法的核心原理并進行了優劣性對比。

關鍵詞：無人機;電力巡檢;自主避障;路徑規劃

0? ? 引言

近年來，隨著無人機技術的飛速發展，其在各個領域的應用廣泛普及，如今在電力系統生產的很多環節都能看見無人機的身影。無人機主要分為三種類型：多旋翼無人機、無人直升機、固定翼無人機。輸電線路巡檢是電力巡檢中最重要的部分，目前這部分巡檢工作已經從傳統的人工巡檢逐漸發展為電力無人機自主巡檢。用于輸電線路自主巡檢的無人機主要為固定翼無人機和多旋翼無人機。固定翼無人機的優點是飛行速度快，適用于大范圍的巡檢工作，缺點是不能懸停，不能采集細節數據。多旋翼無人機的優點是可以懸停，可以定點采集數據，缺點是飛行速度慢。目前，多旋翼無人機應用廣泛。本文主要介紹多旋翼無人機的飛行方式、避障方案及航線規劃方案。

1? ? 多旋翼無人機自主巡檢總體方案

1.1? ? 自主巡檢主體模塊設計

自主巡檢的關鍵是整合處理多方面的輸入信息，比如無人機自身的姿態信息、無人機飛行周遭環境信息，同時結合多方面控制指令，比如來自無人機遙控器的控制指令、來自地面段的控制指令、控制系統設定的控制指令，實現自主飛行和數據采集。綜上所述，本文設計的自主巡檢主體功能模塊如圖1所示。

1.2? ? 多旋翼無人機飛行工作狀態

為了方便對自主飛行技術的討論，本文將無人機的飛行姿態劃分為幾個工作狀態：穩定飛行工作狀態、懸停飛行工作狀態、繞行工作狀態以及自動飛行工作狀態。穩定飛行工作狀態，即無人機最基本的工作狀態，指無人機起飛、降落及沒有意外地按固定軌跡航行;懸停飛行工作狀態，是多旋翼無人機區別于固定翼無人機特有的工作狀態，可以定點采集數據，并且可以在懸停的同時調整機身姿態;繞行工作狀態，發生在判斷前方有障礙物或其他類型干擾時，即臨時調整航線的狀態;自動飛行狀態則得益于避障、定點算法。

2? ? 多旋翼無人機自動避障方案

2.1? ? 自動避障技術原理分析

無人機自動避障技術是其自主巡檢的前提。輸電線路無人機巡檢工作環境復雜，隨時可能出現線路、樹木、污穢等障礙物的干擾，這些干擾如果觸碰到多旋翼無人機的螺旋槳或者機身其他部位，就有極大可能引發墜機事故，甚至破壞輸電線路，所以研究無人機自動避障技術非常有必要。無人機避障技術的原理，就是搭載的傳感器感知到物理世界信息的異常，傳遞給核心處理器，核心處理器做出繼續飛行、懸停等待、繞行等決策。

2.2? ? 多元化傳感器避障方案設計

多旋翼無人機目前無法攻克的難題就是載重和續航，因此傳感器的選擇，既要考慮準確度，還要考慮體積、重量和價格。本文推薦采用超聲波傳感器、激光傳感器組合避障的方式。超聲波傳感器測距的原理是發出超聲波，根據發出和返回的時間計算距離。激光傳感器測距的原理與超聲波傳感器相似，區別在于它發出的是激光。激光傳感器價格低廉，而且目前發展比較成熟，不同需求都有對應的型號。超聲波傳感器體積小、精度高，發展也比較成熟。

3? ? 多旋翼無人機航線規劃方案

3.1? ? 傳統的航線規劃算法

現有的很多算法都起源于巡檢機器人，目前可借鑒的算法較多，本文簡單舉幾個典型例子。

第一種，人工勢場法，它是在1994年由Khatib提出的虛擬方法。這種方法的核心思想是把無人機飛行的空間虛擬成一個場，將無人機排斥的點定義為正勢能，無人機目標點定義為負勢能，無人機飛行的原則就是向勢能減少的方向飛行。

第二種，柵格分解法，這種方法的核心思想是將無人機即將飛行的空間劃分成細致的柵格，然后分清哪些是障礙柵格，哪些是自由柵格，所有將自由柵格連接起來的路徑都可以作為飛行軌跡。

第三種，自主規劃法，其中包括近幾年來廣泛使用的粒子群算法、神經網絡算法、遺傳算法、蟻群算法等。

第四種，PRM算法（概率路標算法），這種方法的應用分為采樣預處理和路徑查詢兩個階段。首先預處理隨機采樣，若采樣點合格即錄入;然后是路徑查詢，就是將起始點和終點放到圖中，查詢所有可行路徑。

3.2? ? 基于RTT算法的航線規劃方案

以上所述均為借鑒巡檢機器人的軌跡規劃方法，但巡檢機器人的工作環境和巡檢無人機的工作環境存在本質的不同，巡檢機器人的工作范圍是一個二維的平面，只需要二維坐標系即可描述位置，而巡檢無人機的工作范圍是一個三維的幾何空間。綜上所述，本文提出采用RRT算法（快速擴展隨機樹）進行航線規劃。這種方法最早于1998年被提出，目前廣泛應用于路徑規劃層面。這種算法的核心思想是首先對擬飛空間隨機采集樣本，并擴展到未知的可能空間。因此，這種算法更適用于解決較多維度的路徑規劃問題。

4? ? 結語

本文基于目前輸電線路大規模采用多旋翼巡檢無人機的背景，首先設計了多旋翼無人機自主巡檢主體功能模塊，分析了其飛行時的多種工作狀態;其次提出多旋翼無人機避障可以采用多傳感器并行的方式提高精度;最后對多種航線規劃算法進行了介紹并對重點研究進行了舉例分析。希望本文能對以后多旋翼無人機電力巡檢關鍵技術的發展起到拋磚引玉的作用。

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收稿日期：2020-03-04

作者簡介：包志鵬（1995—），男，甘肅永靖人，工程師，從事電網智能檢測研究應用工作。