山區無人機巡線避障技術研究與應用

劉旋

摘要：近年來，經濟發展迅速，我國的綜合國力的發展也有了改善。隨著三維空間數據采集手段和數據處理方法不斷提高，為電力巡線數據采集和分析帶來了極大便利。介紹了機載三維激光雷達技術的系統組成及工作原理，以四川簡陽某地高壓線無人機巡檢項目為例，通過作業流程與數據處理，分析了機載雷達在電力巡線中的綜合應用。機載LIDAR系統的三維激光點云數據較為密集，每平方米均可達到百個以上，數據采集精度可達0.1m。

關鍵詞：電力巡線;無人機;實時避障;方法研究

引言

隨著社會經濟的快速發展，我國電網規?？焖贁U展，幾乎覆蓋了我國的每個角落，偏遠、山區等地區也實現了通電，這使得發電量與輸電量也不斷提高。面對快速增加的電網規模，以及復雜多樣的輸電環境，遠距離超、高壓輸電成為電力企業的核心業務。在復雜的輸電環境下，受到氣候、山川、河流等環境因素的影響，遠距離超、高壓輸電線路與設備容易產生破損、老化等損壞現象，給電力輸送帶來隱患。因此為保障電力輸送的穩定運行，就必須對輸電線路進行定期巡檢，及時掌握輸電線路的運行情況，及時發現問題并排除隱患。傳統的人工巡檢面臨地理環境、氣候環境等諸多因素的干擾，容易形成巡檢“盲區”，這就需要一種高效的、智能的新方式，而無人機的應用，為其提供了可能。

1電力巡線無人機實時避障技術方案分析

在電力巡線過程中，根據環境條件和業務需要，無人機可搭載不同的設備進行巡線，完成對應的任務。對于遠距離超、高壓輸電線路而言，山川、樹木、建筑物等可見障礙物外，還有非可預見性障礙，這些都需要采取針對性的避障技術完成無人機巡線。對于已知可見障礙物，可以通過采取無人機路徑規劃巡線方案，在巡線前完成路徑規劃。對于未知障礙物因素，則需要采取實時避障的方法，利用空間環境信息處理來完成巡線。對未知故障的無人機巡線中，要先根據輸電線路的實際情況，提前設計好對輸電線路的自主避障，估計出無人機與輸電線路的相對距離，實現對輸電線路的實時避障。對于其他未知的障礙物，則需要借助無人機上的激光雷達傳感器、超聲波傳感器、視覺傳感器、GPS等設備，獲取無人機巡線中障礙物的相關數據信息，然后進行數據分析處理和控制策略確定，通過無人機飛行控制器來控制無人機飛行方向與速度，進而實現無人機飛行路徑的有效控制。

2數據采集及數據處理

2.1數據采集流程

機載激光雷達主要包括激光點云數據采集和POS定位定姿航向數據采集，其中POS最為重要。POS的數據精度直接決定了三維激光點云的數據精度，可以說高精度的POS數據是獲取高精度三維激光點云數據的基礎。（1）航線設計：航線設計時應該考慮到地形的起伏、荷載無人機飛行高度、飛行速度等因素。如果遇到地形起伏比較大的地塊，航線設計應盡量在目視范圍內，無人機飛行的高度和速度決定掃描點云的點間距。在上述因素全部考慮到航線設計中后，提前將軌跡線路導入飛控系統中并進行航線驗證，并確定飛行任務結束后無人機的動作，以保證整個飛行架次的安全。（2）參數設置：機載LiDAR的參數包含相機參數和激光器的參數。根據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等參數。（3）精度收斂：進行精度收斂時應該選擇開闊的場景進行，一是對BDS信號沒有遮擋，二是保證飛行器能有足夠的安全空間進行動態動作。動態動作最好是進行“8”字形運動，這一步驟將會直接影響到系統誤差收斂和達到標稱的精度，LiDAR系統會利用這一過程對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行評估、修正。（4）測區數據采集：完成了精度收斂步驟后，采集數據系統直接對待測區域進行數據采集。

2.2數據處理流程

機載LiDAR數據的處理主要有POS數據處理和點云數據處理，通過自動化軟件進行處理，獲得配電線路巡檢所需的各項報告成果。電力數據處理流程分為點云處理、巡檢報告的生成兩大塊。點云數據處理整體步驟如圖2所示，具體步驟如下：（1）點云濾波。濾掉原始采集的點云數據中的大量散列點、孤立點。（2）提取關鍵點。點云數據關鍵點即特征點，對點云數據精度起到控制作用。（3）根據POS輸出的高精度軌跡數據，自動生成激光點云。（4）全景影像和激光點云的配準，并對點云進行著色.

3解決無人機電力巡線的智能避障建議

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

3.1擴大超聲波的適用范圍

擴大超聲波的適用范圍，在適用的過程中感應速度和精度都需要提高。尤其在超聲波主動測試的過程中，需要提高超聲波的精度，避免障礙物較遠超聲波過弱精度降低。超聲波在主動發射時盡量降低對反射物體的要求。盡可能提升超聲波的技術，使超聲波在大風條件或者是海綿吸附的條件下也能夠使用。不僅如此，在主動測試過程中，盡可能提升超聲波的技術，避免兩臺機器之間的相互干擾，擴大超聲波的適用范圍。

3.2促進激光技術成熟

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

3.3減少紅外避障技術干擾

紅外線的避障技術也需要降低對受反射物體的要求，提高紅外線技術，避免紅外線容易被吸收。尤其需提高對一些黑色物體或者會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的精度。不僅如此，紅外線技術雖然只是單點測距獲得特定方向上的距離數據，要提高紅外線技術的測試水平，除此之外紅外線的避障技術雖然也采取了主動測距的方式，但是需要盡可能避免兩臺機器之間相互產生干擾的問題。

3.4促進“大疆無人機”避障技術發展深入

促進“大疆無人機”中的精靈4Pro上的五向避障技術的發展水平更加深入。能夠寫出有效的視覺識別或者地圖重構的算法，也能夠在無人機上提高自身計算能力的同時降低損耗，保證無人機的穩定運行。同時“大疆無人機”精靈4Pro上的五向避障技術也需要提高計算和數據儲存能力，同時提高自身的續航能力。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行。

結語

無人機巡線的實踐應用領域，不僅要考慮到輸電線環境中的客觀障礙物，還需要考慮到不可見障礙物，這就需要無人機實現實時避障功能，選擇合理的算法，估計出無人機與輸電線間位置關系的最優無碰撞路徑，這就需要運用到模糊控制方法，采用模糊控制避障決策，完成高質量的無人機巡線。

參考文獻

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