基于激光測距及ROS 系統的無人機導線跟隨方法研究*

張 英，廖如超，廖建東，李國強，袁新星，康泰鐘

(1.廣東電網有限責任公司機巡作業中心,廣東 廣州 510145；2.北京數字綠土科技有限公司,北京 海淀區 100089)

為了保證輸電線路的正常運行,及時發現輸電線路故障,記錄故障位置和原因,及時制定預防和解決方案對于電力巡檢是十分重要的[1]。目前,直升機檢測、機器人檢測和無人機檢測在架空輸電線路檢測中得到了廣泛應用。直升機巡邏主要由直升機沿架空輸電線方向飛行,巡檢人員在直升飛機中利用高清攝像頭觀察并記錄設備故障情況。直升飛機巡檢能夠提高檢測精度和檢測效率,但其有飛行管控、氣候變化等因素的限制,并且它的成本也偏高,導致該巡檢方式不能適用范圍廣泛的推廣[2-3]。巡檢機器人主要是掛在架空輸電線路沿線爬行,利用掛載的傳感器對安裝在塔的導線、絕緣子、線硬件、通道電路進行檢查。由于巡檢機器人必須提前安裝在塔上,安裝和卸載導致檢驗的低效率[4-5]。而無人機的檢查主要由巡檢人員操控無人機飛到架空傳輸線通道,對通道進行視頻拍照、留檔查看、檢查并分析[6-7]。在人工操控無人機巡檢過程中,無人機需要在有限的視野中飛行,容易發生意外事故并影響電網安全,這就要求作業人員對無人機操作及電網運行環境有足夠的了解和熟悉。因此,降低無人機在電力巡檢過程中的操作門檻,是提高輸電線路運維效率、降低運維成本、提高電力企業經濟效益的關鍵問題。

在無人機導線跟隨飛行的研究中,有通過視覺測量來實現,例如王亞先[8]提出單目視覺測量無人機距離輸電導線的水平距離和垂直距離來實現無人機在一定規則下的自動飛行和相機追蹤導線。Valipour等[9]提出一種基于高斯可控濾波器與概率霍夫線變換結合的導線檢測方法,并使用無跡卡爾曼濾波進行導線跟蹤。Nasseri 等[10]提出一種基于粒子濾波的無人機航拍電力線檢測和跟蹤方法,但基于視覺的測距方案在巡檢場景對光線要求嚴格,在實際場景中環境復雜多變,難以在實際場景使用。研究表明,采用激光雷達測距對無人機進行實時控制有更強的魯棒性[11-12]。

提出無人機掛載三維激光雷達進行測距,建立無人機搭載三維激光的巡檢飛行模型,在這個基礎利用PID 控制算法實現導線跟隨飛行姿態控制,利用實時運動定位(real-time kinematic positioning,RTK)計算多塔之間在地理坐標上的幾何關系,在該幾何關系上設計過塔飛行控制算法,實現多塔之間的過塔飛行。該系統利用板載計算機在機器人操作系統(robot operating system,ROS)的架構下作為控制單元,實現脫離遙控器控制的無人機電力自動巡檢系統。

1 無人機導線跟隨飛行算法

利用三維激光雷達作為無人機感知周圍環境的傳感器,它相對于視覺更具魯棒性,而且對于本文Velodyne 16 線三維激光雷達來說,它的水平分辨率為0.4°,在距離導線安全距離為5 m 的情況下,能保證掃描到架空輸電線路半徑為3.4 cm 以上的導線點云信息,對于掃描到的導線點云信息需要在坐標系上表達才能反映無人機周圍環境。

1.1 建立三維激光雷達坐標系

三維激光雷達的掃描方式側視圖和俯視圖如圖1 所示。其中α、ω為激光束掃描到的點云水平角度和垂直角度,D(α,ω)為該點云距三維激光雷達的距離。

圖1 三維激光雷達側視圖和俯視圖

在這基礎上建立三維激光雷達xyz坐標系如圖2 所示,另外為了更方便掃描到導線點云信息和擴展后續巡檢任務場景如導線下方樹障信息等,采用三維激光雷達掛載方式如圖3 所示。其掛載在架空輸電線路的掃描范圍如圖4 所示。

圖2 三維激光雷達坐標系

圖3 三維激光雷達掛載方式

圖4 架空輸電線路的掃描范圍示意圖

1.2 塔間導線跟隨飛行模型

為了實現無人機塔間飛行跟隨,需要感知無人機周圍環境并且對其跟隨姿態進行數學建模定義,為后續的控制提供計算基礎。三維激光雷達在該掛載狀態下,對無人機塔間跟隨飛行過程進行幾何關系建模,無人機在三維激光雷達多線感知下捕捉導線與無人機位置之間的三維幾何關系,如圖5 所示。

圖5 無人機跟隨飛行幾何關系模型

根據該幾何關系定義無人機跟隨飛行的飛行姿態模型。首先定義三維激光雷達掃描一圈的時間為一個掃描周期T,在這個周期T中,定義雷達測量導線與雷達之間的距離D,其中D為

式中:C、Q為導線掃描水平和垂直角度范圍。

接下來對跟隨飛行姿態進行定義,如式(2)、式(3)所示,EOA-OB和EAA′-BB′分別為測量模型中OA與OB的差值和AA′與BB′的差值。當EOA-OB＜ε,即測量模型中的OA長度和OB長度的差值小于某個閾值ε時,認為無人機飛行姿態與導線平行。當EAA′-BB′＜δ,即測量模型中的AA′長度和BB′長度的差值小于某個閾值δ時,認為無人機當前周期的狀態處于導線中心飛行姿態。滿足上述兩個條件后,即可認為無人機處于前方導線段的中心位置。其中

當無人機同時滿足兩個姿態時,可以認為無人機處于導線跟隨飛行姿態。跟隨飛行軌跡在導線側視圖呈現為導線弧垂走勢。

另外利用當前無人機RTK 位置信息與桿塔GPS 位置信息計算距離Dd-t,設定閾值λ和無人機距離桿塔的安全距離為Ds,當｜Dd-t-Ds｜＜λ時認為跟隨飛行結束,控制無人機懸停接下完成過塔飛行。

1.3 跟隨飛行控制算法

對跟隨飛行模型定義出飛行姿態后,為了使得無人機在飛行過程中保持上述飛行姿態,從而實現導線跟隨飛行,需要對三維雷達感知的距離信息對飛行姿態進行控制,跟隨飛行控制需要對控制量進行反饋調節。采用的PID 控制算法實現該飛行控制。PID 控制原理為:

式中:u(t)是被控制量,e(t)是實際輸出值和期望輸出值之間誤差,Kp是比例系數,KI是積分系數,KD是微分系數。PID 控制原理是基于系統輸出值的反饋控制的,關鍵是把系統的輸出值和期望值的誤差作為控制量。其中Kp是直接影響到實際控制效果的,在合理的數值范圍內Kp越大,控制效果越好,越短時間回到期望值,但也容易導致抖動,無法穩定于期望值；KD影響的是控制量向期望值靠近時的加速度,即使得靠近期望值的過程相對平滑；而只有KD控制會導致控制量一直與期望保持一個恒量差值,再者KI是來抵消這個恒量的。將上述的EOA-0B、EAA′-BB′作為PID 控制算法的控制量。

2 無人機過塔飛行算法

無人機導線跟隨飛行不僅僅包括塔間導線跟隨飛行,還需要實現無人機在塔與塔之間通過三維激光雷達感知下的自動跨越飛行,從而實現無人機全自動巡檢,其過程即無人機完成塔間導線跟隨飛行后在該導線絕緣處懸停飛行后,完成跨越桿塔的飛行任務,主要利用RTK 地理坐標信息建立多塔間的幾何關系實現。

2.1 建立多塔之間的幾何關系

由于電力桿塔的GPS 位置都是先驗的,可獲知的,所以可根據該GPS 位置可以建立多塔之間的幾何關系,為了建立連續三塔之間的簡化幾何關系模型,將無人機始飛塔、待跨越的塔及下一個待跨越的塔,分別表示為1 號塔、2 號塔、3 號塔,其幾何關系如圖6 所示。

圖6 過塔飛行幾何模型

在該坐標系中需要的跨越塔位置A點為中心,始飛塔與跨越塔連線為坐標系的x負半軸。

2.2 過塔飛行模型

在上述過塔飛行幾何模型下,對其過塔飛行過程進行分析,要實現過塔飛行主要需要計算無人機跨越飛行路程,為了完成過塔后無人機盡量減少跟隨姿態的調節控制時間,采取圓弧式跨越,即需要計算該圓弧的長度,如。而且過塔飛行會因為無人機飛行在桿塔左右位置導致飛行路程的不同。定義∠BAN小于180°為內角跨越角度β,其另一側為外交跨越角度δ。

所以進一步需要判斷當前跨越塔飛行類型,即需要考慮當前過塔飛行跨越的是外角過塔飛行還是內角過塔飛行,若為則外角過塔飛行,則為內角過塔飛行。

判斷條件為當機頭方向與2 號塔向3 號塔方向的夾角θ為鈍角時,為外角過塔飛行。當θ為銳角時,為內角過塔飛行。根據外內角過塔的不同,飛行路程也不同。在內角過塔飛行中根據幾何關系可以知道飛行路程LFK的計算過程為

式中:γ代表無人機繞圓周飛行的弧長在整個圓周長中的占比。

d=LAF為通過無人機GPS 位置信息和桿塔GPS位置信息計算的無人機與桿塔的距離。

s=LLF為無人機與導線保持的安全距離。

同理,在內角過塔飛行的飛行路程的計算過程為

2.3 過塔飛行控制算法

根據定義的過塔飛行模型,系統可在2 個速度方向對飛機進行控制,從而實現過塔飛行,即無人機的航向偏轉角速度νa、無人機側飛速度νs。由過塔飛行的路程L,控制無人機在設定的過塔航向偏轉角速度νa,可計算過塔時間t,在該過塔時間t和過塔飛行路程L上計算得出側飛速度。當該設定的過塔航向偏轉角速度νa和計算得出的側飛速度νs在時間上積分,得到的結果分別為β和L時,認為過塔飛行任務完成,接下來可以根據任務來繼續塔間導線跟隨飛行。

3 系統架構

3.1 ROS 架構

為了實現三維激光雷達、無人機、RTK 多設備之間可靠通信,系統架構采用ROS 架構,ROS 是用于編寫機器人軟件程序的一種具有高度靈活性的軟件架構,非常適合本文中多傳感器之間通信的特點。系統采用大疆M210 作為測試無人機,Velodyne 16線的三維激光雷達,板載計算機采用大疆的妙算2,在大疆提供的板載軟件開發包(Onboard Software Development Kit,OSDK)的基礎上對大疆無人機進行控制,在ROS 架構上節點話題發布和訂閱如圖7所示。

圖7 系統中ROS 架構

3.2 巡檢流程

在該系統架構下實現無人機電力自動巡檢系統,只需再搭載高清攝像頭或者其他檢測裝置,在自動飛行過程中對導線進行檢測任務即可。其具體流程為:首先巡檢人員只需將無人機操控到在始飛塔,捕抓導線成功后,設定安全懸停距離Ds、巡檢速度ν、導入巡檢塔的GPS 位置后,利用遙控器向飛機發送開始巡檢任務,板載計算機獲取飛機控制權,完成接下來的巡檢任務,其具體流程如圖8 所示。

圖8 自動巡檢流程圖

4 實驗分析與結果

4.1 實驗設計和條件

實驗主要包括3 個部分:第1 個是驗證跟隨飛行姿態中的導線平行飛行姿態控制的可行性。第2個是驗證跟隨飛行姿態中的導線中心飛行姿態控制的可行性。第3 個是驗證過塔飛行控制的可行性。

首先,對于驗證導線平行飛行姿態控制和導線中心飛行姿態控制的可行性,我們在實地場景測試,無人機對線后,開始自主巡檢,主要是觀察無人機在開始被控制后RTK 信息中的航向角是否能夠與導線走勢角度一致,并且一段時間能夠收斂穩定于該值。然后,主要是觀察無人機在開始被控制后,對于參數采用δ=0.05 m,ε=0.05 m,λ=0.1 m,Ds=7 m,ν=5 m/s 的情況下,是否能夠收斂于可接受區間。

最后驗證過塔飛行的可行性。我們采用仿真實驗對其過程進行驗證,參數νa=1 °/s,觀察其飛行軌跡是否能夠跟塔保持一定距離下使得飛機跨越外角塔和內角塔,到達下一塔間。

4.2 實驗結果分析

在實地場景中我們采集到無人機開始自動巡檢后的RTK 航向角數據如圖9 所示,采集到EAA′-BB′的變化如圖10 所示。

圖9 導線平行飛行姿態控制中RTK 航向角變化趨勢

圖10 導線中心飛行姿態控制中EAA′-BB′變化趨勢

由圖10 可以看出航向角在較短的時間內能夠收斂于導線走向角度,驗證了其導線平行飛行的可行性。由圖可以看出當EAA′-BB′超出可接受區間時能夠得到反饋控制,使得下一個周期的EAA′-BB′在可接受區間,說明無人機在飛行過程中能夠緊緊跟隨導線弧垂走勢飛行。另外我們在仿真實驗中利用所設計的過塔算法,其無人機過塔飛行的軌跡如圖11所示。

圖11 無人機過塔飛行軌跡

由圖11 可以觀察其飛行軌跡如期望一致,能夠在保持桿塔一定距離的情況下完成外角塔和內角塔的過塔飛行。驗證了過塔飛行的可行性。

5 結論

為了解決人工操控無人機電力巡檢作業的困難,我們提出利用三維激光雷達作為測距傳感器、RTK 作為位置信息反饋,對無人機實現塔間導線跟隨飛行、過塔飛行,從而實現無人機巡檢流程全自動化。對于系統中需要實現的導線跟隨飛行,我們將其飛行姿分為導線平行飛行姿態和導線中心飛行姿態,對每個姿態的不同滿足條件建模得出相對應的數學表達,通過PID 控制對其飛行過程的姿態誤差進行控制。另外對過塔飛行采用RTK 信息建立多塔之間的幾何關系,通過該關系計算過塔飛行的路程,得出飛行控制所需的速度來實現過塔飛行。實驗驗證了導線跟隨和過塔算法的可行性,為自動化巡檢提供新的思路和解決方案。