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无人机电力巡线智能避障方法研究董波姚亮

发表时间：2021/7/2 来源：《中国电力企业管理》2021年3月作者：董波姚亮

[导读] 由于电力技术特别是特高压技术的突破性进展，以及人工智能和大数据等先进技术的不断发展，使智能电网的建设和发展取得了很大成就，为社会经济的快速发展提供了能源和电力。为了使电力系统稳定高效地运行，电力设备运维部门需要投入大量的资源和人力来维护电网，功率检查是设备操作和维护的例行操作，无人机技术被广泛用于电力检查。

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摘要：由于电力技术特别是特高压技术的突破性进展，以及人工智能和大数据等先进技术的不断发展，使智能电网的建设和发展取得了很大成就，为社会经济的快速发展提供了能源和电力。为了使电力系统稳定高效地运行，电力设备运维部门需要投入大量的资源和人力来维护电网，功率检查是设备操作和维护的例行操作，无人机技术被广泛用于电力检查。然而，使用无人机进行功率检查的方法对无人机的避障能力提出了更高的要求。本文主要介绍无人机目前使用的避障技术，以协助无人机开发。
关键词：无人机；电力巡检；视觉避障技术
        引言：最近，我国的国民经济发展迅速，科学技术也在突飞猛进。各个行业中的生产和运营活动对能源的需求不断增长，对能源行业稳定性和安全性的需求也越来越高。当前，电力工业的快速发展导致电网的不断扩展，一方面在满足人们的电力需求的同时，电网规模也对电力的稳定性和安全性提出了挑战，电网结构的复杂性和我国广阔的土地面积已成为电力检查面临的主要问题。
        一、无人机电力巡线目的
        无人机是使用无线电遥控设备和其自己的程序控制的，能够在无人看管的情况下完成复杂的空中任务和各种负荷任务，因此可以被视为“空中机器人”。近年来，无人机技术已从军事用途延展到民用领域，民用无人机的工业化已进入普及时代。在电力线巡检领域中，具有高清数码摄像机的无人机，GPS定位系统可以沿电网执行定位和自动驾驶，并实时传输捕获的图像。监控人员可以通过计算机进行同步监控，实现基于信息的检查，提高检查效率，避免人工检查时发生安全事故。在山洪、地震灾害等紧急情况下，无人机完全不受路况的影响，可以对线路中的潜在危险（例如塔基坍塌）进行紧急调查，有助于电源恢复。但是，检查高压电源线毕竟是高风险的任务，甚至参与检查的无人机也必须具有较高的安全性，更重要的是，确保无人机在复杂的线路条件下不会发生碰撞，安全距离至少为10 m，这对无人机的避障系统提出了更高的要求。GPS导航和惯性导航是无人机导航系统中的两种常规导航方法，可以在一定程度上间接避免障碍物，但具有易受环境干扰和误差积累的缺点。因此，为了达到避障效果，基于现有导航技术结合其他高性能传感器的复杂导航方法将是未来的发展方向。目前，配备毫米波雷达或骑士的无人机可以实现较高的测距精度，这有助于无人机在巡检时准确识别障碍物的距离和方向信息，但不适用于小型商用多用途飞机。对于人机巡检，昂贵的大功率导航传感器不一定是最佳选择。
        二、电力巡逻无人机实时避障技术分析
        在电力巡检过程中，根据环境条件和业务需求，无人机可以巡逻线路并配备其他设备以完成任务。对于长距离超高压传输线，除了可见的障碍物（如山脉、树木和建筑物）外，还有一些意外的障碍物，需要目标避障技能才能完成无人机航迹检查。对于可见障碍物，可以采用无人机航路规划和巡逻计划在巡逻前完成航路规划。如果障碍因素未知，则必须采用实时避障方法，并使用空间环境信息处理来完成线路检查。巡逻故障不明的无人机时，有必要根据传输线的实际情况，事先设计自动避开传输线的障碍物，并估算无人机与传输线之间的相对距离，以实现吊臂实际事物。对于其他未知障碍物，使用无人机的激光雷达传感器、超声波传感器、视觉传感器、GPS和其他设备获取有关无人机跟踪巡逻中障碍物的相关数据信息，然后执行数据分析和处理以及控制策略，UAV可以实现对飞行路径的有效控制，确定无人机的飞行方向和速度由无人机飞行控制器控制。
        三、数据收集与处理
        1、数据收集过程
        机载激光雷达主要包括激光点云数据收集和POS定位，姿态确定和定向数据收集，其中POS最重要。POS的数据精度直接决定3D激光点云的数据精度，高精度POS数据可以说是获取高精度3D激光点云数据的基础。
        ①航线设计：航线设计应考虑地形起伏，载荷无人机的飞行高度和飞行速度等因素。如果发现地形起伏较大的图，则路径设计应尽可能接近可见范围。无人机飞行的高度和速度决定了扫描点云的点距，在航线设计中考虑以上所有因素后，将轨迹提前带入飞行控制系统，检查航线，并在完成飞行任务后确定无人驾驶飞机的运行，以确保全程飞行安全。
        ②参数设置：空中激光雷达的参数包括摄像机参数和激光参数。根据电力巡逻的高度和范围选择参数，例如最大脉冲频率、最大扫描频率、最大视野、惯性位置和定向系统。
        ③精度设置：进行精度设置时，需要选择一个开放的场景。一种是不阻挡BDS信号，另一种是使飞机具有足够的安全空间以进行动态动作。动态运动最适合执行“ 8”字形运动，此步骤直接影响系统误差收敛并达到标称精度。LiDAR系统使用此过程来评估和校正IMU线性误差、IMU常数误差和IMU温度误差、IMU安装偏差角度误差以及其他误差。
        ④在调查区域中完成数据收集精度收敛步骤之后，数据收集系统直接从调查区域收集数据。
        2、数据处理流程
        航空LiDAR数据的处理主要包括POS数据处理和点云数据处理，这些数据由自动化软件进行处理以获得配电线路检查所需的各种报告结果。电力数据处理过程分为两部分：点云处理和检查报告生成。具体步骤如下：
        ①点云过滤。从最初收集的点云数据中筛选出大量哈希点和离群值。
        ②关键点的提取。点云数据的关键点是控制点云数据准确性的功能。
        ③根据从POS输出的高精度轨迹数据自动生成激光点云。
        ④记录全景图像和激光点云，并对点云进行着色。
        四、解决无人机电力线检查的智能避障建议
        1、扩大超声波应用范围
        为了拓宽超声波的应用范围，有必要在应用过程中提高检测速度和准确性。特别地，有必要提高超声的精度，以使得如果障碍物离开超声主动检查过程而使超声的精度不会变得太弱。当主动发射反射物体时，超声波可将要求降到最低。超声波技术的最大进步是可以在强风条件下或海绵吸附条件下使用超声波。不仅如此，还需要尽可能提高超声技术，以避免在主动测试过程中两台机器之间的相互干扰，并扩大超声的应用范围。
        2、促进激光技术的成熟
        需要促进激光技术的进步。激光技术是位移传感器，不仅可以给出范围值，而且激光技术的发展技术水平也必须相应提高。特别是，激光技术的光束非常狭窄，雷达可以由多个激光器组成。需要提高激光技术的精度和抗干扰能力，尤其是提高激光元件的技术。在目前的发展阶段，有必要扩大与其他国家的技术交流，升级激光元件的技术，避免昂贵的激光元件，并降低激光技术的能耗和激光技术的使用成本。
        3、减少对红外避障技术的干扰
        红外避障技术应减少对反射物体的要求，并改进红外技术，以使红外线不易吸收。特别地，需要提高防止某些黑色物体或可能是透明的透明物体之间的干扰的能力。这样，可以提高红外避障技术的准确性。
        结束语：
        在无人机巡检的实际应用领域中，不仅要考虑传输线环境中的客观障碍物，而且还要考虑不可见的障碍物，从而实现实时避障功能，选择最优的避障方法，保证无人机与输电线路之间无碰撞，完成高质量的无人机航路检查。
参考文献：
[1]丁为杰．无人机自主电力巡线关键技术研究［D］．山东大学，2019．
[2]高尚，刘帆，冯小青．基于机器视觉的无人机自主电力巡线关键技术研究［J］．大科技，2019，43．
[3]周小红，李向欢，石蕾，龙焕．无人机倾斜摄影技术在电力巡线树障检测中的实践应用研究［J］．电力大数据，2019，8．