王振華，周 云，郭方勇，朱敏杰

（深圳供電局有限公司輸電管理所，廣東 深圳 518000）

0 引 言

近些年來，隨著國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)快速發(fā)展，電力需求旺盛。結(jié)合國家能源戰(zhàn)略部署、西電東輸項(xiàng)目投入運(yùn)營以及超、特高壓輸電線路應(yīng)用，國家大電網(wǎng)格局基本實(shí)現(xiàn)。但是，我國幅員遼闊，地形氣候復(fù)雜多變，自然災(zāi)害頻發(fā)，再加上動(dòng)植物、飛鳥侵入，自然極端天氣影響，人為因素干擾，輸電線路距離長、分散性大、難以維護(hù)等因素的存在，給電網(wǎng)安全運(yùn)行帶來諸多隱患。因此，需要利用無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、無人機(jī)技術(shù)以及圖像處理和衛(wèi)星定位等先進(jìn)智能技術(shù)，定期巡查輸電線路及電網(wǎng)周邊環(huán)境，開展線路日常維護(hù)，排除各種隱患，及時(shí)掌握輸電線路動(dòng)態(tài)信息，保障國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)及人民日常生活穩(wěn)定。

利用無人機(jī)對高壓輸電線巡檢，解決了人工巡檢盲區(qū)問題，而且效率和巡檢質(zhì)量極高，安全性較強(qiáng)。無人機(jī)通過攜帶的定位設(shè)備、拍照設(shè)備以及多種無線傳感器設(shè)備等，可以精準(zhǔn)定位出隱患或故障位置，并利用自動(dòng)避障技術(shù)解決了發(fā)生碰撞等事故的情況，安全度極高[1-4]。操作人員利用可視化系統(tǒng)和無線遙控裝置能夠及時(shí)掌握無人機(jī)的飛行軌跡、飛行狀態(tài)、巡檢拍照、各種數(shù)據(jù)采集及狀態(tài)監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制和輸電線路巡線環(huán)境的重建，規(guī)范了輸電線路巡檢標(biāo)準(zhǔn)，拓寬了巡檢內(nèi)容和范圍。

1 無人機(jī)自主避障技術(shù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1.1 無人機(jī)自主避障設(shè)計(jì)思路

多旋翼無人機(jī)技術(shù)目前相對成熟，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)輕巧，飛行控制系統(tǒng)穩(wěn)定，操控性好、起降便利，便于運(yùn)輸、攜帶，能夠高速機(jī)動(dòng)飛行且可空中懸停，因此在輸電線路巡檢應(yīng)用較為廣泛。多翼無人機(jī)攜帶的微型影像采集及圖像識別系統(tǒng)，可對飛行路線進(jìn)行有效規(guī)劃，自動(dòng)避開障礙物，巡檢安全性能較高[5]。而且電磁抗干擾性強(qiáng)，操作人員采用航模遙控器，控制信號頻率為2.4 GHz，消除了圖像傳輸信號頻率（5.8 GHz）的干擾影響。此外，無人機(jī)安裝有同頻率S-BUS接收機(jī)，接收機(jī)接收遙控器控制信號后傳送給避障系統(tǒng)，避障系統(tǒng)通過傳感器自動(dòng)測量計(jì)算出無人機(jī)與故障物間的精準(zhǔn)距離，對遙控器信號進(jìn)行重構(gòu)后，傳送到飛行穩(wěn)定控制模塊，從而實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)的精準(zhǔn)避障功能。無人機(jī)避障技術(shù)主要采用超聲波、TOF、智能圖像識別處理以及測距識別技術(shù)等，通過云平臺系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)測距、定位以及軌跡規(guī)劃等功能[6]。

1.2 自主避障功能實(shí)現(xiàn)

多翼無人機(jī)自動(dòng)避障系統(tǒng)通過測距傳感器采集測距數(shù)據(jù)，云平臺對采集的控制信號和測距信號進(jìn)行綜合處理。無人機(jī)通過舵機(jī)接收到地面遙控信號后激發(fā)出相同的一個(gè)周期為20 ms左右，寬度為1～2 ms的負(fù)向中位脈沖信號。兩個(gè)脈沖信號經(jīng)過云平臺處理，獲得一個(gè)差值脈沖信號，云平臺判斷差值脈沖的正向或負(fù)向性后傳輸給遙控器?？刂乞?qū)動(dòng)系統(tǒng)飛行軌跡。云臺選擇多選擇控制精度高、反應(yīng)靈敏以及穩(wěn)定性好的設(shè)備，確保惡劣及復(fù)雜環(huán)境下無人機(jī)的穩(wěn)定性和安全性[7]。

云平臺在處理過程中綜合運(yùn)用威脅場、動(dòng)力學(xué)約束狀態(tài)，根據(jù)巡檢線路進(jìn)行幾何建模，對輸電線路無人機(jī)巡檢興趣點(diǎn)和威脅場進(jìn)行三維建模。無人機(jī)巡檢作業(yè)時(shí)，根據(jù)GIS地理信息庫信息設(shè)置好輸電線路桿塔信息庫后，多翼無人機(jī)利用機(jī)載攝像機(jī)、超聲波傳感器將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)讲僮饕曨l界面。無人機(jī)巡檢避障模型如圖1所示。

圖1 無人機(jī)巡檢避障模型

圖1中，X，Y表示經(jīng)度和緯度坐標(biāo)，實(shí)線表示待巡檢高壓輸電線路，小圓點(diǎn)表示巡檢線路中桿塔等標(biāo)的物結(jié)點(diǎn)，圓形陰影區(qū)域則表示為障礙物或者稱為威脅場，虛線則為避障系統(tǒng)為無人機(jī)規(guī)劃的實(shí)際飛行預(yù)期航跡。巡檢線路三維模型視圖中，桿塔多簡化成圓錐體，頂端的“導(dǎo)線”進(jìn)行桿塔的連接。圖中的圓柱體用于標(biāo)識障礙物，無人機(jī)飛行過程中需要保障其安全性，為實(shí)現(xiàn)這一目的需要在三維模型中實(shí)現(xiàn)無人機(jī)飛行軌跡的規(guī)劃，有效規(guī)避威脅場。

2 硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

2.1 電源模塊

Arduino UNO控制板作為超聲波傳感器及遙控器接收機(jī)的信息存儲單元，為了減少外界信息的干擾，采用外部獨(dú)立電源供電，圖2為系統(tǒng)供電模塊原理圖，Vin為電源輸入端口，允許輸入電壓范圍為5～10 V，A4端連接二極管，其單向?qū)ǖ奶匦杂行П苊饬讼到y(tǒng)元器件因電源極性接反而被燒毀的問題。

圖2 電源模塊圖

2.2 超聲波傳感器選型

綜合分析超聲波傳感器測距范圍、測量精度及其質(zhì)量、體積與無人機(jī)負(fù)荷能力相適配等問題，選取尺寸、重量適中，測量范圍較大、精度較高型號為US100-Y401的超聲波測距傳感器，如圖3所示。

圖3 US100-Y401 的超聲波測距傳感器

3 軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

無人機(jī)軟件控制流程如圖4所示。云臺控制中心接收遙控器接收機(jī)的信號后，及時(shí)對超聲波傳感器采集的距離信號進(jìn)行綜合處理和判斷，制定出三維模型，標(biāo)識出巡檢路線中的障礙物和興趣點(diǎn)，規(guī)劃出飛行軌跡。

圖4 軟件流程圖

4 無人機(jī)航路智能規(guī)劃算法

為實(shí)現(xiàn)多翼無人機(jī)的功能，需要要在系統(tǒng)當(dāng)中引入智能規(guī)劃算法，常用的算法包括幾何算法、粒子群算法、遺傳算法、模糊控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及蟻群算法等。本文采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法來實(shí)現(xiàn)避障功能。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法在無人機(jī)航路智能規(guī)劃中的應(yīng)用可很好實(shí)現(xiàn)無人機(jī)最大轉(zhuǎn)彎半徑、線路巡檢距離測算、規(guī)避障礙物等功能，利用算法獲得無人機(jī)飛行航路離散點(diǎn)陣。多旋翼無人機(jī)對輸電線路巡檢時(shí)，通過機(jī)載云平臺和攝像機(jī)獲取輸電線路中的興趣點(diǎn)，同時(shí)有效規(guī)避各種障礙物，進(jìn)行輸電線路飛行軌跡規(guī)劃，對輸電線路路徑進(jìn)行巡檢跟蹤。多旋翼無人機(jī)與輸電線路需要保持一定距離巡航，同時(shí)控制好飛行姿態(tài)[8]。

高壓輸電線路在GIS地理信息庫中具有固定的經(jīng)緯度坐標(biāo)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法可以簡化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)層數(shù)，大大提高了算法效率。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法采用最小均方差準(zhǔn)則，實(shí)現(xiàn)指標(biāo)權(quán)重和誤差修正。BP算法可以在MATLAB軟件中進(jìn)行編碼，利用軟件庫進(jìn)行仿真[9]。

BP學(xué)習(xí)訓(xùn)練后，巡檢無人機(jī)能夠有效避開巡檢線路中的障礙物。對于誤差修正，第一個(gè)桿塔處航路點(diǎn)誤差為-5×10-5，后續(xù)誤差較小[10]。通過仿真能夠發(fā)現(xiàn)，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法應(yīng)用效果很好，基于此算法能夠得到極高的固定高度高壓輸電線路巡檢準(zhǔn)確率。

5 結(jié) 論

無人機(jī)技術(shù)目前較為成熟，多翼無人機(jī)運(yùn)用到高壓線路巡檢中解決了人工巡檢存在的諸多困難，而且巡檢效率和巡檢質(zhì)量高、安全性好且成本較低。本文結(jié)合無人機(jī)特點(diǎn)，對自動(dòng)避障技術(shù)進(jìn)行分析和研究，通過應(yīng)用測距傳感器和機(jī)載云平臺技術(shù)以及BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，很好地實(shí)現(xiàn)了軟件仿真功能。并通過三維模型，利用可視化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了障礙物標(biāo)識和飛行軌跡規(guī)劃，確保巡檢任務(wù)有效完成。隨著5G移動(dòng)通信技術(shù)及大數(shù)據(jù)和云計(jì)算的應(yīng)用，無人機(jī)在高壓線路巡檢過程的應(yīng)用性能更加穩(wěn)定，效果更好。