付國萍，田小壯，劉家辛，王偉光，王正武，李 松，高小偉，王 祝

（1.國網(wǎng)新疆電力有限公司 超高壓分公司，烏魯木齊 830001；2.北京御航智能科技有限公司，北京 100193；3.華北電力大學(xué) 自動化系，河北 保定 071003）

0 引言

電力系統(tǒng)的穩(wěn)定與國民經(jīng)濟(jì)的正常運(yùn)作密切相關(guān)，運(yùn)維工作對保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定具有重要意義。隨著無人機(jī)及傳感技術(shù)的發(fā)展，無人機(jī)巡檢開始被應(yīng)用于變電站、輸配電線路等實際環(huán)境中［1］。其中，如何實現(xiàn)安全、自主、快速的巡檢，是變電站巡檢無人機(jī)研究的核心問題。文獻(xiàn)［2］分析了當(dāng)前變電站巡檢存在的問題，對變電站無人機(jī)巡檢模式進(jìn)行了探討；文獻(xiàn)［3］開展了變電站三維重建技術(shù)研究，為變電站運(yùn)維提供了三維可視化支撐；文獻(xiàn)［4］提出了一種基于編碼標(biāo)志的自主定位方法，實現(xiàn)了厘米級定位，為巡檢無人機(jī)自主避障提供了支撐；文獻(xiàn)［5］開展了邊緣計算框架設(shè)計和資源調(diào)度方法研究，可以在計算資源約束下快速發(fā)現(xiàn)設(shè)備缺陷。

變電站無人機(jī)巡檢技術(shù)當(dāng)前主要集中在對應(yīng)用方案的探討以及定位導(dǎo)航、任務(wù)調(diào)度等算法的研究上，由于試驗條件的限制，相關(guān)技術(shù)研究難以開展實際測試。為了便于對變電站無人機(jī)巡檢系統(tǒng)相關(guān)功能、模式、算法進(jìn)行驗證，本文基于ROS（Robot Operating System）、PX4 和Gazebo 平臺搭建變電站無人機(jī)自主巡檢仿真系統(tǒng)，實現(xiàn)對無人機(jī)建圖定位、路徑規(guī)劃、飛行控制等功能的仿真測試，以降低無人機(jī)巡檢系統(tǒng)用于實際任務(wù)時的風(fēng)險。

1 仿真系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

變電站無人機(jī)自主巡檢仿真系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示，其主要由ROS 導(dǎo)航仿真模塊、PX4 無人機(jī)控制軟件的在環(huán)仿真（Software in the Loop，SITL）模塊、Gazebo 三維物理仿真模塊三個部分組成。其中，ROS仿真模塊主要包括狀態(tài)估計節(jié)點(diǎn)以及路徑規(guī)劃節(jié)點(diǎn)；Gazebo 仿真模塊主要包括變電站三維環(huán)境模型、無人機(jī)運(yùn)動仿真模型和傳感器仿真模型；PX4_SITL 模塊主要包括無人機(jī)的姿態(tài)控制器、位置控制器和路徑導(dǎo)航控制器。

圖1 變電站無人機(jī)自主巡檢仿真系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Simulation system structure of autonomous quadrotor inspection for substations

仿真系統(tǒng)中不同模塊間的信息交互關(guān)系如圖2 所示。其中，ROS 模塊和PX4_SITL 模塊之間利用mavlink 和mavros 實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互；PX4_SITL 模塊和Gazebo 模塊之間利用simulator_mavlink 和mavlink_API 實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互；ROS 模塊和Gazebo 模塊之間通過Gazebo_ROS_API 實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

圖2 仿真系統(tǒng)各模塊間的信息交互關(guān)系Fig.2 Communications among different modules of the simulation system

變電站無人機(jī)自主巡檢仿真系統(tǒng)運(yùn)行時，各模塊間的數(shù)據(jù)交互情況如下。Gazebo 中的無人機(jī)運(yùn)動仿真模型和傳感器仿真模型提供無人機(jī)位姿和激光雷達(dá)等傳感器數(shù)據(jù)。其中，位姿估計值通過mavlink_API 發(fā)送給PX4_SITL，位姿真實值和雷達(dá)數(shù)據(jù)通過Gazebo_ROS_API 發(fā)送給ROS。ROS 中的狀態(tài)估計節(jié)點(diǎn)訂閱“/gazebo”節(jié)點(diǎn)發(fā)布的無人機(jī)位置與“/mavros”節(jié)點(diǎn)發(fā)布的無人機(jī)IMU（Inertial Measurement Unit）數(shù)據(jù)進(jìn)行狀態(tài)估計；路徑規(guī)劃節(jié)點(diǎn)訂閱“/gazebo”節(jié)點(diǎn)發(fā)布的傳感器數(shù)據(jù)，構(gòu)建環(huán)境柵格地圖；同時，訂閱狀態(tài)估計節(jié)點(diǎn)發(fā)布的無人機(jī)姿態(tài)規(guī)劃出無人機(jī)的巡檢路徑。PX4_SITL 模塊通過mavlink 接收ROS 發(fā)送的路徑規(guī)劃結(jié)果和Gazebo 發(fā)送的無人機(jī)位姿，解算電機(jī)轉(zhuǎn)速形成控制指令，并將此指令通過simulator_mavlink 發(fā)送至Gazebo 的無人機(jī)運(yùn)動仿真模型，改變無人機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而實現(xiàn)無人機(jī)在Gazebo 中自主巡檢飛行。

2 主要模塊的功能與方案

本節(jié)對變電站無人機(jī)巡檢仿真系統(tǒng)的主要組成模塊進(jìn)行闡述，包括各模塊的功能、內(nèi)部組成、接口關(guān)系和實現(xiàn)方案等。

2.1 基于ROS 的無人機(jī)導(dǎo)航仿真模塊

為了實現(xiàn)導(dǎo)航仿真模塊的快速搭建、提高該模塊的兼容性，采用ROS 提供的導(dǎo)航工具包，實現(xiàn)無人機(jī)變電站巡檢過程的自主導(dǎo)航。ROS 是一個適用于機(jī)器人開發(fā)的開源元操作系統(tǒng)，在無人機(jī)、無人車、機(jī)械臂等機(jī)器人領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用［6］。ROS 采用分布式的設(shè)計架構(gòu)，將機(jī)器人的功能模塊封裝成節(jié)點(diǎn)（Node），不同節(jié)點(diǎn)之間通過消息（Topic）、服務(wù)（Service）、動作（Action）實現(xiàn)信息交互。在變電站無人機(jī)自主巡檢仿真系統(tǒng)中，設(shè)計的無人機(jī)導(dǎo)航仿真模塊主要包括狀態(tài)估計節(jié)點(diǎn)和路徑規(guī)劃節(jié)點(diǎn)。

（1）狀態(tài)估計節(jié)點(diǎn)。

狀態(tài)估計節(jié)點(diǎn)根據(jù)獲取的傳感器數(shù)據(jù)，估計出無人機(jī)在環(huán)境中的位置和姿態(tài)信息。例如，可利用GPS（Global Positioning System，GPS）估計無人機(jī)的絕對位置，也可以根據(jù)相機(jī)、激光雷達(dá)等傳感器數(shù)據(jù)估計無人機(jī)在環(huán)境中的相對位置；無人機(jī)的姿態(tài)信息可通過慣性傳感器測量得到，也可根據(jù)相機(jī)或雷達(dá)數(shù)據(jù)通過狀態(tài)估計獲得。在構(gòu)建的巡檢仿真系統(tǒng)中，基于Gazebo 平臺提供的真實數(shù)據(jù)和無人機(jī)IMU 的數(shù)據(jù)，通過濾波融合估計出無人機(jī)的位置和姿態(tài)。狀態(tài)估計節(jié)點(diǎn)為了獲得無人機(jī)狀態(tài)融合的輸入數(shù)據(jù)，可利用Gazebo 的Truth 插件獲得無人機(jī)在Gazebo 世界中的真實位置，同時訂閱mavros 節(jié)點(diǎn)所發(fā)布的“/mavros/imu/data”話題獲得無人機(jī)的姿態(tài)四元數(shù)數(shù)據(jù)，最后將狀態(tài)估計節(jié)點(diǎn)對位置與姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波融合，并將結(jié)果發(fā)布至mavros 節(jié)點(diǎn)的“/mavros/vision_pose/pose”話題。

（2）路徑規(guī)劃節(jié)點(diǎn)。

路徑規(guī)劃節(jié)點(diǎn)的功能主要包括地圖構(gòu)建和路徑搜索。環(huán)境地圖是無人機(jī)進(jìn)行自主導(dǎo)航的基礎(chǔ)，目前常見的地圖類型有點(diǎn)云地圖、柵格地圖和拓?fù)涞貓D等。在構(gòu)建的巡檢仿真系統(tǒng)中，通過構(gòu)建柵格地圖對環(huán)境進(jìn)行描述。仿真系統(tǒng)中構(gòu)建柵格地圖的步驟如下。

第一步：初始化柵格空間。根據(jù)變電站的尺寸和實際任務(wù)要求，設(shè)定合適的分辨率R，構(gòu)建均勻分割的三維柵格空間，并將各個柵格對應(yīng)的占據(jù)狀態(tài)初始化為0。

第二步：構(gòu)建柵格地圖。根據(jù)激光雷達(dá)獲取的變電站點(diǎn)云信息，為柵格空間的各個單元進(jìn)行賦值，完成占據(jù)柵格地圖的構(gòu)建。即根據(jù)點(diǎn)云在柵格地圖的投影，將有點(diǎn)云投影存在的柵格占據(jù)狀態(tài)更新為1，表示此單元被障礙物所占據(jù)。

第三步：變電站設(shè)備所占空間膨脹?？紤]到無人機(jī)與變電站設(shè)備間的安全距離要求，為了保證無人機(jī)的飛行安全，在前述柵格地圖結(jié)果上，對設(shè)備所占據(jù)空間進(jìn)行膨脹處理，即將設(shè)備周圍的柵格占據(jù)狀態(tài)也賦值為1，使得無人機(jī)的飛行路徑與設(shè)備實際占據(jù)空間保留一定的安全距離。

在完成地圖構(gòu)建的基礎(chǔ)上，為了避免無人機(jī)在巡檢過程中與設(shè)備相撞，且盡可能使得巡檢路徑最短，需要利用路徑搜索算法規(guī)劃從起點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的可行路徑。本文中基于A*算法實現(xiàn)路徑規(guī)劃，A*算法是一種啟發(fā)式搜索算法，它通過啟發(fā)式函數(shù)來引導(dǎo)搜索方向，使得擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)規(guī)模下降，同時找到全局最優(yōu)路徑。A*算法的代價函數(shù)f（n）由g（n）和h（n）兩部分組成，g（n）表示起始節(jié)點(diǎn)到節(jié)點(diǎn)n的真實代價，h（n）表示節(jié)點(diǎn)n到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的估計代價。在仿真系統(tǒng)中，g（n）和h（n）分別使用歐式距離公式和對角距離公式計算得到。規(guī)劃起點(diǎn)即無人機(jī)當(dāng)前位置通過訂閱狀態(tài)估計節(jié)點(diǎn)得到，路徑規(guī)劃結(jié)果則通過向“mavros/setpoint_position/local”話題發(fā)布期望位置信息傳遞給mavros 節(jié)點(diǎn)。

2.2 基于PX4_SITL 的無人機(jī)控制仿真模塊

無人機(jī)控制器仿真基于PX4_SITL 實現(xiàn)，PX4_SITL 內(nèi)部使用PX4 作為無人機(jī)的控制軟件。PX4 是一款開源的專業(yè)級飛控軟件，其結(jié)構(gòu)主要包括兩層：（1）用于狀態(tài)估計和控制的飛行控制棧；（2）處理輸入/輸出通信和硬件集成的中間件［7］。PX4 采用響應(yīng)式設(shè)計，不同功能被分割成可替換、可復(fù)用的部件，系統(tǒng)異步并行運(yùn)行，能夠適應(yīng)不同的負(fù)載情況。由于PX4_SITL 采用PX4 作為控制內(nèi)核，而PX4 可以直接應(yīng)用于實際的無人機(jī)飛行控制，因此基于PX4_SITL 搭建控制仿真模塊，能夠很好地模擬實際無人機(jī)飛行時的控制性能［8］。

無人機(jī)控制仿真主要利用了PX4_SITL 的姿態(tài)控制、位置控制和路徑控制功能。路徑控制器根據(jù)A*路徑規(guī)劃得到的路徑和無人機(jī)實時位置，生成無人機(jī)當(dāng)前的期望位置指令。位置控制器根據(jù)期望位置指令以及實時位置與速度等狀態(tài)，生成期望姿態(tài)指令。姿態(tài)控制器根據(jù)期望姿態(tài)指令和實時姿態(tài)，生成期望電機(jī)轉(zhuǎn)速指令，從而控制槳葉旋轉(zhuǎn)，達(dá)到無人機(jī)按期望路徑巡檢的目的。在數(shù)據(jù)交互方面，PX4_SITL 通過mavlink 接收ROS 發(fā)送的無人機(jī)路徑規(guī)劃結(jié)果；通過simulator_mavlink 接收無人機(jī)Gazebo 發(fā)送的位置、速度、加速度、姿態(tài)等狀態(tài)信息；同時PX4_SITL 通過simulator_mavlink 將生成的電機(jī)指令發(fā)送至Gazebo 中的無人機(jī)運(yùn)動仿真模型。

2.3 基于Gazebo 的物理仿真模塊

Gazebo 是一款廣泛應(yīng)用的三維動態(tài)仿真器，其提供了高逼真度的物理模擬引擎，集成了多種不同的機(jī)器人仿真模型和典型的傳感器仿真模型［9］。同時，Gazebo 也是開源仿真平臺，開發(fā)人員可以根據(jù)仿真需求構(gòu)建自己的機(jī)器人動力學(xué)、傳感器等模型，因此利用Gazebo 能夠方便快速地完成無人機(jī)仿真系統(tǒng)的定制搭建［10］。

在構(gòu)建的仿真系統(tǒng)中，基于Gazebo 的物理仿真模塊主要包括無人機(jī)飛行場景即變電站的三維模型和無人機(jī)以及其傳感器的仿真模型。其中，變電站模型為靜態(tài)模型，主要用于巡檢環(huán)境顯示、無人機(jī)碰撞檢測、傳感器測量對象；無人機(jī)及其傳感器模型均為動態(tài)模型，通過底層的數(shù)學(xué)模型驅(qū)動實現(xiàn)對真實無人機(jī)運(yùn)動和傳感器測量的模擬。圖3（a）為變電站三維模型示例，該變電站模型包含變壓器、導(dǎo)線、絕緣子、互感器和避雷針等典型設(shè)備。三維變電站模型可以利用SoildWorks 軟件繪制而成，然后導(dǎo)出對Gazebo 支持的URDF 模型文件，從而可實現(xiàn)模型在Gazebo 中的打開和操作。圖3（b）為選用的是3DR-IRIS 無人機(jī)模型，其尺寸為0.47 m×0.47 m×0.11 m。在無人機(jī)模型集成的IMU、GPS 傳感器基礎(chǔ)上，為其配置16 線激光雷達(dá)以實現(xiàn)環(huán)境地圖構(gòu)建。

圖3 Gazebo 中變電站和無人機(jī)模型Fig.3 Subsation model and UAV model in Gazebo

在巡檢仿真系統(tǒng)中，無人機(jī)的PID 控制器參數(shù)設(shè)置如表1 所示。

表1 無人機(jī)PID 控制器參數(shù)設(shè)定值Tab.1 Parameter settings of UAV PID controllers

Gazebo 仿真模塊通過模型插件的方式實現(xiàn)仿真數(shù)據(jù)的發(fā)送。在無人機(jī)模型文件中定義對應(yīng)參數(shù)的插件后，可以通過Gazebo_ROS_API 將無人機(jī)的位置和激光雷達(dá)數(shù)據(jù)發(fā)送給ROS 模塊的“/gazebo”節(jié)點(diǎn)，可以通過mavlink_API 插件將IMU、加速度計等傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送給PX4_SITL 模塊。

3 仿真試驗

本節(jié)基于已構(gòu)建的變電站無人機(jī)自主巡檢仿真系統(tǒng)，開展自主巡檢飛行仿真試驗，以驗證仿真系統(tǒng)的有效性，仿真試驗在Ubuntu 18.04 系統(tǒng)下進(jìn)行。

基于圖3 所示的變電站三維模型和無人機(jī)模型實例，通過激光雷達(dá)掃描獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并構(gòu)建變電站的三維柵格地圖，結(jié)果如圖4 所示。由圖4 可知，無人機(jī)及傳感器仿真模型能夠通過激光雷達(dá)測量完成對三維變電站模型的有效掃描，通過對比柵格地圖和三維虛擬模型可知，構(gòu)建的柵格地圖能夠反映變電站的設(shè)備位置，進(jìn)而可以為無人機(jī)導(dǎo)航提供準(zhǔn)確的環(huán)境信息。

圖4 無人機(jī)導(dǎo)航的變電站柵格地圖Fig.4 Grid map of substation for UAV navigation

在完成環(huán)境柵格地圖構(gòu)建的基礎(chǔ)上，設(shè)置待檢測點(diǎn)的位置，然后由路徑規(guī)劃節(jié)點(diǎn)生成檢測點(diǎn)間的飛行路徑，將路徑發(fā)送給無人機(jī)控制模塊進(jìn)行路徑跟蹤飛行仿真。無人機(jī)巡檢飛行路徑的俯視圖如圖5 所示，圖中圓點(diǎn)為設(shè)定的檢測點(diǎn)，實線為無人機(jī)的實際飛行路徑。無人機(jī)從位置點(diǎn)a起飛，依次經(jīng)過檢測點(diǎn)1 至點(diǎn)13，最后回到檢測點(diǎn)1。由圖5 可知，仿真系統(tǒng)能夠為無人機(jī)規(guī)劃生成滿足任務(wù)需要的巡檢路徑，且因?qū)υO(shè)備占據(jù)空間進(jìn)行了膨脹處理，所以規(guī)劃出的路徑能夠遠(yuǎn)離變電站設(shè)備，保障巡檢安全。

圖5 無人機(jī)巡檢路徑俯視圖Fig.5 Top view of UAV inspection path

圖6 為Gazebo 環(huán)境下的無人機(jī)巡檢仿真效果圖，利用Gazebo 仿真引擎可以直觀地觀測無人機(jī)的運(yùn)動過程是否滿足約束條件，也可以檢測無人機(jī)的巡檢飛行過程是否滿足任務(wù)需求。構(gòu)建的變電站無人機(jī)自主巡檢仿真系統(tǒng)，可以集成自研的無人機(jī)建圖導(dǎo)航、路徑規(guī)劃、視覺識別、故障檢測等功能模塊，通過開展完整的無人機(jī)巡檢仿真飛行對各個模塊功能進(jìn)行仿真測試，能夠為變電站無人機(jī)自主巡檢相關(guān)技術(shù)的驗證提供一種直觀的仿真驗證手段。

圖6 基于Gazebo 的巡檢無人機(jī)飛行仿真Fig.6 Flight simulation of inspection UAV based on Gazebo

4 結(jié)論

本文設(shè)計和搭建了一套基于ROS、PX4 和Gazebo 的變電站無人機(jī)自主巡檢仿真系統(tǒng)。其中，ROS 主要實現(xiàn)環(huán)境建圖、無人機(jī)狀態(tài)估計和路徑規(guī)劃等功能，為無人機(jī)自主導(dǎo)航提供支撐；PX4 用于模擬真實無人機(jī)的飛行控制模塊；Gazebo 用于對無人機(jī)運(yùn)動模型的仿真和整個場景的可視化仿真。在完成仿真系統(tǒng)搭建的基礎(chǔ)上，開展了變電站無人機(jī)自主巡檢仿真試驗。試驗結(jié)果表明，搭建的仿真系統(tǒng)能夠模擬無人機(jī)對變電站的巡檢過程，可以用作無人機(jī)巡檢任務(wù)制定、路徑規(guī)劃、自主導(dǎo)航等技術(shù)研究的仿真測試平臺，能夠為變電站環(huán)境下實現(xiàn)無人機(jī)自主巡檢提供技術(shù)支持。