王和平　楊偉旗　畢曉偉　毛鵬飛　劉曄

【摘 要】本文旨在為電力巡檢無人機(jī)提供有效的監(jiān)管手段，防止電力巡檢無人機(jī)飛出電力巡檢區(qū)域，避免安全事故的發(fā)生。文中首先介紹了無人機(jī)在電力巡檢方面的優(yōu)勢(shì)及不足，然后通過無人機(jī)飛行軌跡預(yù)測(cè)算法，預(yù)測(cè)無人機(jī)是否會(huì)飛離電力巡檢區(qū)域，能夠有效降低無人機(jī)在電力巡檢過程中的安全隱患，確保合法飛行的其他飛行器的安全。

【關(guān)鍵詞】無人機(jī);電力巡檢;監(jiān)管;預(yù)警

中圖分類號(hào)： TM75 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）13-0049-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.13.023

0 引言

隨著近年來無人機(jī)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，無人機(jī)憑借著它高機(jī)動(dòng)性、便于攜帶、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，無人機(jī)逐步運(yùn)用于各行各業(yè)。在無人機(jī)給我們?nèi)粘Ｉ顜肀憷耐瑫r(shí)，大量的飛行器涌入有限的空域，同樣也帶來了許多危險(xiǎn)。近年來無人機(jī)監(jiān)管的政策與制度愈發(fā)明確，無人機(jī)監(jiān)管預(yù)警技術(shù)也快速發(fā)展。

而在電力巡檢方面，對(duì)無人機(jī)監(jiān)管預(yù)警技術(shù)的研究方面較為缺失。電力巡檢無人機(jī)主要圍繞著輸電線路進(jìn)行巡檢作業(yè)，作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)相對(duì)固定，針對(duì)電力巡檢無人機(jī)這一飛行特點(diǎn)，可輸電線路劃定周邊部分區(qū)域?yàn)樽鳂I(yè)區(qū)域，限定電力巡檢無人機(jī)僅可在作業(yè)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行巡檢飛行，通過預(yù)測(cè)無人機(jī)是否會(huì)飛出作業(yè)區(qū)域，及時(shí)通知無人機(jī)并令其改變航向，以保證飛行安全。本文提出一種針對(duì)電力巡檢作業(yè)區(qū)域的預(yù)警算法，并將其運(yùn)用在電力巡檢無人機(jī)預(yù)警監(jiān)管系統(tǒng)中，對(duì)電力巡檢無人機(jī)及時(shí)的實(shí)施警告。

1 無人機(jī)在電力巡檢中的安全問題

輸電線路是電網(wǎng)的重要組成部分，輸電線路巡視是保障其可靠性運(yùn)行的重要手段，隨著新技術(shù)、新方法以及新的管理理念的引入，無人機(jī)已逐步得到重視并開始廣泛應(yīng)用于輸電線路巡視作業(yè)。

無人機(jī)巡視的廣泛應(yīng)用也暴露出無人機(jī)在電力巡檢方面所存在的安全隱患，具體安全隱患主要存在以下問題：

（1）無人機(jī)電力巡檢作業(yè)自身飛行存在安全隱患。由于電力巡檢運(yùn)用場(chǎng)景的特殊性，無人機(jī)需在輸電線路周圍進(jìn)行飛行作業(yè)，輸電線路周圍電磁場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，無人機(jī)在巡檢作業(yè)時(shí)由于電磁場(chǎng)的劇烈變化，可能會(huì)出現(xiàn)無人機(jī)失控、墜毀等危險(xiǎn)事故，存在一定的安全隱患。

（2）無人機(jī)巡檢作業(yè)的過程監(jiān)管不夠完善。作業(yè)人員在進(jìn)行電力巡檢作業(yè)時(shí)，具有較高的飛行自由度，同時(shí)作業(yè)人員對(duì)電力巡檢作業(yè)所申請(qǐng)的空域沒有直觀概念，無法保證作業(yè)過程完全在申請(qǐng)空域內(nèi)飛行。由于電力巡檢作業(yè)缺乏對(duì)無人機(jī)飛行的有效監(jiān)管手段，巡檢無人機(jī)飛出合法空域時(shí)，管理人員及作業(yè)人員無法及時(shí)掌握飛行情況，可能會(huì)對(duì)其他合法飛行的飛行器造成威脅。

在電力巡檢方面，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)無人機(jī)飛行的監(jiān)管，對(duì)無人機(jī)的飛行軌跡進(jìn)行實(shí)時(shí)的預(yù)警，在無人機(jī)將要飛離合法空域時(shí)作出預(yù)警，并及時(shí)通知該無人機(jī)，提醒無人機(jī)駕駛員改變航向。

2 無人機(jī)飛行軌跡預(yù)測(cè)技術(shù)分析

作為機(jī)動(dòng)靈活的移動(dòng)目標(biāo)，無人機(jī)的飛行軌跡預(yù)測(cè)具有較高的技術(shù)難度。在對(duì)無人機(jī)的飛行軌跡進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)，需要預(yù)測(cè)無人機(jī)這個(gè)移動(dòng)目標(biāo)整體的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，而不僅僅是無人機(jī)在某一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，因此需要通過無人機(jī)在某一時(shí)段內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡曲線來預(yù)測(cè)它是否會(huì)飛出作業(yè)區(qū)域。采用最小二乘曲線擬合算法[1]，可根據(jù)無人機(jī)一段時(shí)間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡信息，運(yùn)用合適的多項(xiàng)式函數(shù)對(duì)無人機(jī)的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行曲線擬合[2]來預(yù)測(cè)無人機(jī)的飛行軌跡。然后再通過大量的實(shí)驗(yàn)以及對(duì)軌跡類型的判斷，采用合適階次的擬合多項(xiàng)式函數(shù)，可以提升無人機(jī)的軌跡預(yù)測(cè)效果。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于不需要大量的移動(dòng)目標(biāo)的數(shù)據(jù)信息，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理速度比較快，計(jì)算復(fù)雜度不高，實(shí)時(shí)性較高。

我們通過采集無人機(jī)在當(dāng)前一段時(shí)間內(nèi)飛行的一些離散經(jīng)緯度坐標(biāo)點(diǎn)，經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后，采用改進(jìn)的最小二乘曲線擬合算法來對(duì)無人機(jī)的飛行軌跡進(jìn)行預(yù)測(cè)[3]，可以達(dá)到較好的預(yù)測(cè)效果。

3 無人機(jī)電力巡檢中的監(jiān)管預(yù)警技術(shù)

在完成無人機(jī)飛行軌跡的預(yù)測(cè)技術(shù)之后，還需解決無人機(jī)飛離作業(yè)區(qū)域的預(yù)警。對(duì)于電力巡檢作業(yè)的無人機(jī)來說，如何預(yù)測(cè)無人機(jī)是否會(huì)飛離作業(yè)區(qū)域，及時(shí)地預(yù)警通知無人機(jī)駕駛員，以提醒其所駕駛的無人機(jī)需改變飛行方向或速度，從而避免無人機(jī)飛離作業(yè)區(qū)域。采用最小二乘曲線擬合算法可預(yù)測(cè)除無人機(jī)的飛行軌跡曲線，再通過無人機(jī)飛行軌跡曲線的切線方程，可通過計(jì)算無人機(jī)的飛行軌跡曲線是否與作業(yè)區(qū)域的邊界相交來預(yù)測(cè)該無人機(jī)是否會(huì)飛離作業(yè)區(qū)域。然而電力巡檢作業(yè)的區(qū)域基本上都是不規(guī)則形狀的，如何判斷直線與不規(guī)則圖形是否相交是亟待解決的難題。

針對(duì)巡檢作業(yè)無人機(jī)飛離作業(yè)區(qū)域的預(yù)警問題，可通過監(jiān)管預(yù)警技術(shù)解決這一問題，實(shí)現(xiàn)巡檢作業(yè)無人機(jī)飛離作業(yè)區(qū)域的預(yù)警，該技術(shù)的流程圖如下所示：

該算法的主要原理如下：

1）將作業(yè)區(qū)域、合法空域的拐點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)化。將由GPS獲取到的WGS-84坐標(biāo)系下的描述合法空域邊界拐點(diǎn)的大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到高斯平面直角坐標(biāo)系下的平面直角坐標(biāo)[4]。具體處理方法如下：

（1）現(xiàn)將某點(diǎn)由GPS直接測(cè)量出的WGS-84坐標(biāo)系下的大地坐標(biāo)，轉(zhuǎn)換為WGS-84坐標(biāo)系空間直角坐標(biāo)，可采用如下公式進(jìn)行轉(zhuǎn)換：

（2）再進(jìn)行WGS-84空間直角坐標(biāo)到BJ-54空間直角坐標(biāo)系的變化，可根據(jù)布爾沙坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式通過參數(shù)轉(zhuǎn)換后，獲得該點(diǎn)在BJ-54空間直角坐標(biāo)系下的對(duì)應(yīng)坐標(biāo);

（3）然后通過將BJ-54空間直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為BJ-51大地坐標(biāo)，可采用以下公式進(jìn)行轉(zhuǎn)換：

式中，L為大地經(jīng)度，B為大地緯度，H為大地高度，N為該點(diǎn)卯酉圈半徑;a、b、e依次為該橢球體的長(zhǎng)半徑長(zhǎng)、短半徑長(zhǎng)、第一偏心率。

（4）將BJ-54坐標(biāo)系下的大地坐標(biāo)（B2，L2）通過高斯投影法將該地理球面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成高斯平面坐標(biāo)（x，y）。

2）通過改進(jìn)的最小二乘法擬合算法對(duì)無人機(jī)的飛行軌跡進(jìn)行預(yù)測(cè)。針對(duì)采用傳統(tǒng)的最小二乘曲線擬合算法，僅僅依靠在某一時(shí)刻對(duì)無人機(jī)飛行軌跡的單次曲線擬合來預(yù)測(cè)該無人機(jī)飛行軌跡的不足之處，我們提出了改進(jìn)的最小二乘曲線擬合算法，采用分段函數(shù)對(duì)無人機(jī)的飛行軌跡曲線進(jìn)行描述，不間斷地對(duì)無人機(jī)的飛行軌跡進(jìn)行預(yù)測(cè)。

3）采用遺傳算法求解合法空域的最大內(nèi)接矩形（Maximum Enclosed Rectangle，MER）。遺傳算法是一種自適應(yīng)的全局優(yōu)化方法，可求解多目標(biāo)、多模型、非線性等復(fù)雜系統(tǒng)問題，是一種高效、強(qiáng)魯棒性的算法，很適合求解MER問題。首先采用浮點(diǎn)數(shù)進(jìn)行編碼，然后在遺傳算法中設(shè)計(jì)一種初始種群的生成辦法，提高初始種群的質(zhì)量，并引入懲罰項(xiàng)以及精英保存策略使得遺傳算法可以解決任意不規(guī)則封閉圖形內(nèi)的MER問題[5]。通過計(jì)算找出的該合法空域的最大內(nèi)接矩形來近似代替該合法空域。

4）計(jì)算無人機(jī)飛行軌跡曲線在當(dāng)前位置點(diǎn)的切線，通過計(jì)算該切線是否會(huì)與代替該空域的最大內(nèi)接矩形相交來判斷無人機(jī)是否會(huì)飛離作業(yè)區(qū)域。

通過監(jiān)管預(yù)警技術(shù)來解決如何判斷無人機(jī)是否會(huì)進(jìn)入禁飛區(qū)問題，如果無人機(jī)飛行軌跡曲線在當(dāng)前位置點(diǎn)的切線與作業(yè)區(qū)域的最小內(nèi)接矩形相交，求出與當(dāng)前點(diǎn)距離最近的交點(diǎn)，并計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻無人機(jī)與作業(yè)區(qū)域邊界的距離，及時(shí)實(shí)施告警，并將當(dāng)前時(shí)刻無人機(jī)離作業(yè)區(qū)域邊界的距離等告警信息以UDP的方式發(fā)送給該無人機(jī)駕駛員的地面站，通知駕駛員改變無人機(jī)的飛行速度或方向，避免飛離合法飛行區(qū)域，保證飛行安全;如果不相交，則進(jìn)行下一時(shí)刻的預(yù)警。

4 總結(jié)

近年來隨著無人機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，在電力巡檢方面無人機(jī)也得到廣泛應(yīng)用。隨著大量的無人機(jī)在低空域飛行，如何確?？沼虻慕煌ò踩?，防止發(fā)生空中交通事故，便變得非常重要，因此對(duì)無人機(jī)預(yù)警技術(shù)的研究越來越受到研究學(xué)者的關(guān)注。而輸電線路的巡檢是國(guó)家電網(wǎng)工程中的重要一環(huán)，保證輸電線路安全穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)，也需保證無人機(jī)巡檢的安全。因此本文針對(duì)無人機(jī)在輸電線路巡檢方面的飛行安全進(jìn)行了深入的研究與分析，提出了無人機(jī)電力巡檢的監(jiān)管預(yù)警技術(shù)，防止無人機(jī)飛離作業(yè)區(qū)域（合法空域），該技術(shù)的提出對(duì)電力巡檢無人機(jī)的監(jiān)督管理與預(yù)警技術(shù)研究起到了推動(dòng)作用。

未來無人機(jī)也將往更智能、更穩(wěn)定、更安全、更高效方面發(fā)展，在無人機(jī)監(jiān)管方面，管理體（下轉(zhuǎn)第41頁）（上接第50頁）系逐步完善，同時(shí)結(jié)合科技手段，無人機(jī)的監(jiān)管預(yù)警也將愈加智能、合理。

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