董軍 陳睿 李博 覃思翔 趙偉

摘要 本文研究了基于軟、硬件結(jié)合的無人機(jī)自主智能巡檢輸電線路規(guī)劃的問題。首先分析了目前無人機(jī)巡檢中存在的幾個問題：任務(wù)載荷單一、功能未得到充分開發(fā)、環(huán)境適應(yīng)性差，由此提出一種采用視覺傳感器、激光雷達(dá)結(jié)合三維空間建模軟件，將無人機(jī)中差分定位技術(shù)、局部環(huán)境地圖進(jìn)行矢量疊加，建立三維空間模型的辦法，最后達(dá)到無人機(jī)最優(yōu)飛行控制和飛行航線選擇的效果。

關(guān)鍵詞 智能巡檢 視覺傳感器 激光雷達(dá) 三維空間模型

隨著無人機(jī)在輸電線路巡檢方面的頻繁應(yīng)用，無人機(jī)航線規(guī)劃問題成為無人機(jī)巡檢任務(wù)規(guī)劃技術(shù)中的關(guān)鍵。目前無人機(jī)在電力巡檢方面的航線智能規(guī)劃存在著一定的不足：現(xiàn)有的無人機(jī)巡檢技術(shù)通常會根據(jù)不同位置的衛(wèi)星定位信息的差異來捕獲無人機(jī)的位置，誤差大，數(shù)據(jù)獲取形式單一，定位不精確[1]-[4]。無人機(jī)根據(jù)定位系統(tǒng)中的地圖為無人機(jī)規(guī)劃路線，不能及時更新路線來規(guī)劃無人機(jī)航行狀況，不能將自身位置信息同實(shí)際環(huán)境信息結(jié)合起來，模擬出真實(shí)飛行環(huán)境，智能化程度低[5]。

本文提出了基于激光雷達(dá)、視覺傳感器、三維空間建模軟件等一系列數(shù)據(jù)融合分析來檢測障礙物位置信息的方法。在硬件方面常用超聲波、激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)等器件。在軟件方面采用基于雙目立體視覺測距方法的自動避障技術(shù)等，其原理均是利用多個攝像頭獲得多目圖像信息，重建三維場景。

1 路徑規(guī)劃原理

1）障礙物檢測

毫米波雷達(dá)為無人機(jī)懸吊裝置，雷達(dá)采用TOF（Time of flight飛行時間）測距方法，其原理是通過給目標(biāo)連續(xù)發(fā)送光脈沖，然后用傳感器接收從物體返回的光，通過探測光脈沖的飛行（往返）時間來得到目標(biāo)物距離。激光測距無人機(jī)系統(tǒng)通過多旋翼無人機(jī)搭載雷達(dá)，實(shí)時測量無人機(jī)相對于線纜的相對位置，并作為反饋值傳遞給飛控系統(tǒng)，通過飛控系統(tǒng)對距離進(jìn)行實(shí)時調(diào)整，實(shí)現(xiàn)高精度的距離測量或障礙避退。

2）視覺感知分析

無人機(jī)會攜帶視覺感知信息模塊，利用雙目視覺進(jìn)行立體匹配是環(huán)境建模的關(guān)鍵步驟：當(dāng)兩個相機(jī)進(jìn)行拍攝時，將圖像信息無線傳輸?shù)降孛嬲緯r，地面站工作端接受到影像數(shù)據(jù)后，通過高精度測量系統(tǒng)進(jìn)行測量，如圖1為數(shù)據(jù)分析原理圖。

（1）選取合適角度及距離的左右影像數(shù)據(jù)，在影像窗口中選取同名點(diǎn)，通過左右影像的同名點(diǎn)求得該點(diǎn)位在相對坐標(biāo)系中的物方坐標(biāo)。通過兩個點(diǎn)的物方坐標(biāo)即可獲得兩點(diǎn)間的距離。

P為目標(biāo)點(diǎn)，需要解算P點(diǎn)在相對坐標(biāo)系的三維坐標(biāo)。P點(diǎn)在雙目立體視屏上分別成像，定義為，其像方坐標(biāo)分別為、，通過共線條件方程可得到以下兩組方程

在無人機(jī)在飛行過程會打開高清可見光照相機(jī)，照相機(jī)將拍攝航線前進(jìn)的周圍的環(huán)境，無人機(jī)的毫米波雷達(dá)對地面進(jìn)行掃描然后經(jīng)處理形成點(diǎn)云，并與視覺傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，實(shí)現(xiàn)全方位、多線程的障礙物位置檢測，運(yùn)用智能航跡在線規(guī)劃技術(shù)對已經(jīng)注入的航跡任務(wù)進(jìn)行在線調(diào)整或再規(guī)劃實(shí)現(xiàn)對障礙物的躲避繞行。

3）避障路徑規(guī)劃

采用A*算法作為最優(yōu)路徑的搜索策略時，對位置進(jìn)行合理評估是搜索最優(yōu)路徑的關(guān)鍵。A*算法是一種啟發(fā)式搜索算法，在對狀態(tài)空間的搜索過程中，對每一個待搜索位置都進(jìn)行評估，并根據(jù)估價結(jié)果獲得較好的起始位置。

首先在地面站形成智能規(guī)劃航線后，地面站通過無線發(fā)射器將航線導(dǎo)入無人機(jī)系統(tǒng)，無人機(jī)響應(yīng)后將按航線進(jìn)行飛行。在無人機(jī)在飛行過程會打開高清可見光照相機(jī)，照相機(jī)將拍攝航線前進(jìn)的周圍的環(huán)境，無人機(jī)的毫米波雷達(dá)對地面進(jìn)行掃描然后經(jīng)處理形成點(diǎn)云，并與視覺傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，實(shí)現(xiàn)全方位、多線程的障礙物位置檢測，運(yùn)用智能航跡在線規(guī)劃技術(shù)對已經(jīng)注入的航跡任務(wù)進(jìn)行在線調(diào)整或再規(guī)劃實(shí)現(xiàn)對障礙物的躲避繞行。無人機(jī)處理存儲信息模塊將照片、點(diǎn)云和無人機(jī)坐標(biāo)通過數(shù)圖傳裝置將其傳到地面站，地面站的數(shù)圖傳接收裝置接收到信息，在信息處理模塊中，提取照片的信息然后與點(diǎn)云進(jìn)行融合成圖層，在建立三維空間模塊中將圖層和無人機(jī)的坐標(biāo)疊加到矢量地圖上，然后進(jìn)行三維建模，接著在飛行過程中通過毫米波雷達(dá)對航線的障礙進(jìn)行掃描避障和重新規(guī)劃航線。最后在顯示模塊中顯示無人機(jī)飛行時的三維航跡和航線。

2 結(jié)論

本文通過無人機(jī)懸吊的雷達(dá)和視覺傳感模塊來觀測無人機(jī)的附近情況，并生成避障路線，同時將雙目相機(jī)定位信息和環(huán)境信息結(jié)合在同一個三維立體圖像中，目前存在多種通過計(jì)算機(jī)視覺實(shí)現(xiàn)無人機(jī)自動避障的方法，其中包括基于雙目立體視覺測距方法的自動避障技術(shù)，其原理為利用多個攝像頭獲得多目圖像信息，重建三維場景其中三維地形圖和無人機(jī)位置圖都是隨時更新的，無人機(jī)的路線總是最新的、最優(yōu)的路線，結(jié)合軟件、硬件的優(yōu)點(diǎn)對其進(jìn)行最優(yōu)路線規(guī)劃，使其測量精度高，可實(shí)現(xiàn)全方位檢測，抗干擾強(qiáng)、精度高。

參考文獻(xiàn)

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