張 英，廖如超，廖建東，李國強(qiáng)，袁新星，康泰鐘

(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司機(jī)巡作業(yè)中心,廣東 廣州 510145；2.北京數(shù)字綠土科技有限公司,北京 海淀區(qū) 100089)

為了保證輸電線路的正常運(yùn)行,及時(shí)發(fā)現(xiàn)輸電線路故障,記錄故障位置和原因,及時(shí)制定預(yù)防和解決方案對于電力巡檢是十分重要的[1]。目前,直升機(jī)檢測、機(jī)器人檢測和無人機(jī)檢測在架空輸電線路檢測中得到了廣泛應(yīng)用。直升機(jī)巡邏主要由直升機(jī)沿架空輸電線方向飛行,巡檢人員在直升飛機(jī)中利用高清攝像頭觀察并記錄設(shè)備故障情況。直升飛機(jī)巡檢能夠提高檢測精度和檢測效率,但其有飛行管控、氣候變化等因素的限制,并且它的成本也偏高,導(dǎo)致該巡檢方式不能適用范圍廣泛的推廣[2-3]。巡檢機(jī)器人主要是掛在架空輸電線路沿線爬行,利用掛載的傳感器對安裝在塔的導(dǎo)線、絕緣子、線硬件、通道電路進(jìn)行檢查。由于巡檢機(jī)器人必須提前安裝在塔上,安裝和卸載導(dǎo)致檢驗(yàn)的低效率[4-5]。而無人機(jī)的檢查主要由巡檢人員操控?zé)o人機(jī)飛到架空傳輸線通道,對通道進(jìn)行視頻拍照、留檔查看、檢查并分析[6-7]。在人工操控?zé)o人機(jī)巡檢過程中,無人機(jī)需要在有限的視野中飛行,容易發(fā)生意外事故并影響電網(wǎng)安全,這就要求作業(yè)人員對無人機(jī)操作及電網(wǎng)運(yùn)行環(huán)境有足夠的了解和熟悉。因此,降低無人機(jī)在電力巡檢過程中的操作門檻,是提高輸電線路運(yùn)維效率、降低運(yùn)維成本、提高電力企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵問題。

在無人機(jī)導(dǎo)線跟隨飛行的研究中,有通過視覺測量來實(shí)現(xiàn),例如王亞先[8]提出單目視覺測量無人機(jī)距離輸電導(dǎo)線的水平距離和垂直距離來實(shí)現(xiàn)無人機(jī)在一定規(guī)則下的自動(dòng)飛行和相機(jī)追蹤導(dǎo)線。Valipour等[9]提出一種基于高斯可控濾波器與概率霍夫線變換結(jié)合的導(dǎo)線檢測方法,并使用無跡卡爾曼濾波進(jìn)行導(dǎo)線跟蹤。Nasseri 等[10]提出一種基于粒子濾波的無人機(jī)航拍電力線檢測和跟蹤方法,但基于視覺的測距方案在巡檢場景對光線要求嚴(yán)格,在實(shí)際場景中環(huán)境復(fù)雜多變,難以在實(shí)際場景使用。研究表明,采用激光雷達(dá)測距對無人機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制有更強(qiáng)的魯棒性[11-12]。

提出無人機(jī)掛載三維激光雷達(dá)進(jìn)行測距,建立無人機(jī)搭載三維激光的巡檢飛行模型,在這個(gè)基礎(chǔ)利用PID 控制算法實(shí)現(xiàn)導(dǎo)線跟隨飛行姿態(tài)控制,利用實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)定位(real-time kinematic positioning,RTK)計(jì)算多塔之間在地理坐標(biāo)上的幾何關(guān)系,在該幾何關(guān)系上設(shè)計(jì)過塔飛行控制算法,實(shí)現(xiàn)多塔之間的過塔飛行。該系統(tǒng)利用板載計(jì)算機(jī)在機(jī)器人操作系統(tǒng)(robot operating system,ROS)的架構(gòu)下作為控制單元,實(shí)現(xiàn)脫離遙控器控制的無人機(jī)電力自動(dòng)巡檢系統(tǒng)。

1 無人機(jī)導(dǎo)線跟隨飛行算法

利用三維激光雷達(dá)作為無人機(jī)感知周圍環(huán)境的傳感器,它相對于視覺更具魯棒性,而且對于本文Velodyne 16 線三維激光雷達(dá)來說,它的水平分辨率為0.4°,在距離導(dǎo)線安全距離為5 m 的情況下,能保證掃描到架空輸電線路半徑為3.4 cm 以上的導(dǎo)線點(diǎn)云信息,對于掃描到的導(dǎo)線點(diǎn)云信息需要在坐標(biāo)系上表達(dá)才能反映無人機(jī)周圍環(huán)境。

1.1 建立三維激光雷達(dá)坐標(biāo)系

三維激光雷達(dá)的掃描方式側(cè)視圖和俯視圖如圖1 所示。其中α、ω為激光束掃描到的點(diǎn)云水平角度和垂直角度,D(α,ω)為該點(diǎn)云距三維激光雷達(dá)的距離。

圖1 三維激光雷達(dá)側(cè)視圖和俯視圖

在這基礎(chǔ)上建立三維激光雷達(dá)xyz坐標(biāo)系如圖2 所示,另外為了更方便掃描到導(dǎo)線點(diǎn)云信息和擴(kuò)展后續(xù)巡檢任務(wù)場景如導(dǎo)線下方樹障信息等,采用三維激光雷達(dá)掛載方式如圖3 所示。其掛載在架空輸電線路的掃描范圍如圖4 所示。

圖2 三維激光雷達(dá)坐標(biāo)系

圖3 三維激光雷達(dá)掛載方式

圖4 架空輸電線路的掃描范圍示意圖

1.2 塔間導(dǎo)線跟隨飛行模型

為了實(shí)現(xiàn)無人機(jī)塔間飛行跟隨,需要感知無人機(jī)周圍環(huán)境并且對其跟隨姿態(tài)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模定義,為后續(xù)的控制提供計(jì)算基礎(chǔ)。三維激光雷達(dá)在該掛載狀態(tài)下,對無人機(jī)塔間跟隨飛行過程進(jìn)行幾何關(guān)系建模,無人機(jī)在三維激光雷達(dá)多線感知下捕捉導(dǎo)線與無人機(jī)位置之間的三維幾何關(guān)系,如圖5 所示。

圖5 無人機(jī)跟隨飛行幾何關(guān)系模型

根據(jù)該幾何關(guān)系定義無人機(jī)跟隨飛行的飛行姿態(tài)模型。首先定義三維激光雷達(dá)掃描一圈的時(shí)間為一個(gè)掃描周期T,在這個(gè)周期T中,定義雷達(dá)測量導(dǎo)線與雷達(dá)之間的距離D,其中D為

式中:C、Q為導(dǎo)線掃描水平和垂直角度范圍。

接下來對跟隨飛行姿態(tài)進(jìn)行定義,如式(2)、式(3)所示,EOA-OB和EAA′-BB′分別為測量模型中OA與OB的差值和AA′與BB′的差值。當(dāng)EOA-OB＜ε,即測量模型中的OA長度和OB長度的差值小于某個(gè)閾值ε時(shí),認(rèn)為無人機(jī)飛行姿態(tài)與導(dǎo)線平行。當(dāng)EAA′-BB′＜δ,即測量模型中的AA′長度和BB′長度的差值小于某個(gè)閾值δ時(shí),認(rèn)為無人機(jī)當(dāng)前周期的狀態(tài)處于導(dǎo)線中心飛行姿態(tài)。滿足上述兩個(gè)條件后,即可認(rèn)為無人機(jī)處于前方導(dǎo)線段的中心位置。其中

當(dāng)無人機(jī)同時(shí)滿足兩個(gè)姿態(tài)時(shí),可以認(rèn)為無人機(jī)處于導(dǎo)線跟隨飛行姿態(tài)。跟隨飛行軌跡在導(dǎo)線側(cè)視圖呈現(xiàn)為導(dǎo)線弧垂走勢。

另外利用當(dāng)前無人機(jī)RTK 位置信息與桿塔GPS 位置信息計(jì)算距離Dd-t,設(shè)定閾值λ和無人機(jī)距離桿塔的安全距離為Ds,當(dāng)｜Dd-t-Ds｜＜λ時(shí)認(rèn)為跟隨飛行結(jié)束,控制無人機(jī)懸停接下完成過塔飛行。

1.3 跟隨飛行控制算法

對跟隨飛行模型定義出飛行姿態(tài)后,為了使得無人機(jī)在飛行過程中保持上述飛行姿態(tài),從而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)線跟隨飛行,需要對三維雷達(dá)感知的距離信息對飛行姿態(tài)進(jìn)行控制,跟隨飛行控制需要對控制量進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)。采用的PID 控制算法實(shí)現(xiàn)該飛行控制。PID 控制原理為:

式中:u(t)是被控制量,e(t)是實(shí)際輸出值和期望輸出值之間誤差,Kp是比例系數(shù),KI是積分系數(shù),KD是微分系數(shù)。PID 控制原理是基于系統(tǒng)輸出值的反饋控制的,關(guān)鍵是把系統(tǒng)的輸出值和期望值的誤差作為控制量。其中Kp是直接影響到實(shí)際控制效果的,在合理的數(shù)值范圍內(nèi)Kp越大,控制效果越好,越短時(shí)間回到期望值,但也容易導(dǎo)致抖動(dòng),無法穩(wěn)定于期望值；KD影響的是控制量向期望值靠近時(shí)的加速度,即使得靠近期望值的過程相對平滑；而只有KD控制會導(dǎo)致控制量一直與期望保持一個(gè)恒量差值,再者KI是來抵消這個(gè)恒量的。將上述的EOA-0B、EAA′-BB′作為PID 控制算法的控制量。

2 無人機(jī)過塔飛行算法

無人機(jī)導(dǎo)線跟隨飛行不僅僅包括塔間導(dǎo)線跟隨飛行,還需要實(shí)現(xiàn)無人機(jī)在塔與塔之間通過三維激光雷達(dá)感知下的自動(dòng)跨越飛行,從而實(shí)現(xiàn)無人機(jī)全自動(dòng)巡檢,其過程即無人機(jī)完成塔間導(dǎo)線跟隨飛行后在該導(dǎo)線絕緣處懸停飛行后,完成跨越桿塔的飛行任務(wù),主要利用RTK 地理坐標(biāo)信息建立多塔間的幾何關(guān)系實(shí)現(xiàn)。

2.1 建立多塔之間的幾何關(guān)系

由于電力桿塔的GPS 位置都是先驗(yàn)的,可獲知的,所以可根據(jù)該GPS 位置可以建立多塔之間的幾何關(guān)系,為了建立連續(xù)三塔之間的簡化幾何關(guān)系模型,將無人機(jī)始飛塔、待跨越的塔及下一個(gè)待跨越的塔,分別表示為1 號塔、2 號塔、3 號塔,其幾何關(guān)系如圖6 所示。

圖6 過塔飛行幾何模型

在該坐標(biāo)系中需要的跨越塔位置A點(diǎn)為中心,始飛塔與跨越塔連線為坐標(biāo)系的x負(fù)半軸。

2.2 過塔飛行模型

在上述過塔飛行幾何模型下,對其過塔飛行過程進(jìn)行分析,要實(shí)現(xiàn)過塔飛行主要需要計(jì)算無人機(jī)跨越飛行路程,為了完成過塔后無人機(jī)盡量減少跟隨姿態(tài)的調(diào)節(jié)控制時(shí)間,采取圓弧式跨越,即需要計(jì)算該圓弧的長度,如。而且過塔飛行會因?yàn)闊o人機(jī)飛行在桿塔左右位置導(dǎo)致飛行路程的不同。定義∠BAN小于180°為內(nèi)角跨越角度β,其另一側(cè)為外交跨越角度δ。

所以進(jìn)一步需要判斷當(dāng)前跨越塔飛行類型,即需要考慮當(dāng)前過塔飛行跨越的是外角過塔飛行還是內(nèi)角過塔飛行,若為則外角過塔飛行,則為內(nèi)角過塔飛行。

判斷條件為當(dāng)機(jī)頭方向與2 號塔向3 號塔方向的夾角θ為鈍角時(shí),為外角過塔飛行。當(dāng)θ為銳角時(shí),為內(nèi)角過塔飛行。根據(jù)外內(nèi)角過塔的不同,飛行路程也不同。在內(nèi)角過塔飛行中根據(jù)幾何關(guān)系可以知道飛行路程LFK的計(jì)算過程為

式中:γ代表無人機(jī)繞圓周飛行的弧長在整個(gè)圓周長中的占比。

d=LAF為通過無人機(jī)GPS 位置信息和桿塔GPS位置信息計(jì)算的無人機(jī)與桿塔的距離。

s=LLF為無人機(jī)與導(dǎo)線保持的安全距離。

同理,在內(nèi)角過塔飛行的飛行路程的計(jì)算過程為

2.3 過塔飛行控制算法

根據(jù)定義的過塔飛行模型,系統(tǒng)可在2 個(gè)速度方向?qū)︼w機(jī)進(jìn)行控制,從而實(shí)現(xiàn)過塔飛行,即無人機(jī)的航向偏轉(zhuǎn)角速度νa、無人機(jī)側(cè)飛速度νs。由過塔飛行的路程L,控制無人機(jī)在設(shè)定的過塔航向偏轉(zhuǎn)角速度νa,可計(jì)算過塔時(shí)間t,在該過塔時(shí)間t和過塔飛行路程L上計(jì)算得出側(cè)飛速度。當(dāng)該設(shè)定的過塔航向偏轉(zhuǎn)角速度νa和計(jì)算得出的側(cè)飛速度νs在時(shí)間上積分,得到的結(jié)果分別為β和L時(shí),認(rèn)為過塔飛行任務(wù)完成,接下來可以根據(jù)任務(wù)來繼續(xù)塔間導(dǎo)線跟隨飛行。

3 系統(tǒng)架構(gòu)

3.1 ROS 架構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)三維激光雷達(dá)、無人機(jī)、RTK 多設(shè)備之間可靠通信,系統(tǒng)架構(gòu)采用ROS 架構(gòu),ROS 是用于編寫機(jī)器人軟件程序的一種具有高度靈活性的軟件架構(gòu),非常適合本文中多傳感器之間通信的特點(diǎn)。系統(tǒng)采用大疆M210 作為測試無人機(jī),Velodyne 16線的三維激光雷達(dá),板載計(jì)算機(jī)采用大疆的妙算2,在大疆提供的板載軟件開發(fā)包(Onboard Software Development Kit,OSDK)的基礎(chǔ)上對大疆無人機(jī)進(jìn)行控制,在ROS 架構(gòu)上節(jié)點(diǎn)話題發(fā)布和訂閱如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)中ROS 架構(gòu)

3.2 巡檢流程

在該系統(tǒng)架構(gòu)下實(shí)現(xiàn)無人機(jī)電力自動(dòng)巡檢系統(tǒng),只需再搭載高清攝像頭或者其他檢測裝置,在自動(dòng)飛行過程中對導(dǎo)線進(jìn)行檢測任務(wù)即可。其具體流程為:首先巡檢人員只需將無人機(jī)操控到在始飛塔,捕抓導(dǎo)線成功后,設(shè)定安全懸停距離Ds、巡檢速度ν、導(dǎo)入巡檢塔的GPS 位置后,利用遙控器向飛機(jī)發(fā)送開始巡檢任務(wù),板載計(jì)算機(jī)獲取飛機(jī)控制權(quán),完成接下來的巡檢任務(wù),其具體流程如圖8 所示。

圖8 自動(dòng)巡檢流程圖

4 實(shí)驗(yàn)分析與結(jié)果

4.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和條件

實(shí)驗(yàn)主要包括3 個(gè)部分:第1 個(gè)是驗(yàn)證跟隨飛行姿態(tài)中的導(dǎo)線平行飛行姿態(tài)控制的可行性。第2個(gè)是驗(yàn)證跟隨飛行姿態(tài)中的導(dǎo)線中心飛行姿態(tài)控制的可行性。第3 個(gè)是驗(yàn)證過塔飛行控制的可行性。

首先,對于驗(yàn)證導(dǎo)線平行飛行姿態(tài)控制和導(dǎo)線中心飛行姿態(tài)控制的可行性,我們在實(shí)地場景測試,無人機(jī)對線后,開始自主巡檢,主要是觀察無人機(jī)在開始被控制后RTK 信息中的航向角是否能夠與導(dǎo)線走勢角度一致,并且一段時(shí)間能夠收斂穩(wěn)定于該值。然后,主要是觀察無人機(jī)在開始被控制后,對于參數(shù)采用δ=0.05 m,ε=0.05 m,λ=0.1 m,Ds=7 m,ν=5 m/s 的情況下,是否能夠收斂于可接受區(qū)間。

最后驗(yàn)證過塔飛行的可行性。我們采用仿真實(shí)驗(yàn)對其過程進(jìn)行驗(yàn)證,參數(shù)νa=1 °/s,觀察其飛行軌跡是否能夠跟塔保持一定距離下使得飛機(jī)跨越外角塔和內(nèi)角塔,到達(dá)下一塔間。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在實(shí)地場景中我們采集到無人機(jī)開始自動(dòng)巡檢后的RTK 航向角數(shù)據(jù)如圖9 所示,采集到EAA′-BB′的變化如圖10 所示。

圖9 導(dǎo)線平行飛行姿態(tài)控制中RTK 航向角變化趨勢

圖10 導(dǎo)線中心飛行姿態(tài)控制中EAA′-BB′變化趨勢

由圖10 可以看出航向角在較短的時(shí)間內(nèi)能夠收斂于導(dǎo)線走向角度,驗(yàn)證了其導(dǎo)線平行飛行的可行性。由圖可以看出當(dāng)EAA′-BB′超出可接受區(qū)間時(shí)能夠得到反饋控制,使得下一個(gè)周期的EAA′-BB′在可接受區(qū)間,說明無人機(jī)在飛行過程中能夠緊緊跟隨導(dǎo)線弧垂走勢飛行。另外我們在仿真實(shí)驗(yàn)中利用所設(shè)計(jì)的過塔算法,其無人機(jī)過塔飛行的軌跡如圖11所示。

圖11 無人機(jī)過塔飛行軌跡

由圖11 可以觀察其飛行軌跡如期望一致,能夠在保持桿塔一定距離的情況下完成外角塔和內(nèi)角塔的過塔飛行。驗(yàn)證了過塔飛行的可行性。

5 結(jié)論

為了解決人工操控?zé)o人機(jī)電力巡檢作業(yè)的困難,我們提出利用三維激光雷達(dá)作為測距傳感器、RTK 作為位置信息反饋,對無人機(jī)實(shí)現(xiàn)塔間導(dǎo)線跟隨飛行、過塔飛行,從而實(shí)現(xiàn)無人機(jī)巡檢流程全自動(dòng)化。對于系統(tǒng)中需要實(shí)現(xiàn)的導(dǎo)線跟隨飛行,我們將其飛行姿分為導(dǎo)線平行飛行姿態(tài)和導(dǎo)線中心飛行姿態(tài),對每個(gè)姿態(tài)的不同滿足條件建模得出相對應(yīng)的數(shù)學(xué)表達(dá),通過PID 控制對其飛行過程的姿態(tài)誤差進(jìn)行控制。另外對過塔飛行采用RTK 信息建立多塔之間的幾何關(guān)系,通過該關(guān)系計(jì)算過塔飛行的路程,得出飛行控制所需的速度來實(shí)現(xiàn)過塔飛行。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了導(dǎo)線跟隨和過塔算法的可行性,為自動(dòng)化巡檢提供新的思路和解決方案。