徐其春，郭晨晨，劉志明，馬亞運(yùn)，潘 卓，李建輝

（國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司唐山供電公司，唐山 063000）

隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷發(fā)展壯大，輸電線路的運(yùn)維和檢修工作也越來(lái)越重要。而長(zhǎng)距離輸電線路通常所處自然環(huán)境復(fù)雜惡劣，采用傳統(tǒng)人工巡檢存在巡檢效率低、風(fēng)險(xiǎn)大、成本高等問(wèn)題，因此，成本低、操作簡(jiǎn)便的無(wú)人機(jī)設(shè)備在長(zhǎng)距離輸電線路巡檢作業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用[1-3]。無(wú)人機(jī)巡線環(huán)境通常地形復(fù)雜、遭受的突發(fā)威脅多變，且在對(duì)高電壓水平輸電線路進(jìn)行巡查時(shí)可能受到線路空間電場(chǎng)干擾[4]，導(dǎo)致無(wú)人機(jī)發(fā)生故障甚至撞線事故。因此準(zhǔn)確測(cè)定無(wú)人機(jī)與輸電線路的安全距離、制定安全的巡檢路線，對(duì)提升無(wú)人機(jī)巡檢精度、實(shí)現(xiàn)智能化無(wú)人機(jī)巡線有著重要意義。

目前，已有許多成熟的測(cè)距技術(shù)，包括激光測(cè)距、超聲波測(cè)距、紅外測(cè)距、雙目視覺(jué)測(cè)距技術(shù)[5-8]等。但在無(wú)人機(jī)巡線中常使用小型無(wú)人機(jī)進(jìn)行作業(yè)[9-11]，其特點(diǎn)為載荷小，無(wú)法掛載大型的測(cè)距設(shè)備，因此目前傳統(tǒng)無(wú)人機(jī)巡線測(cè)距方法通常采用全球定位系統(tǒng)GPS（global positioning system）坐標(biāo)轉(zhuǎn)換測(cè)距或激光測(cè)距。但上述兩種傳統(tǒng)測(cè)距手段存在測(cè)量精度不高、設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、巡線成本較高等問(wèn)題。

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者均對(duì)無(wú)人機(jī)軌跡規(guī)劃進(jìn)行了大量的研究，主要包括全局靜態(tài)航跡規(guī)劃和局部動(dòng)態(tài)航跡規(guī)劃兩部分。其中，在全局靜態(tài)航跡規(guī)劃方面研究已較為成熟，例如：采用GPS 系統(tǒng)結(jié)合圖像處理與跟蹤算法保持在輸電線路上方進(jìn)行巡線飛行[12]；引入智能群優(yōu)化算法選取最優(yōu)巡航路徑[13-15]等。但全局靜態(tài)航跡規(guī)劃僅適于預(yù)先掌握的環(huán)境障礙信息規(guī)劃航跡，無(wú)法應(yīng)對(duì)巡線中可能發(fā)生的突發(fā)障礙，因此，目前研究重點(diǎn)主要集中于局部動(dòng)態(tài)航跡規(guī)劃。局部動(dòng)態(tài)航跡規(guī)劃通常被分析為一種多約束最優(yōu)求解問(wèn)題，此類問(wèn)題多采用智能優(yōu)化算法進(jìn)行規(guī)劃[16-22]。但采用智能優(yōu)化算法雖然能在保證軌跡精度的情況下規(guī)避故障，但需要無(wú)人機(jī)額外掛載多種設(shè)備采集環(huán)境信息[23-24]，而且隨著環(huán)境復(fù)雜程度的增高需要大量時(shí)間規(guī)劃新路徑，導(dǎo)致無(wú)法規(guī)避突發(fā)障礙。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出一種基于靜態(tài)、動(dòng)態(tài)兩種突發(fā)威脅的動(dòng)態(tài)航跡規(guī)劃的無(wú)人機(jī)輸電線路自主巡檢方法。首先，通過(guò)光學(xué)觀測(cè)設(shè)備測(cè)量桿塔的成像高度及相鄰桿塔的間距，計(jì)算無(wú)人機(jī)與輸電線路間的安全距離；然后，將無(wú)人機(jī)巡線可能遭遇的各類突發(fā)情況分為靜態(tài)威脅與動(dòng)態(tài)威脅，建立兩種突發(fā)情況下的航跡規(guī)劃模型，采用改進(jìn)雙向快速擴(kuò)展隨機(jī)樹(shù)RRT（rapidly-exploring random tree）算法進(jìn)行航跡重規(guī)劃；最后，根據(jù)上述巡檢軌跡規(guī)劃建立無(wú)人機(jī)自主巡檢系統(tǒng)流程框架，實(shí)現(xiàn)全過(guò)程自主巡檢。系統(tǒng)應(yīng)用的結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以提高巡線效率，降低巡檢作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

1 水平安全距離標(biāo)準(zhǔn)

長(zhǎng)距離輸電線路通常位于山區(qū)、丘陵等崎嶇地形中，導(dǎo)致人工巡檢成本高、風(fēng)險(xiǎn)大，而引入無(wú)人機(jī)巡檢可有效解決該問(wèn)題。但在無(wú)人機(jī)進(jìn)行巡檢作業(yè)時(shí)，由于長(zhǎng)距離輸電線路通常為高壓線，線路周邊分布有磁場(chǎng)干擾，影響無(wú)人機(jī)設(shè)備正常工作，甚至導(dǎo)致無(wú)人機(jī)失控發(fā)生撞線事故。因此，需要快速且實(shí)時(shí)測(cè)量無(wú)人機(jī)與線路間距離并進(jìn)行調(diào)整，保障無(wú)人機(jī)在巡檢過(guò)程中的安全性。

根據(jù)輸電線路結(jié)構(gòu)及無(wú)人機(jī)設(shè)備結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，無(wú)人機(jī)與輸電線路間的安全距離Ds可表示為

式中：I1、I2分別為輸電線路兩側(cè)磁場(chǎng)不影響無(wú)人機(jī)進(jìn)行作業(yè)的臨界距離；I3、I4分別為輸電線路兩側(cè)電場(chǎng)不影響無(wú)人機(jī)進(jìn)行作業(yè)的臨界距離；x1為預(yù)先規(guī)劃航跡與無(wú)人機(jī)實(shí)際航跡間的誤差距離；x2為風(fēng)力造成的位置偏差距離；x3為測(cè)距儀的測(cè)量誤差距離；x4為GPS 定位距離偏差；v為無(wú)人機(jī)飛行速度；t為無(wú)線通訊最大延時(shí)；a1為無(wú)人機(jī)機(jī)翼長(zhǎng)度；a2為無(wú)人機(jī)機(jī)頭與其主軸的距離；a3為無(wú)人機(jī)機(jī)尾與其主軸的距離；a4為無(wú)人機(jī)機(jī)載云臺(tái)與無(wú)人機(jī)主軸的距離。

根據(jù)不同的輸電線路電壓等級(jí)，其磁場(chǎng)、電場(chǎng)強(qiáng)度影響距離也有所不同。而對(duì)于目前實(shí)際無(wú)人機(jī)巡檢作業(yè)常用的小型無(wú)人機(jī)，在不同電壓等級(jí)下設(shè)定的安全巡檢距離如表1所示。

表1 電壓等級(jí)與安全距離之間的關(guān)系Tab.1 Relationship between voltage level and safety distance

1.1 傳統(tǒng)測(cè)距方法

傳統(tǒng)的測(cè)距方法包括激光測(cè)距、超聲波測(cè)距、紅外測(cè)距、雙目視覺(jué)測(cè)距技術(shù)等，但傳統(tǒng)測(cè)距方法受限于設(shè)備成本、測(cè)量精度、無(wú)人機(jī)載荷和設(shè)備功耗，不適用于目前的輸電線路巡檢作業(yè)。因此目前在小型無(wú)人機(jī)線路巡檢中常采用成本較低、測(cè)距原理簡(jiǎn)單的GPS 定位測(cè)距或激光測(cè)距方法實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)與線路間距的實(shí)時(shí)檢測(cè)。

1.1.1 基于GPS 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法

基于無(wú)人機(jī)巡檢的桿塔GPS 坐標(biāo)與無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)GPS坐標(biāo)，可以得到無(wú)人機(jī)與當(dāng)前巡檢線路間的水平距離。GPS技術(shù)的測(cè)距方法雖然簡(jiǎn)單易行，但GPS在水平距離上仍存在一定誤差，同時(shí)GPS在無(wú)人機(jī)的高程距離上無(wú)法進(jìn)行精確定位，因此無(wú)法判斷無(wú)人機(jī)與地面間的垂直距離。目前，GPS定位誤差距離通常在2.5 m，對(duì)于常見(jiàn)的500 kV 和750 kV線路的巡檢安全而言距離較大，相對(duì)誤差在17%～21%，存在較高的撞線風(fēng)險(xiǎn)；在山區(qū)等GPS 信號(hào)較弱的地區(qū)，其測(cè)量誤差會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大。因此，GPS測(cè)距法并不適用于小型無(wú)人機(jī)巡檢，尤其是高壓輸電線路巡檢。

1.1.2 基于激光掃描的測(cè)距方法

激光掃描的測(cè)距方法是通過(guò)無(wú)人機(jī)搭載的激光掃描儀等激光設(shè)備，對(duì)輸電線路發(fā)射激光并接收反射光形成立體建模以進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)距。該方法可以對(duì)輸電線路進(jìn)行全面測(cè)量，如輸電線路弧度、導(dǎo)線間距、導(dǎo)線凈空距離等，便于無(wú)人機(jī)對(duì)線路狀態(tài)進(jìn)行全面分析。激光掃描測(cè)距方法雖然測(cè)得信息全面，且精度較高，但其需要在無(wú)人機(jī)上搭載大量設(shè)備，對(duì)無(wú)人機(jī)的載荷、能耗有很大要求，因此，基于激光掃描的測(cè)距方法常用于無(wú)人直升機(jī)巡檢中。

1.2 單目視覺(jué)測(cè)距方法

針對(duì)上述傳統(tǒng)測(cè)距方法存在的問(wèn)題，本文采取測(cè)距精度誤差相對(duì)較小，成本較低的單目視覺(jué)測(cè)距方法進(jìn)行測(cè)距。

根據(jù)《架空輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》可確定桿塔實(shí)際高度，因此，通過(guò)無(wú)人機(jī)搭載的光學(xué)設(shè)備，可以對(duì)相鄰的輸電線路桿塔進(jìn)行拍照，測(cè)量所拍攝圖片中的桿塔間距，基于小孔成像原理即可得到無(wú)人機(jī)與輸電線路間的水平距離。

無(wú)人機(jī)單目測(cè)距原理如圖1 所示。其中，l為像A′、B′的像間距離；θ0為像A′、B′的成像夾角；θ為桿塔A、B在無(wú)人機(jī)光學(xué)中心處的夾角；α為無(wú)人機(jī)光學(xué)中心到桿塔B與線路AB間的夾角；ua、ub、va、vb分別為桿塔A、B 的物距和像距；L為輸電線桿塔A 到桿塔B 的實(shí)際距離；x為無(wú)人機(jī)與輸電線路間的水平間距。

圖1 單目測(cè)距原理Fig.1 Schematic of monocular ranging

假定桿塔高度為H，相機(jī)焦距為f，由無(wú)人機(jī)攝影的圖像中獲得桿塔的高度為ha、hb，則無(wú)人機(jī)與桿塔A、B間的物距分別為

無(wú)人機(jī)離輸電線路的距離x為

在無(wú)人機(jī)巡檢系統(tǒng)中，通過(guò)單目視覺(jué)測(cè)距法測(cè)量得到無(wú)人機(jī)與桿塔和線路間距，與巡檢線路電壓等級(jí)對(duì)應(yīng)的安全距離相比較，通過(guò)對(duì)巡檢航跡的實(shí)時(shí)校正，使無(wú)人機(jī)巡檢能夠安全飛行。

2 無(wú)人機(jī)巡線航跡規(guī)劃

在無(wú)人機(jī)巡檢作業(yè)中，無(wú)人機(jī)軌跡規(guī)劃是保證其巡線效率和巡檢安全的一個(gè)重要問(wèn)題。為了降低該問(wèn)題的復(fù)雜性，本文將航跡規(guī)劃分為全局靜態(tài)航跡規(guī)劃和局部動(dòng)態(tài)航跡規(guī)劃兩部分進(jìn)行分析。

2.1 全局靜態(tài)航跡規(guī)劃

全局靜態(tài)航跡規(guī)劃是指在無(wú)人機(jī)進(jìn)行巡檢前，根據(jù)巡檢目標(biāo)桿塔及線路，提前規(guī)劃出的巡檢路線。該航跡在規(guī)劃時(shí)不會(huì)預(yù)測(cè)線路中可能出現(xiàn)的突發(fā)情況，因此僅考慮事先掌握的地理環(huán)境信息進(jìn)行規(guī)劃，即，僅需考慮巡檢路線的距離而不需考慮實(shí)時(shí)性。

本文的無(wú)人機(jī)巡檢全局靜態(tài)航跡規(guī)劃步驟如下：

步驟1按照所分布的巡檢線路，確定無(wú)人機(jī)飛行區(qū)域、巡檢順序和無(wú)人機(jī)巡檢起點(diǎn)和終點(diǎn)；

步驟2基于確定的飛行路線，獲得相應(yīng)區(qū)域內(nèi)的地理環(huán)境信息，構(gòu)建整體飛行環(huán)境；

步驟3結(jié)合無(wú)人機(jī)與飛行環(huán)境各因素的約束，在全局飛行環(huán)境中規(guī)劃出最優(yōu)飛行航跡。

2.2 局部動(dòng)態(tài)航跡重規(guī)劃

局部動(dòng)態(tài)航跡規(guī)劃是指在無(wú)人機(jī)巡檢作業(yè)過(guò)程中，發(fā)生突發(fā)障礙或威脅的情況，例如飛鳥(niǎo)、樹(shù)枝掉落和未知障礙物等事先無(wú)法預(yù)知的威脅，無(wú)人機(jī)根據(jù)規(guī)劃的航跡飛行不能躲避，需要重新規(guī)劃飛行路徑。由于巡檢作業(yè)中突發(fā)威脅是未知的，動(dòng)態(tài)航跡規(guī)劃相對(duì)全局航跡規(guī)劃有更高的實(shí)時(shí)性，確保無(wú)人機(jī)在不偏離原有的計(jì)劃航線的同時(shí)，避開(kāi)突發(fā)威脅。

無(wú)人機(jī)可能遭遇的突發(fā)威脅種類繁多且發(fā)生機(jī)理復(fù)雜，為簡(jiǎn)化分析，本文將突發(fā)威脅分為兩種，一種為規(guī)劃全局航跡時(shí)未發(fā)現(xiàn)的靜態(tài)突發(fā)威脅，例如高大樹(shù)木、預(yù)先沒(méi)有發(fā)現(xiàn)的障礙等；另一種是動(dòng)態(tài)突發(fā)威脅，例如飛鳥(niǎo)、其他飛行無(wú)人機(jī)等。

2.2.1 靜態(tài)突發(fā)威脅航跡規(guī)劃

對(duì)于靜態(tài)威脅，其特點(diǎn)為障礙物阻擋的區(qū)域固定，因此可根據(jù)無(wú)人機(jī)當(dāng)前位置與故障區(qū)域劃定重規(guī)劃區(qū)域，在區(qū)域內(nèi)重新規(guī)劃巡檢路線規(guī)避固定障礙物。因此可采用雙向RRT算法進(jìn)行重規(guī)劃。

靜態(tài)突發(fā)威脅航跡重規(guī)劃如圖2 所示，其中，實(shí)心圓表示突發(fā)靜態(tài)威脅范圍；start′為無(wú)人機(jī)當(dāng)前位置；goal′為無(wú)人機(jī)躲避威脅后的位置。

圖2 靜態(tài)突發(fā)威脅示意Fig.2 Schematic of static emergent threat

無(wú)人機(jī)靜態(tài)突發(fā)威脅航跡規(guī)劃步驟如下。

步驟1通過(guò)對(duì)無(wú)人機(jī)當(dāng)前位置和靜態(tài)威脅范圍的分析，確定航跡重規(guī)劃區(qū)域。

步驟2確定重規(guī)劃區(qū)域起點(diǎn)start′和終止點(diǎn)goal′。

步驟3建立2 棵搜索樹(shù)，分別以start′和goal′作為2棵樹(shù)的根節(jié)點(diǎn)。

步驟4擴(kuò)展2 棵搜索樹(shù)。首先擴(kuò)展，以goal′作為隨機(jī)節(jié)點(diǎn)，在中選取距離goal′最近的葉節(jié)點(diǎn)xnearest，并向其擴(kuò)展至無(wú)法擴(kuò)展；若擴(kuò)展失敗，則在重規(guī)劃區(qū)域選取1 個(gè)隨機(jī)點(diǎn)xrand進(jìn)行擴(kuò)展。的擴(kuò)展方法與相同，但的最新節(jié)點(diǎn)作為葉節(jié)點(diǎn)進(jìn)行擴(kuò)展，若沿該方向擴(kuò)展失敗則在重規(guī)劃區(qū)域內(nèi)選取1 個(gè)隨機(jī)點(diǎn)xrand進(jìn)行擴(kuò)展。完成擴(kuò)展之后，互換，并進(jìn)行新一輪擴(kuò)展，直到葉節(jié)點(diǎn)相互連接。在每次擴(kuò)展中，均對(duì)擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接，若避開(kāi)威脅區(qū)域則說(shuō)明已對(duì)接完成。

步驟5連接在一起后，回溯生成航跡。

步驟6對(duì)航跡進(jìn)行平滑處理。

步驟7無(wú)人機(jī)根據(jù)重規(guī)劃的航跡躲避障礙物后，回到全局靜態(tài)航跡上繼續(xù)巡檢任務(wù)。

2.2.2 動(dòng)態(tài)突發(fā)威脅航跡規(guī)劃

對(duì)于第2.2.1節(jié)敘述的RRT算法，由于其生成葉節(jié)點(diǎn)時(shí)為隨機(jī)生成，具有很大隨機(jī)性，不適用于躲避威脅位置實(shí)時(shí)變化的動(dòng)態(tài)突發(fā)威脅情況。因此在RRT 算法中的葉節(jié)點(diǎn)生成策略中考慮運(yùn)動(dòng)軌跡方程，根據(jù)無(wú)人機(jī)與動(dòng)態(tài)威脅的運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃路徑，并以規(guī)避代價(jià)選取最優(yōu)路徑解決這種隨機(jī)性問(wèn)題。

由于動(dòng)態(tài)突發(fā)威脅航跡規(guī)劃問(wèn)題較為復(fù)雜，不同威脅在運(yùn)動(dòng)速度、體積上差異較大，不利于快速規(guī)劃，因此本文做出以下假設(shè)：

（1）在無(wú)人機(jī)巡檢作業(yè)中，由于無(wú)人機(jī)體積較小，所以將其簡(jiǎn)化成質(zhì)點(diǎn)進(jìn)行軌跡分析；

（2）無(wú)人機(jī)飛行速度保持恒定；

（3）本文考慮的動(dòng)態(tài)突發(fā)威脅同樣為小型物體，因此將其簡(jiǎn)化為質(zhì)點(diǎn)進(jìn)行分析；

（4）對(duì)于突發(fā)威脅，僅考慮其做勻速直線運(yùn)動(dòng)。

在RRT算法的基礎(chǔ)上考慮運(yùn)動(dòng)軌跡方程，建立以重規(guī)劃區(qū)域的起始點(diǎn)為樹(shù)的根節(jié)點(diǎn)。對(duì)于葉節(jié)點(diǎn)的生成，以重規(guī)劃區(qū)域的目標(biāo)點(diǎn)作為xrand，且擴(kuò)展方式與RRT算法相同，若擴(kuò)展成功則與靜態(tài)突發(fā)威脅中擴(kuò)展方式一致；若擴(kuò)展失敗，則通過(guò)運(yùn)動(dòng)軌跡方程來(lái)確定xrand的選取。

在無(wú)人機(jī)軌跡模型中，其水平方向上的運(yùn)動(dòng)軌跡方程可表示為

式中：θk為無(wú)人機(jī)在水平方向上的飛行航向；θk+1為無(wú)人機(jī)在下一目標(biāo)點(diǎn)水平方向上的飛行航向；(xk,yk)和(xk+1,yk+1)分別為當(dāng)前航路點(diǎn)和下一航路點(diǎn)的橫、縱坐標(biāo)；s為航跡段長(zhǎng)度。

在無(wú)人機(jī)垂直方向的運(yùn)動(dòng)軌跡方程中，根據(jù)當(dāng)前航路點(diǎn)與目標(biāo)點(diǎn)的連線可得垂直坐標(biāo)距離的變化為

式中：zk、zk+1分別為當(dāng)前航路點(diǎn)和下一目標(biāo)點(diǎn)的垂直坐標(biāo)；xgoal、ygoal和zgoal分別為目標(biāo)點(diǎn)的橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)和垂直坐標(biāo)。

動(dòng)態(tài)威脅的運(yùn)動(dòng)方程可表示為

式中：(xt,now,yt,now,zt,now)為探測(cè)到的威脅當(dāng)前位置；φ為威脅飛行的水平方向的飛行航向；t為無(wú)人機(jī)采樣間隔；vt為動(dòng)態(tài)威脅在采用間隔t內(nèi)的行動(dòng)速度；st為動(dòng)態(tài)威脅在采用間隔t內(nèi)的飛行距離；(xt,next,yt,next,zt,next)為威脅的下一時(shí)刻預(yù)計(jì)位置坐標(biāo)。

根據(jù)動(dòng)態(tài)威脅影響范圍及移動(dòng)方向，無(wú)人機(jī)可以在水平方向及垂直方向進(jìn)行規(guī)避，為了選取最優(yōu)規(guī)避路徑，設(shè)定代價(jià)函數(shù)F確定每個(gè)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)代價(jià)來(lái)選取最優(yōu)節(jié)點(diǎn)，即

本文的無(wú)人機(jī)動(dòng)態(tài)突發(fā)威脅航跡規(guī)劃步驟如下。

步驟1通過(guò)對(duì)無(wú)人機(jī)當(dāng)前位置、動(dòng)態(tài)威脅范圍和速度的分析，確定航跡重規(guī)劃區(qū)域。

步驟2選取目標(biāo)節(jié)點(diǎn)作為隨機(jī)節(jié)點(diǎn)xrand，并沿該方向擴(kuò)展搜索樹(shù)直到擴(kuò)展失敗；若沿目標(biāo)節(jié)點(diǎn)方向擴(kuò)展失敗，則根據(jù)無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡方程來(lái)確定xrand，通過(guò)改變?chǔ)う鹊娜≈?，獲取能夠規(guī)避威脅的節(jié)點(diǎn)xrand。

步驟3根據(jù)獲取的新節(jié)點(diǎn)xrand擴(kuò)展隨機(jī)樹(shù)。根據(jù)無(wú)人機(jī)在水平及垂直方向上的運(yùn)動(dòng)軌跡方程生成下一節(jié)點(diǎn)，計(jì)算其移動(dòng)代價(jià)F，選取移動(dòng)代價(jià)最小的節(jié)點(diǎn)作為下一個(gè)航跡點(diǎn)。

步驟4連接所有航跡點(diǎn)并進(jìn)行平滑處理，得到動(dòng)態(tài)突發(fā)威脅的重規(guī)劃航跡。

3 無(wú)人機(jī)自主巡檢系統(tǒng)框架

通過(guò)無(wú)人機(jī)巡線軌跡動(dòng)態(tài)規(guī)劃，可以保證無(wú)人機(jī)在巡檢作業(yè)中的安全性，為保證巡線結(jié)果有效且正常上報(bào)給上層系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)全過(guò)程自主巡檢，還需建立對(duì)應(yīng)的自動(dòng)化流程框架。無(wú)人機(jī)自主巡檢流程如圖3所示，其具體過(guò)程如下。

圖3 無(wú)人機(jī)自主巡檢流程Fig.3 Flow chart of drone autonomous inspection

（1）控制系統(tǒng)接收上層巡檢線路。

（2）檢查巡檢線路信息，確認(rèn)航線是否過(guò)近或過(guò)遠(yuǎn)；是否包含禁飛區(qū)；預(yù)估航線總距離、時(shí)間和所需電量；是否與其他無(wú)人機(jī)執(zhí)行的航線重疊等。

（3）形成航線命令，上傳到無(wú)人機(jī)飛控

（4）檢查航站狀態(tài)、外界氣象狀態(tài)和風(fēng)力風(fēng)向狀態(tài)等。

（5）檢查無(wú)人機(jī)狀態(tài)，檢查各傳感器、動(dòng)力系統(tǒng)、定位狀態(tài)及無(wú)人機(jī)剩余電量等。

（6）無(wú)人機(jī)起飛，到達(dá)自定高度后開(kāi)始執(zhí)行巡檢航線。

（7）到達(dá)航點(diǎn)，暫停飛行，調(diào)整云臺(tái)角度、鏡頭參數(shù)并拍照，然后繼續(xù)飛行。

（8）所有航線執(zhí)行完畢后準(zhǔn)備返航。

（9）接收到航站完畢信號(hào)，到達(dá)航站上方降落

（10）降落完成，從云臺(tái)相機(jī)中下載拍攝的照片，巡檢文件航點(diǎn)對(duì)照表。

（11）作業(yè)成果上傳

（12）全流程結(jié)束。

4 無(wú)人機(jī)輸電線路巡檢系統(tǒng)應(yīng)用

基于大疆M300型無(wú)人機(jī)平臺(tái)研發(fā)的小型多旋翼無(wú)人機(jī)自主巡檢系統(tǒng)已于唐山地區(qū)電網(wǎng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與調(diào)試，輸電線路的巡檢效率和無(wú)人機(jī)巡檢系統(tǒng)可靠性得到了明顯的改善。

無(wú)人機(jī)自主巡檢體系的結(jié)構(gòu)如圖4所示，由圖4可知，該系統(tǒng)包括管控中心、智能航空站及其布置的無(wú)人機(jī)構(gòu)成。管控中心通過(guò)同時(shí)接收、協(xié)調(diào)、反饋各無(wú)人機(jī)之間的信息，以及多航線任務(wù)規(guī)劃、編隊(duì)、任務(wù)分配等子系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合，保證各無(wú)人機(jī)之間的任務(wù)分配合理、高效，通過(guò)優(yōu)化航線實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)以最短時(shí)間完成目標(biāo)任務(wù)；通過(guò)集控飛行設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)超視距集控飛行和多智能航空站無(wú)人值守作業(yè)等。管控中心可同時(shí)控制多臺(tái)航空站，多臺(tái)航空站分別執(zhí)行不同的命令，顯示圖像可在不同無(wú)人機(jī)之間進(jìn)行切換。管控中心采用“自主巡檢+手動(dòng)飛行”控制模式，對(duì)無(wú)人機(jī)巡檢進(jìn)行全過(guò)程管理，及時(shí)應(yīng)對(duì)各類異常報(bào)警和故障情況，保障線路和無(wú)人機(jī)設(shè)備的安全。

圖4 無(wú)人機(jī)輸電線路巡檢系統(tǒng)Fig.4 Drone inspection system for transmission line

根據(jù)輸電線路重要程度、負(fù)荷量等多種因素的考量，部署多個(gè)智能航空站，擴(kuò)大無(wú)人機(jī)可巡檢范圍，為目標(biāo)區(qū)域規(guī)劃合理航線提供支撐。唐山某地區(qū)航空站布局示意如圖5所示。

圖5 唐山某地區(qū)航空站覆蓋區(qū)域示意Fig.5 Coverage area by Tangshan area air terminal

航空站布置在變電站內(nèi)不影響變電運(yùn)行的角落或邊緣位置，與變電站距離適中，便于取電，同時(shí)航空站上方無(wú)線路、設(shè)備等遮擋物。航線規(guī)劃時(shí)，無(wú)人機(jī)起飛后第一時(shí)間駛離變電站，以免相互影響，發(fā)生信號(hào)干擾，保證設(shè)備安全，然后按照航線進(jìn)行自主巡檢。

在進(jìn)行自主巡線時(shí)，可依托航空站更換無(wú)人機(jī)的搭載云臺(tái)，實(shí)現(xiàn)不同功能。搭載紅外光云臺(tái)可對(duì)桿塔溫度進(jìn)行監(jiān)控；搭載激光設(shè)備可對(duì)桿塔及通道進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)建模。形成以無(wú)人機(jī)為平臺(tái)，紅外光、激光、可見(jiàn)光多光一體的多維度巡檢方案，目標(biāo)巡檢設(shè)備及巡檢方式如圖6、7所示。

圖6 無(wú)人機(jī)多維度巡檢方案Fig.6 Drone multi-dimensional inspection program

多維度巡檢方案有效地對(duì)桿塔存在的各類常見(jiàn)故障進(jìn)行分析判斷。通過(guò)對(duì)同一位置的多次復(fù)拍，自動(dòng)上傳至管控中心數(shù)據(jù)庫(kù)可進(jìn)行歷史圖像對(duì)比，更好地了解設(shè)備變化、設(shè)備隱患形成的時(shí)間點(diǎn)和形成原因，幫助巡檢人員制定檢修方案。

無(wú)人機(jī)也可改為人工手動(dòng)控制，對(duì)無(wú)人機(jī)自主巡檢過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的異常設(shè)備進(jìn)行人工判斷，解決人工巡檢很難發(fā)現(xiàn)高空隱蔽缺陷和各種通道隱患問(wèn)題。通過(guò)對(duì)控制中心進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備狀態(tài)、檢修策略等信息的及時(shí)掌握，對(duì)輸電線路狀態(tài)進(jìn)行有效評(píng)價(jià)，并與現(xiàn)場(chǎng)圖像視頻相結(jié)合等手段，精準(zhǔn)定位作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)和風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)位，實(shí)現(xiàn)對(duì)所轄范圍內(nèi)設(shè)備和通道運(yùn)行狀態(tài)的綜合管理，從傳統(tǒng)、簡(jiǎn)單的業(yè)務(wù)執(zhí)行工作模式轉(zhuǎn)變?yōu)椤皩?shí)時(shí)分析—判定缺陷—檢修策略”的一崗多能的工作模式。

圖7 多時(shí)間點(diǎn)桿塔圖像的對(duì)比Fig.7 Comparison among multi-point-in-time pole tower images

通過(guò)無(wú)人機(jī)自主巡檢作業(yè)替代人工間斷零散的作業(yè)模式，基于智能管控平臺(tái)進(jìn)行智能識(shí)別，徹底替代人工巡檢模式，實(shí)現(xiàn)全天候可持續(xù)性作業(yè)，單次連續(xù)巡檢可達(dá)8 架次，連續(xù)巡檢時(shí)長(zhǎng)可達(dá)4 h以上，并實(shí)現(xiàn)以航空站為中心，覆蓋直徑為14 km的巡檢面；提高了設(shè)備抗風(fēng)險(xiǎn)能力，較以往巡檢效率提升了2 倍，同時(shí)大大縮短了巡視周期，由原來(lái)的每月1 次縮短為每7 d 一次，針對(duì)重點(diǎn)線路巡視周期可縮短為1 d。由于巡線航跡誤差精確至米，故規(guī)避突發(fā)故障百余次，有效提高巡線安全性；同時(shí)精細(xì)化自主巡檢可利用高空視角更好地發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患，故障發(fā)現(xiàn)率提高100%，確保及時(shí)處理，保障線路的安全運(yùn)行。

不同巡線方式的維護(hù)成本及巡檢成本分析如表2和表3所示。其中，采用固定翼無(wú)人機(jī)巡線，每日可巡檢距離最高且每公里平均成本最低，但因固定翼無(wú)人機(jī)無(wú)法對(duì)線路進(jìn)行精確診斷，容易忽視高空隱蔽缺陷，不適用于日常巡檢；而小型旋翼無(wú)人機(jī)相對(duì)傳統(tǒng)人工巡線方式，可在平原、丘陵和山地區(qū)域作業(yè)，降低巡線成本32.11%、41.75%和54.30%，遠(yuǎn)低于人工巡線成本，且提高了巡線效率；相對(duì)中型旋翼無(wú)人機(jī)降低9.34%、9.17%和23.56%，且日常維護(hù)成本更低。

表2 不同巡線方式維護(hù)成本對(duì)比Tab.2 Comparison of maintenance cost among different inspection methods

表3 不同巡線方式巡檢成本對(duì)比Tab.3 Comparison of patrol cost among different inspection methods

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)現(xiàn)有小型無(wú)人機(jī)自主巡線技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提出一種基于動(dòng)態(tài)航跡規(guī)劃的無(wú)人機(jī)輸電線路自主巡檢方法，通過(guò)規(guī)劃全局靜態(tài)航跡和局部動(dòng)態(tài)航跡，并引入改進(jìn)雙向快速RRT算法進(jìn)行航跡重規(guī)劃，提高了無(wú)人機(jī)自主巡檢過(guò)程中的安全性。同時(shí)，將多機(jī)協(xié)同、無(wú)人機(jī)多維度自主巡檢、圖像智能識(shí)別等智能化作業(yè)手段進(jìn)行應(yīng)用，改變了傳統(tǒng)人工無(wú)人機(jī)巡檢模式，利用管控中心的圖像實(shí)時(shí)回傳和智能識(shí)別技術(shù)，對(duì)巡檢信息實(shí)時(shí)處理、智能甄別，及時(shí)發(fā)現(xiàn)輸電線路缺陷和隱患，縮短人工巡視時(shí)間，提高巡檢效率。通過(guò)應(yīng)用實(shí)踐，證明巡檢系統(tǒng)能在保證輸電線路巡檢作業(yè)安全性的前提下，提高線路巡檢精度、效率并有效降低巡檢成本。