程燕勝, 楊鶴猛, 楊雪, 喬曉明

(天津航天中為數(shù)據(jù)系統(tǒng)科技有限公司, 天津 300301)

0 引言

隨著我國(guó)架空輸電線路里程不斷增加,巡檢需求和人力缺員的矛盾日益突出,依靠人力進(jìn)行線路精細(xì)化巡檢運(yùn)維,在工作效率和經(jīng)濟(jì)效益上已無(wú)法滿(mǎn)足需要。隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)和人工智能識(shí)別技術(shù)的發(fā)展,無(wú)人機(jī)自動(dòng)巡視已得到廣泛應(yīng)用,全自動(dòng)無(wú)人機(jī)巡視已成為輸電線路無(wú)人機(jī)巡檢的發(fā)展重點(diǎn)[1],通過(guò)無(wú)人機(jī)搭載各類(lèi)巡檢任務(wù)載荷對(duì)線路進(jìn)行巡檢,并自動(dòng)完成巡檢數(shù)據(jù)處理,大大提高了巡檢效率和質(zhì)量。小型多旋翼無(wú)人機(jī)航時(shí)和載荷能力有限,無(wú)法滿(mǎn)足遠(yuǎn)距離線路巡檢等場(chǎng)景要求,無(wú)人直升機(jī)由于載重量大、航時(shí)長(zhǎng)的特點(diǎn),適用于輸電線路遠(yuǎn)距離精細(xì)化巡視作業(yè),也得到了應(yīng)用。

無(wú)人直升機(jī)進(jìn)行線路精細(xì)化巡視時(shí),需識(shí)別出部件的隱患缺陷,無(wú)人直升機(jī)與線路之間的距離較近,線路本體設(shè)施和周邊樹(shù)木等都可能成為障礙物,嚴(yán)重影響作業(yè)安全,對(duì)避障功能提出了迫切要求。當(dāng)前研究針對(duì)多旋翼無(wú)人機(jī)避障[2-3],技術(shù)相對(duì)成熟,市場(chǎng)上部分多旋翼無(wú)人機(jī)已具備自動(dòng)避障能力,但在無(wú)人直升機(jī)上尚未普及,一定程度上制約了無(wú)人直升機(jī)巡檢的應(yīng)用。

本文對(duì)障礙檢測(cè)傳感器進(jìn)行綜合對(duì)比分析,利用多傳感器協(xié)同檢測(cè)的方式,設(shè)計(jì)一種適用于架空輸電線路直升機(jī)巡檢的避障系統(tǒng),可有效提高機(jī)巡作業(yè)時(shí)的障礙避讓能力。

1 總體設(shè)計(jì)

無(wú)人直升機(jī)避障系統(tǒng)主要由障礙檢測(cè)傳感器(毫米波雷達(dá)及雙目攝像機(jī))、避障控制器、數(shù)傳電臺(tái)和監(jiān)控地面站組成,如圖1所示。

圖1 無(wú)人直升機(jī)避障系統(tǒng)組成

避障系統(tǒng)各組成部分如下。

(1) 障礙檢測(cè)傳感器

包括毫米波雷達(dá)和雙目攝像機(jī),對(duì)不同方向障礙物進(jìn)行實(shí)時(shí)感知,并將檢測(cè)信息發(fā)送至避障控制器。

(2) 避障控制器

根據(jù)檢測(cè)到的障礙物分布信息,結(jié)合無(wú)人直升機(jī)飛行狀態(tài),計(jì)算出避障航跡,并發(fā)送至飛行控制器。

(3) 數(shù)傳電臺(tái)

完成避障控制器和監(jiān)控地面站之間的信息交互。

(4) 監(jiān)控地面站

避障系統(tǒng)參數(shù)配置和飛行規(guī)劃航跡上傳,實(shí)時(shí)監(jiān)視系統(tǒng)工作狀態(tài)。

2 傳感器選型

實(shí)現(xiàn)自主動(dòng)態(tài)避障的首要任務(wù)是檢測(cè)到障礙物,然后由控制系統(tǒng)做出實(shí)時(shí)避障操作[4]?？蛇x的傳感器類(lèi)型也較多[5-7]。對(duì)應(yīng)用廣泛的典型傳感器進(jìn)行對(duì)比分析,如表1所示。

表1 典型障礙檢測(cè)傳感器對(duì)比分析

利用雷達(dá)和視覺(jué)傳感器進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)在車(chē)輛自動(dòng)駕駛領(lǐng)域已得到應(yīng)用[8]。采用毫米波雷達(dá)與雙目攝像機(jī)相結(jié)合的方式進(jìn)行障礙物檢測(cè),既可對(duì)導(dǎo)線等金屬物進(jìn)行有效檢測(cè),同時(shí)可發(fā)揮雙目視覺(jué)檢測(cè)信息豐富的特點(diǎn)。

3 障礙物判斷

通過(guò)構(gòu)建虛擬的避障空間,可為航線規(guī)劃提供依據(jù)[9-10]。設(shè)計(jì)圓柱狀的飛行通道,以飛行器中心為原點(diǎn),沿航向進(jìn)行拉伸形成飛行通道,通道半徑視具體機(jī)型可以配置,長(zhǎng)度取毫米波雷達(dá)最大檢測(cè)距離。根據(jù)檢測(cè)到的物體位置信息,結(jié)合與下一航點(diǎn)的位置關(guān)系,判斷物體是否位于飛行通道內(nèi)?？煞譃閮煞N情況。

(1) 檢測(cè)物體在下一航點(diǎn)前

如圖2所示,R為飛行通道半徑,AE為航線方向,下一航點(diǎn)G位于飛行通道外,A為無(wú)人直升機(jī),B為檢測(cè)物體,L為目標(biāo)距離,α、β分別為檢測(cè)物體方位角、俯仰角。

圖2 檢測(cè)物體在下一航點(diǎn)前障礙物判斷

根據(jù)三角形勾股定理,利用L、α、β可計(jì)算出CD。若CD≤R,則檢測(cè)到的物體位于避障空間內(nèi),視為障礙物。

(2) 檢測(cè)物體在下一航點(diǎn)后

如圖3所示,障礙檢測(cè)傳感器檢測(cè)到的物體位于下一航點(diǎn)后。假設(shè)剛經(jīng)過(guò)第N個(gè)航點(diǎn),則G1為N+1航點(diǎn),G2為N+2航點(diǎn),BD垂直于G1G2。

圖3 檢測(cè)物體在下一航點(diǎn)后障礙物判斷

根據(jù)檢測(cè)物體方位及相對(duì)距離可計(jì)算出B點(diǎn)的位置,根據(jù)B、G1、G23點(diǎn)位置即可計(jì)算出BD長(zhǎng)度。在不考慮無(wú)人機(jī)轉(zhuǎn)彎半徑的情況下,若BD≤R,則認(rèn)為檢測(cè)到的物體為障礙物。

4 系統(tǒng)應(yīng)用模式

在無(wú)人直升機(jī)飛行控制器支持實(shí)時(shí)更改航線的情況下,避障系統(tǒng)檢測(cè)到障礙物時(shí),自動(dòng)規(guī)劃避障航線,將避障航線實(shí)時(shí)注入飛行控制器中,實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)自主避障。

避障系統(tǒng)的工作流程如圖4所示。

圖4 避障系統(tǒng)工作流程

圖5 監(jiān)控地面站顯示障礙物分布

避障主要分為以下幾個(gè)階段。

(1) 系統(tǒng)參數(shù)配置

避障系統(tǒng)上電后,通過(guò)監(jiān)控地面站采用手動(dòng)或讀取配置文件的方式進(jìn)行參數(shù)配置,配置的參數(shù)主要包括飛行器類(lèi)型、避障空間長(zhǎng)度、任務(wù)航線等。

(2) 開(kāi)啟障礙檢測(cè)

當(dāng)飛行距地高度超過(guò)安全半徑時(shí),避障系統(tǒng)處于工作狀態(tài),避免起降階段將地面視為障礙物的誤警情況。

(3) 障礙物判斷

對(duì)檢測(cè)到的物體進(jìn)行安全距離判斷,確定影響飛行安全的障礙物。

(4) 避障航線規(guī)劃

根據(jù)檢測(cè)到的障礙物分布情況,考慮制約因素,自動(dòng)運(yùn)行避障航線智能規(guī)劃算法,生成與障礙物保持安全距離且盡可能平滑的避障航線[11]。

(5) 避障航線注入

將規(guī)劃避障航線注入無(wú)人直升機(jī)飛行控制器。

(6) 關(guān)閉避障系統(tǒng)

巡檢作業(yè)完成,離地相對(duì)高度小于安全半徑,系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉。

5 系統(tǒng)測(cè)試

將避障系統(tǒng)安裝在無(wú)人機(jī)上進(jìn)行測(cè)試,毫米波雷達(dá)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離障礙物的檢測(cè),輸出障礙物的距離、方位等信息,雙目視覺(jué)傳感器可有效探測(cè)寬視場(chǎng)范圍目標(biāo)。通過(guò)測(cè)試,設(shè)計(jì)的避障系統(tǒng)可有效實(shí)現(xiàn)障礙物檢測(cè)及避讓。

6 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)了一種適用于輸電線路無(wú)人直升機(jī)巡檢的避障系統(tǒng)。針對(duì)輸電線路巡檢作業(yè)典型障礙物探測(cè)需求,在對(duì)不同的障礙檢測(cè)傳感器進(jìn)行優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比的基礎(chǔ)上,完成傳感器選型及避障流程設(shè)計(jì),采用多傳感器組合檢測(cè)的方式,充分發(fā)揮毫米波雷達(dá)探測(cè)距離遠(yuǎn)及雙目攝像機(jī)檢測(cè)信息豐富的特點(diǎn),通過(guò)調(diào)整毫米波雷達(dá)帶寬及雙目攝像機(jī)焦距實(shí)現(xiàn)不同距離及分辨率的目標(biāo)檢測(cè),對(duì)不同安全距離要求的無(wú)人直升機(jī)具有良好的適配性,可為提高無(wú)人機(jī)直升機(jī)架空輸電線路巡檢安全性提供參考。