架空输配电线路无人机自主巡检关键技术研究与应用

架空输配电线路无人机自主巡检关键技术研究与应用

卫政 张璐

呼和浩特供电公司, 内蒙古 呼和浩特 010000

摘要：近年来，随着我国电网规模不断扩大，设备数量显著提升，特别是输配电线路设备运行与维护面临日益严峻的挑战。作为电网设备的核心组成部分，输配电线路发挥着连接各类变电设备的关键作用。本文为解决弱移动数字网络环境下巡检无人机自主飞行的问题，分别开展了自主定位、自主导航以及自主避障技术的研究工作。

关键词：架空输配电线路；无人机；自主巡检；关键技术

1巡检无人机功能需求分析

（1）无人机机体：因为对于安全性的需求，考虑到无人机在执行任务中因电量不足、遥控断联、失控等意外坠机时，为避免对地面人员或物品造成损害，所以对机体的尺寸和重量也进行了一定的限制。轴距决定了螺旋桨的旋转半径，为避免碰撞风险和坠机损害，整体尺寸轴距不大于0.35米，重量不大于500g。（2）动力系统：无人机一直以来被人关注的就是其续航能力，本设计对于动力系统进行严格的选型，由无人机的最大起飞重量逆推，对于电机的规格、桨叶的类型和尺寸、电子调速器的输出大小和锂电池的容量进行细致的比较，最终选择的动力系统搭配实现动力的提供和长航时的飞行。根据实际需求，每两基杆塔之间的线路相距大概400米，因为任务过程中无人机速度不宜太快，若要以1m/s的速度连续巡检两段线路，就要保证无人机不小于15min的续航能力。（3）传感器系统：传感器作为辅助设备稳定无人机，精准的传感器数据对于无人机飞行不可缺少，并且对于精度变化比较灵敏的传感器，容易受温度变化而导致数据误差较大，所以需要单独集成。同时因为巡线需要在线路正上方竖直向下拍摄，为了保证飞行的安全和视频拍摄质量，单一的高度传感器并不能准确控制与输电线路之间的距离，所以需要毫米波雷达传感器辅助实现2m的定距飞行。（4）飞行控制系统：在基础的手动模式下稳定飞行的基础上，融合解算各传感器的数据使其可以自主飞行巡线。考虑到输电线地线的高度在四十米左右，所以无人机的抗风性能不低于5m/s，在识别线路进行巡线时的控制精度实现水平偏差在±0.2m之内、高度偏差在±0.1m之内。（5）图像处理功能：由图像处理模块与拍摄视频的摄像头搭配使用，在执行巡线任务时，GNSS传感器易受环境影响导致定位精度有很大的偏差，即使在不同时段的同一地点，都会有较大的坐标偏差影响巡线任务的进行。无人机机体的需求也限制了搭载高精度差分定位系统，所以图像处理模块要进行视频处理，通过误差计算和线路预测辅助无人机进行飞行纠偏和目标点修正。

2架空输配电线路无人机自主巡检关键技术研究与应用

2.1输配电线路巡检无人机自主定位技术

巡检无人机自主定位方法主要包括以下四个部分：第一是完成原始数据采集和巡检线路勘察，制定巡检任务规划；第二是通过多源传感器获取三维数字地形模型数据、正射影像数据以及输配电线路及其走廊三维空间位置数据；第三是激光点云和可见光等多源数据进行协同配合，实现巡检无人机路径锁定；第四是巡检无人机利用基于全球定位(GNSS)和惯性导航(INS)的GNSSINS组合导航定位算法实现自主定位。基于INSGNSS深耦合的多源数据定位算法是巡检无人机实现自主定位的核心算法。为矫正INS与GNSS的相关误差，卫星天线获取GNSS信号后，通过GNSS射频通道捕获信息，使用INS解算获取定位位置和速度，对比GNSS射频通道获取的伪距、伪距率推算值，融合组合导航滤波融合算法估计，反馈矫正后对INS误差修正并输出定位结果，引导无人机飞行定位。

2.2输配电线路巡检无人机自主导航技术

导线跟随的意义是实现自主飞行，即无人机在巡检过程中始终自主进行，不依赖人工操作，不依赖实时动态差分全球定位系统（RTK）进行定位，导线跟随的本质是无人机在输配电线路巡检领域的自动驾驶，实现无人机跟随导地线自主飞行的目标。导线跟随实现的基础是自主定位，实现的目的为自主飞行，其本质就是摆脱人工手工控制，巡检无人机实时自主完成飞行动作，飞行中始终跟随导线以便完成巡检。操作员设置初始化飞行速度和无人机到输配电线路垂直跟随距离阈值后，巡检无人机在起始杆塔附近起飞作业，激光雷达实时扫描周边三维环境，计算单元计算输配电线路导地线三维空间位置信息与巡检无人机垂直于水平方向距离，并通过PID算法控制无人机保持在线路水平和垂直方向上实现仿线飞行。算法中，各部分工作内容：（1）深耦合多源数据位姿解算，在巡检无人机执行导线跟随的飞行过程中，实时采集点云并进行位姿补偿，实现全局点云实时更新。（2）实时点云补偿建立实时更新的全局地图，在巡检无人机执行导线跟随的飞行过程中，实时采集点云并进行位姿补偿，形成实时更新的全局点云；位姿补偿算法使用载体系到地理系的姿态阵和位置偏移量，将原始点云每个点转化到地理系，进而形成全局点云。（3）点云数据分类及目标物识别，利用点云信息实时识别出导线、杆塔、树障及其他地表物体，实现点云数据分类，获取导线点云分类及三维坐标数据，巡检无人机飞行至导线上方开始执行仿线巡检。（4）巡检无人机、导线以及障碍物相对位姿关系解算，通过点云自带的高精度位置信息以及分类结果，实时计算巡检无人机、导线、障碍物以及地物等物体之间的相对位置关系。由于点云本身是高精度的三维位置信息，因此，相对位置关系通过各实物点坐标直接计算出线路三维空间位置信息与巡检无人机垂直于水平方向距离。（5）生成多通道PID姿态、速度以及位置控制量，将各实物之间的相对位置关系和姿态关系作为输入，给到PID控制算法中，得到巡检无人机每个控制通道的控制量，控制其保持在线路水平和垂直方向上实现仿线飞行。判断无人机与导线的直线距离与安全距离阈值大小，如果直线距离小于安全距离阈值，即认为无人机飞行距离不足，存在撞击风险，通过嵌入式计算单元发送指令给飞控系统，调整提升航高或航距，远离导线。如果直线距离大于安全距离阈值，判断无人机飞行距离过高，数据采集效果不佳，需要通过嵌入式计算单元发送指令给飞控系统，调整降低航高，贴近导线。如果直线距离在安全距离阈值范围内，无人机仿线飞行高度正常，无人机将继续跟随导线持续飞行，到达另一端杆塔，并进行下一阶段巡检。巡检无人机上搭载的嵌入式计算单元，实现对三维激光雷达传感器数据实时进行响应处理，对巡检无人机进行飞行控制，实现跟随导线飞行。（6）巡检无人机通过飞控实现自主飞行，通过通信通道高频发送给飞控系统，实现巡检无人机自主控制飞行。

2.3输配电线路巡检无人机自主避障技术

无人机自主安全避障技术依托无人机碰撞检测算法得以具体实现。碰撞检测是应用于三维虚拟场景中物体的通过性计算，其主要任务是检测三维场景中各种物体模型之间是否发生碰撞。常用的碰撞检测算法包括选定快速扩展随机树(RRT)算法以及其各类型拓展算法。GBCRRT*算法是以尽快的速度搜索无碰撞航线，实现航线节点之间碰撞检测并连接成完整航线。如果节点之间存在碰撞或离障碍物小于安全的避障距离，若穿越障碍物或小于安全避障距离，则进行重新搜索，直至航线无相交且保持安全避障距离。另外，利用八叉树结构和包围盒可以判断是否碰撞。根据巡检无人机尺寸，形成一个包围盒，考虑到有安全距离的限制，故在无人机的尺寸上额外增加一定裕度确保不碰撞。同时基于八叉树结构可以避免遍历所有点云计算最短距离，极大地提升了计算效率。

3结束语

本文针对架空输配电线路无人机巡检场景的行业需求和发展趋势，围绕无人机自主巡检关键技术开展了系列研究工作，并对所提出的理论研究成果和关键技术进行了应用。

参考文献

[1]张洪波.电力巡检四旋翼无人机的控制系统研究与设计[D].重庆理工大学,2020.

[2]陈海生.巡检无人机硬件控制系统的设计与实现[D].南京信息工程大学,2022.