无人机在电力巡检中的监管预警技术

王和平　杨伟旗　毕晓伟　毛鹏飞　刘晔

【摘 要】本文旨在為电力巡检无人机提供有效的监管手段，防止电力巡检无人机飞出电力巡检区域，避免安全事故的发生。文中首先介绍了无人机在电力巡检方面的优势及不足，然后通过无人机飞行轨迹预测算法，预测无人机是否会飞离电力巡检区域，能够有效降低无人机在电力巡检过程中的安全隐患，确保合法飞行的其他飞行器的安全。

【关键词】无人机;电力巡检;监管;预警

中图分类号： TM75 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）13-0049-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.13.023

0 引言

随着近年来无人机产业的快速发展，无人机凭借着它高机动性、便于携带、环境适应性强等优点，无人机逐步运用于各行各业。在无人机给我们日常生活带来便利的同时，大量的飞行器涌入有限的空域，同样也带来了许多危险。近年来无人机监管的政策与制度愈发明确，无人机监管预警技术也快速发展。

而在电力巡检方面，对无人机监管预警技术的研究方面较为缺失。电力巡检无人机主要围绕着输电线路进行巡检作业，作业现场相对固定，针对电力巡检无人机这一飞行特点，可输电线路划定周边部分区域为作业区域，限定电力巡检无人机仅可在作业区域内进行巡检飞行，通过预测无人机是否会飞出作业区域，及时通知无人机并令其改变航向，以保证飞行安全。本文提出一种针对电力巡检作业区域的预警算法，并将其运用在电力巡检无人机预警监管系统中，对电力巡检无人机及时的实施警告。

1 无人机在电力巡检中的安全问题

输电线路是电网的重要组成部分，输电线路巡视是保障其可靠性运行的重要手段，随着新技术、新方法以及新的管理理念的引入，无人机已逐步得到重视并开始广泛应用于输电线路巡视作业。

无人机巡视的广泛应用也暴露出无人机在电力巡检方面所存在的安全隐患，具体安全隐患主要存在以下问题：

（1）无人机电力巡检作业自身飞行存在安全隐患。由于电力巡检运用场景的特殊性，无人机需在输电线路周围进行飞行作业，输电线路周围电磁场环境复杂，无人机在巡检作业时由于电磁场的剧烈变化，可能会出现无人机失控、坠毁等危险事故，存在一定的安全隐患。

（2）无人机巡检作业的过程监管不够完善。作业人员在进行电力巡检作业时，具有较高的飞行自由度，同时作业人员对电力巡检作业所申请的空域没有直观概念，无法保证作业过程完全在申请空域内飞行。由于电力巡检作业缺乏对无人机飞行的有效监管手段，巡检无人机飞出合法空域时，管理人员及作业人员无法及时掌握飞行情况，可能会对其他合法飞行的飞行器造成威胁。

在电力巡检方面，应加强对无人机飞行的监管，对无人机的飞行轨迹进行实时的预警，在无人机将要飞离合法空域时作出预警，并及时通知该无人机，提醒无人机驾驶员改变航向。

2 无人机飞行轨迹预测技术分析

作为机动灵活的移动目标，无人机的飞行轨迹预测具有较高的技术难度。在对无人机的飞行轨迹进行预测时，需要预测无人机这个移动目标整体的运动趋势，而不仅仅是无人机在某一点的运动状态，因此需要通过无人机在某一时段内的运动轨迹曲线来预测它是否会飞出作业区域。采用最小二乘曲线拟合算法[1]，可根据无人机一段时间内的运动轨迹信息，运用合适的多项式函数对无人机的运动轨迹进行曲线拟合[2]来预测无人机的飞行轨迹。然后再通过大量的实验以及对轨迹类型的判断，采用合适阶次的拟合多项式函数，可以提升无人机的轨迹预测效果。该方法的优点在于不需要大量的移动目标的数据信息，进行数据处理速度比较快，计算复杂度不高，实时性较高。

我们通过采集无人机在当前一段时间内飞行的一些离散经纬度坐标点，经过坐标转换后，采用改进的最小二乘曲线拟合算法来对无人机的飞行轨迹进行预测[3]，可以达到较好的预测效果。

3 无人机电力巡检中的监管预警技术

在完成无人机飞行轨迹的预测技术之后，还需解决无人机飞离作业区域的预警。对于电力巡检作业的无人机来说，如何预测无人机是否会飞离作业区域，及时地预警通知无人机驾驶员，以提醒其所驾驶的无人机需改变飞行方向或速度，从而避免无人机飞离作业区域。采用最小二乘曲线拟合算法可预测除无人机的飞行轨迹曲线，再通过无人机飞行轨迹曲线的切线方程，可通过计算无人机的飞行轨迹曲线是否与作业区域的边界相交来预测该无人机是否会飞离作业区域。然而电力巡检作业的区域基本上都是不规则形状的，如何判断直线与不规则图形是否相交是亟待解决的难题。

针对巡检作业无人机飞离作业区域的预警问题，可通过监管预警技术解决这一问题，实现巡检作业无人机飞离作业区域的预警，该技术的流程图如下所示：

该算法的主要原理如下：

1）将作业区域、合法空域的拐点的坐标进行转化。将由GPS获取到的WGS-84坐标系下的描述合法空域边界拐点的大地坐标转换到高斯平面直角坐标系下的平面直角坐标[4]。具体处理方法如下：

（1）现将某点由GPS直接测量出的WGS-84坐标系下的大地坐标，转换为WGS-84坐标系空间直角坐标，可采用如下公式进行转换：

（2）再进行WGS-84空间直角坐标到BJ-54空间直角坐标系的变化，可根据布尔沙坐标转换公式通过参数转换后，获得该点在BJ-54空间直角坐标系下的对应坐标;

（3）然后通过将BJ-54空间直角坐标转换为BJ-51大地坐标，可采用以下公式进行转换：

式中，L为大地经度，B为大地纬度，H为大地高度，N为该点卯酉圈半径;a、b、e依次为该椭球体的长半径长、短半径长、第一偏心率。

（4）将BJ-54坐标系下的大地坐标（B2，L2）通过高斯投影法将该地理球面坐标转换成高斯平面坐标（x，y）。

2）通過改进的最小二乘法拟合算法对无人机的飞行轨迹进行预测。针对采用传统的最小二乘曲线拟合算法，仅仅依靠在某一时刻对无人机飞行轨迹的单次曲线拟合来预测该无人机飞行轨迹的不足之处，我们提出了改进的最小二乘曲线拟合算法，采用分段函数对无人机的飞行轨迹曲线进行描述，不间断地对无人机的飞行轨迹进行预测。

3）采用遗传算法求解合法空域的最大内接矩形（Maximum Enclosed Rectangle，MER）。遗传算法是一种自适应的全局优化方法，可求解多目标、多模型、非线性等复杂系统问题，是一种高效、强鲁棒性的算法，很适合求解MER问题。首先采用浮点数进行编码，然后在遗传算法中设计一种初始种群的生成办法，提高初始种群的质量，并引入惩罚项以及精英保存策略使得遗传算法可以解决任意不规则封闭图形内的MER问题[5]。通过计算找出的该合法空域的最大内接矩形来近似代替该合法空域。

4）计算无人机飞行轨迹曲线在当前位置点的切线，通过计算该切线是否会与代替该空域的最大内接矩形相交来判断无人机是否会飞离作业区域。

通过监管预警技术来解决如何判断无人机是否会进入禁飞区问题，如果无人机飞行轨迹曲线在当前位置点的切线与作业区域的最小内接矩形相交，求出与当前点距离最近的交点，并计算当前时刻无人机与作业区域边界的距离，及时实施告警，并将当前时刻无人机离作业区域边界的距离等告警信息以UDP的方式发送给该无人机驾驶员的地面站，通知驾驶员改变无人机的飞行速度或方向，避免飞离合法飞行区域，保证飞行安全;如果不相交，则进行下一时刻的预警。

4 总结

近年来随着无人机技术的不断发展，在电力巡检方面无人机也得到广泛应用。随着大量的无人机在低空域飞行，如何确保空域的交通安全，防止发生空中交通事故，便变得非常重要，因此对无人机预警技术的研究越来越受到研究学者的关注。而输电线路的巡检是国家电网工程中的重要一环，保证输电线路安全稳定运行的同时，也需保证无人机巡检的安全。因此本文针对无人机在输电线路巡检方面的飞行安全进行了深入的研究与分析，提出了无人机电力巡检的监管预警技术，防止无人机飞离作业区域（合法空域），该技术的提出对电力巡检无人机的监督管理与预警技术研究起到了推动作用。

未来无人机也将往更智能、更稳定、更安全、更高效方面发展，在无人机监管方面，管理体（下转第41页）（上接第50页）系逐步完善，同时结合科技手段，无人机的监管预警也将愈加智能、合理。

【参考文献】

[1]G.U.Tian-Qi，Z.Lei，J.I.Shi-Jun，et al.Curve fitting method for closed discrete points[J].Jilin Daxue Xuebao，2015，45（2）：437-441.

[2]李蓓蕾.多次自适应最小二乘曲线拟合方法及其应用[D].荆州：长江大学，2014，6-25

[3]周琳娜.空中飞行目标轨迹预测技术研究[D].太原：中北大学，2011，28-41.

[4]张楠，董晓晶，张健.WGS-84坐标系与BJ-54坐标系的转换方法及精度探讨[J].制造业自动化，2009，31（12）：162-165.

[5]袁哲，王永振，石怀涛，肖健宇，王琳岩.基于改进遗传算法的任意图形最大内接矩形求解[J].控制工程，2016，23（03）：400-404.