多旋翼无人机自主巡检关键技术研究

包志鹏 李梓锴 李梓菲 李梓璐 郭博杨

摘要：基于目前多旋翼无人机广泛应用于输电线路电力巡检的背景，从功能设计、自动避障、路径规划三个方面讨论多旋翼无人机自主巡检关键技术。研究设计多旋翼无人机自主巡检控制功能模块并划分无人机巡检工作状态，然后分析无人机自动避障原理及搭载多元化传感器避障的传感器选型依据，阐述多种无人机路径规划算法的核心原理并进行了优劣性对比。

關键词：无人机;电力巡检;自主避障;路径规划

0    引言

近年来，随着无人机技术的飞速发展，其在各个领域的应用广泛普及，如今在电力系统生产的很多环节都能看见无人机的身影。无人机主要分为三种类型：多旋翼无人机、无人直升机、固定翼无人机。输电线路巡检是电力巡检中最重要的部分，目前这部分巡检工作已经从传统的人工巡检逐渐发展为电力无人机自主巡检。用于输电线路自主巡检的无人机主要为固定翼无人机和多旋翼无人机。固定翼无人机的优点是飞行速度快，适用于大范围的巡检工作，缺点是不能悬停，不能采集细节数据。多旋翼无人机的优点是可以悬停，可以定点采集数据，缺点是飞行速度慢。目前，多旋翼无人机应用广泛。本文主要介绍多旋翼无人机的飞行方式、避障方案及航线规划方案。

1    多旋翼无人机自主巡检总体方案

1.1    自主巡检主体模块设计

自主巡检的关键是整合处理多方面的输入信息，比如无人机自身的姿态信息、无人机飞行周遭环境信息，同时结合多方面控制指令，比如来自无人机遥控器的控制指令、来自地面段的控制指令、控制系统设定的控制指令，实现自主飞行和数据采集。综上所述，本文设计的自主巡检主体功能模块如图1所示。

1.2    多旋翼无人机飞行工作状态

为了方便对自主飞行技术的讨论，本文将无人机的飞行姿态划分为几个工作状态：稳定飞行工作状态、悬停飞行工作状态、绕行工作状态以及自动飞行工作状态。稳定飞行工作状态，即无人机最基本的工作状态，指无人机起飞、降落及没有意外地按固定轨迹航行;悬停飞行工作状态，是多旋翼无人机区别于固定翼无人机特有的工作状态，可以定点采集数据，并且可以在悬停的同时调整机身姿态;绕行工作状态，发生在判断前方有障碍物或其他类型干扰时，即临时调整航线的状态;自动飞行状态则得益于避障、定点算法。

2    多旋翼无人机自动避障方案

2.1    自动避障技术原理分析

无人机自动避障技术是其自主巡检的前提。输电线路无人机巡检工作环境复杂，随时可能出现线路、树木、污秽等障碍物的干扰，这些干扰如果触碰到多旋翼无人机的螺旋桨或者机身其他部位，就有极大可能引发坠机事故，甚至破坏输电线路，所以研究无人机自动避障技术非常有必要。无人机避障技术的原理，就是搭载的传感器感知到物理世界信息的异常，传递给核心处理器，核心处理器做出继续飞行、悬停等待、绕行等决策。

2.2    多元化传感器避障方案设计

多旋翼无人机目前无法攻克的难题就是载重和续航，因此传感器的选择，既要考虑准确度，还要考虑体积、重量和价格。本文推荐采用超声波传感器、激光传感器组合避障的方式。超声波传感器测距的原理是发出超声波，根据发出和返回的时间计算距离。激光传感器测距的原理与超声波传感器相似，区别在于它发出的是激光。激光传感器价格低廉，而且目前发展比较成熟，不同需求都有对应的型号。超声波传感器体积小、精度高，发展也比较成熟。

3    多旋翼无人机航线规划方案

3.1    传统的航线规划算法

现有的很多算法都起源于巡检机器人，目前可借鉴的算法较多，本文简单举几个典型例子。

第一种，人工势场法，它是在1994年由Khatib提出的虚拟方法。这种方法的核心思想是把无人机飞行的空间虚拟成一个场，将无人机排斥的点定义为正势能，无人机目标点定义为负势能，无人机飞行的原则就是向势能减少的方向飞行。

第二种，栅格分解法，这种方法的核心思想是将无人机即将飞行的空间划分成细致的栅格，然后分清哪些是障碍栅格，哪些是自由栅格，所有将自由栅格连接起来的路径都可以作为飞行轨迹。

第三种，自主规划法，其中包括近几年来广泛使用的粒子群算法、神经网络算法、遗传算法、蚁群算法等。

第四种，PRM算法（概率路标算法），这种方法的应用分为采样预处理和路径查询两个阶段。首先预处理随机采样，若采样点合格即录入;然后是路径查询，就是将起始点和终点放到图中，查询所有可行路径。

3.2    基于RTT算法的航线规划方案

以上所述均为借鉴巡检机器人的轨迹规划方法，但巡检机器人的工作环境和巡检无人机的工作环境存在本质的不同，巡检机器人的工作范围是一个二维的平面，只需要二维坐标系即可描述位置，而巡检无人机的工作范围是一个三维的几何空间。综上所述，本文提出采用RRT算法（快速扩展随机树）进行航线规划。这种方法最早于1998年被提出，目前广泛应用于路径规划层面。这种算法的核心思想是首先对拟飞空间随机采集样本，并扩展到未知的可能空间。因此，这种算法更适用于解决较多维度的路径规划问题。

4    结语

本文基于目前输电线路大规模采用多旋翼巡检无人机的背景，首先设计了多旋翼无人机自主巡检主体功能模块，分析了其飞行时的多种工作状态;其次提出多旋翼无人机避障可以采用多传感器并行的方式提高精度;最后对多种航线规划算法进行了介绍并对重点研究进行了举例分析。希望本文能对以后多旋翼无人机电力巡检关键技术的发展起到抛砖引玉的作用。

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收稿日期：2020-03-04

作者简介：包志鹏（1995—），男，甘肃永靖人，工程师，从事电网智能检测研究应用工作。