大功率輕量化無(wú)人機(jī)激光清障系統(tǒng)設(shè)計(jì)

萬(wàn) 能，汪 曉，郭可貴，蘇欣欣

（1.國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司合肥供電公司，合肥 230000；2.國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司超高壓分公司，合肥 230000；3.北京煜邦電力技術(shù)股份有限公司，北京 100089）

無(wú)人機(jī)是一種不載人的飛行器，其通過(guò)無(wú)線電遙控和其自身的控制裝置進(jìn)行操縱，無(wú)人機(jī)的類(lèi)別較多，由于使用領(lǐng)域的差異，無(wú)人機(jī)的尺寸、重量、最大行駛里程、最長(zhǎng)航行時(shí)間、飛行高度和速度等多方面均存在明顯差異[1]。 依據(jù)無(wú)人機(jī)的用途可將其劃分成軍用和民用，前者指的是用于偵察、誘餌等情況下的無(wú)人機(jī)，后者指的是用于巡檢、監(jiān)視以及勘探和測(cè)繪等方面的無(wú)人機(jī)[2]。 當(dāng)下無(wú)人機(jī)應(yīng)用的領(lǐng)域越來(lái)越多，其能夠完成較多人力較難完成或者無(wú)法完成的工作，可極大程度降低人力消耗。 線路排障是電力企業(yè)中的一項(xiàng)重要工作，如果輸電線路上存在障礙物會(huì)導(dǎo)致輸電線路發(fā)生跳閘，影響正常的電能輸送。 因此，需對(duì)線路實(shí)行清障處理[3]。 無(wú)人機(jī)則成為線路清障的最佳方式，其可在帶電的環(huán)境下完成障礙物清除，其工作效率遠(yuǎn)優(yōu)于人工清障的工作效率。 針對(duì)無(wú)人機(jī)清障作業(yè)，為了實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的更好的控制以及清障功能[4]，大功率輕量化的無(wú)人機(jī)成為清障作業(yè)的首選，其能夠在大功率下，盡量保證活動(dòng)部件的輕量化，保證更好的清障操作控制效果。

針對(duì)線路清障問(wèn)題，文獻(xiàn)[5]和文獻(xiàn)[6]分別展開(kāi)相關(guān)研究，各自設(shè)計(jì)了基于飛控信號(hào)頻譜特征和基于強(qiáng)跟蹤H_-/H_∞優(yōu)化的檢測(cè)與識(shí)別系統(tǒng)， 用于實(shí)現(xiàn)障礙物的檢測(cè)和識(shí)別，為清障處理提供可靠依據(jù)。 但是上述系統(tǒng)在檢測(cè)和識(shí)別中，無(wú)法計(jì)算障礙物的寬度，因此，對(duì)于障礙物情況的判斷存在一定局限性。 本文基于此，為保證更好的清障效果，以大功率輕量化無(wú)人機(jī)為主要研究對(duì)象，設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)激光清障系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)線路障礙物的清除。

1 大功率輕量化無(wú)人機(jī)激光清障系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 清障系統(tǒng)架構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的大功率輕量化無(wú)人機(jī)激光清障系統(tǒng)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層、邏輯控制層以及用戶服務(wù)層組成，系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)Fig.1 Overall system architecture

感知層：該層是系統(tǒng)的基礎(chǔ)層，主要包含多種激光傳感器、氣壓高度計(jì)、GPS 接收機(jī)、攝像頭、機(jī)載無(wú)線電設(shè)備、集成傳感器板以及串口和采集核心控制器等，主要用于感知無(wú)人機(jī)作業(yè)環(huán)境[7]，并通過(guò)串口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。 為降低機(jī)載重量，上述所有搭載設(shè)備均采用小體積、低功耗的傳感設(shè)備。

網(wǎng)絡(luò)通信層： 該層是系統(tǒng)運(yùn)行的通信支撐層，主要由網(wǎng)絡(luò)通信模塊組成，用于傳輸感知層獲取的數(shù)據(jù)信息。 其在傳輸過(guò)程中，需按照特定的傳輸協(xié)議實(shí)現(xiàn)，以此保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴?/p>

邏輯控制層：該層是系統(tǒng)的核心執(zhí)行和清障實(shí)現(xiàn)層，通過(guò)改進(jìn)蟻群算法完成障礙物清障作業(yè)路徑規(guī)劃以及障礙物檢測(cè)，同時(shí)對(duì)障礙物的參數(shù)實(shí)行計(jì)算，依據(jù)計(jì)算結(jié)果執(zhí)行清障處理。 除此之外，該層設(shè)有無(wú)人機(jī)飛行控制器，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)的航行控制。 該層包含數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中心、安全控制、任務(wù)管理、服務(wù)端通信接口、障礙物參數(shù)計(jì)算、障礙物清除等功能。

用戶服務(wù)層： 該層是系統(tǒng)的整體管理和展示層，其設(shè)有地面監(jiān)測(cè)站，可通過(guò)無(wú)線設(shè)備直接連接無(wú)人機(jī)，下達(dá)清障任務(wù)指令；除此之外，如果無(wú)人機(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)發(fā)生異常[8]，地面監(jiān)測(cè)站的工作人員可利用遙控器對(duì)無(wú)人機(jī)實(shí)行控制[9]。 除此之外，無(wú)人機(jī)獲取的障礙物檢測(cè)結(jié)果以及清除結(jié)果均可在該層呈現(xiàn)，可實(shí)現(xiàn)清障任務(wù)實(shí)時(shí)監(jiān)控。 并且該層能夠?qū)o(wú)人機(jī)激光清障結(jié)果、 作業(yè)信息等進(jìn)行管理，便于多個(gè)部門(mén)之間對(duì)該信息進(jìn)行查詢共享。

系統(tǒng)的用戶服務(wù)層下達(dá)清障任務(wù)指令后，無(wú)人機(jī)開(kāi)啟清障任務(wù)執(zhí)行，通過(guò)傳感設(shè)備以及攝像頭獲取障礙物以及作業(yè)環(huán)境的信息，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)層將該信息傳送至邏輯控制層，邏輯控制層完成信息的接收和存儲(chǔ)后，依據(jù)感知層完成清障巡檢作業(yè)的路徑規(guī)劃后，按照規(guī)劃路徑開(kāi)始障礙物巡檢[10]，對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)行處理并計(jì)算障礙物的詳細(xì)參數(shù)，依據(jù)判別函數(shù)完成障礙物識(shí)別，實(shí)現(xiàn)障礙物清除；同時(shí)將清障結(jié)果呈現(xiàn)至用戶服務(wù)層，用戶服務(wù)層則可對(duì)無(wú)人機(jī)整個(gè)清障過(guò)程實(shí)行呈現(xiàn)。

1.2 系統(tǒng)硬件

1.2.1 采集核心控制器

感知層在對(duì)障礙物信息以及無(wú)人機(jī)作業(yè)環(huán)境實(shí)行采集過(guò)程中，為了保證信息采集、處理以及輸出時(shí)的安全性和完整性，本文采用STM32 作為采集的控制核心，完成信息采集，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。 核心控制器整體分為采集模塊、輸出模塊、電源模塊3個(gè)部分。 采集模塊采集的信息經(jīng)由輸出模塊輸出，電源模塊主要作用是提供穩(wěn)定電源支撐，保證采集的持續(xù)性。

圖2 采集終端核心控制器結(jié)構(gòu)Fig.2 Acquisition terminal core controller structure

1.2.2 無(wú)人機(jī)飛行控制器

無(wú)人機(jī)在障礙物巡檢飛行過(guò)程中，為保證其在飛行過(guò)程中的穩(wěn)定，可靠獲取障礙物信息[11]，需控制無(wú)人機(jī)的飛行姿態(tài)， 邏輯控制層采用ARM 處理器作為飛行控制的核心，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的控制，整個(gè)控制結(jié)構(gòu)如圖3 所示。 無(wú)人機(jī)飛行過(guò)程中，依據(jù)傳感器可獲取無(wú)人機(jī)的飛行狀態(tài)情況，實(shí)時(shí)保證無(wú)人機(jī)飛行姿態(tài)的穩(wěn)定性，并且GPS 接收機(jī)能夠獲取無(wú)人機(jī)的飛行位置，使無(wú)人機(jī)能夠按照規(guī)劃好的障礙物巡檢路徑飛行[12]；并且其通過(guò)無(wú)線設(shè)備連接地面監(jiān)測(cè)站，接收任務(wù)指令以及監(jiān)測(cè)站的控制。

圖3 無(wú)人機(jī)飛行控制結(jié)構(gòu)Fig.3 UAV flight control structure

1.3 無(wú)人機(jī)清障作業(yè)路徑規(guī)劃

無(wú)人機(jī)在進(jìn)行清障作業(yè)時(shí)，需先規(guī)劃作業(yè)路線，無(wú)人機(jī)按照規(guī)劃的路徑實(shí)行巡檢[13]，及時(shí)獲取障礙物信息。 由于無(wú)人機(jī)的清障作業(yè)區(qū)域會(huì)存在不用的形狀，甚至?xí)嬖趨^(qū)域之間相連接或者重疊的情況，因此，在作業(yè)時(shí)，需實(shí)行路徑規(guī)劃，對(duì)作業(yè)路徑實(shí)行排序。 本文采用改進(jìn)的蟻群算法完成無(wú)人機(jī)清障作業(yè)路徑規(guī)劃。 改進(jìn)的蟻群算法在對(duì)作業(yè)路徑實(shí)行規(guī)劃排序時(shí)，采用排序方式對(duì)無(wú)人機(jī)清障作業(yè)路徑實(shí)行處理的同時(shí)，需對(duì)各個(gè)路徑的進(jìn)入點(diǎn)實(shí)行確定。

1.3.1 確定作業(yè)路徑排序和進(jìn)入點(diǎn)

設(shè)i（=1，2，…，N）表示無(wú)人機(jī)清障作業(yè)路徑順序編號(hào)，該路徑的兩端分別用Ai和Bi表示，通過(guò)螞蟻對(duì)路徑實(shí)行遍歷，且路徑遍歷時(shí)選擇的某路線能夠?qū)崿F(xiàn)全部路徑遍歷，則第m 只螞蟻選擇的無(wú)人機(jī)清障線路為

螞蟻在選擇清障作業(yè)路徑進(jìn)入時(shí)，由于每條清障作業(yè)均存在2 個(gè)端口，導(dǎo)致遍歷過(guò)程中發(fā)生轉(zhuǎn)移的路徑長(zhǎng)度也存在差異，因此，需引入螞蟻對(duì)無(wú)人機(jī)清障作業(yè)路徑進(jìn)入點(diǎn)Om（t）實(shí)行記錄，其為

上述2 個(gè)公式中，n=1 是螞蟻的起點(diǎn)，該起點(diǎn)的選擇有2 種方式，一是人為選擇，二是隨機(jī)選擇。 在起點(diǎn)確定的基礎(chǔ)上，選擇無(wú)人機(jī)清障作業(yè)的最佳路徑[14]，同時(shí)選擇該路徑的進(jìn)入點(diǎn)，其依據(jù)概率計(jì)算結(jié)果完成。 如果當(dāng)下路徑i 上有螞蟻m，路徑j(luò) 為選擇的清障作業(yè)路徑，則對(duì)Aj和Bj實(shí)行選擇，確定進(jìn)入點(diǎn)，其依據(jù)兩者的概率計(jì)算結(jié)果確定，計(jì)算公式為

式中：α 和β 均表示重要程度， 前者對(duì)應(yīng)信息素，后者對(duì) 應(yīng)啟發(fā)因子；Aj（k）和Bj（k）均表示到達(dá)終點(diǎn)，其對(duì)應(yīng)的啟發(fā)因子用ηiAj（k）和ηiBj（k）表 示；Vm表 示第m 只螞蟻選擇的作業(yè)路徑集合；E 表示最優(yōu)路徑目標(biāo)函數(shù)；τij（t）表示信息素。

1.3.2 確定無(wú)人機(jī)清障距離和角度

實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)清障作業(yè)路徑規(guī)劃過(guò)程中，在執(zhí)行清障處理前需對(duì)障礙物實(shí)行判斷和計(jì)算，其依據(jù)感知層激光位移傳感器獲取的障礙物感知數(shù)據(jù)完成計(jì)算和判斷。 依據(jù)計(jì)算和判斷結(jié)果確定清障時(shí)無(wú)人機(jī)的清障處理角度和與障礙物之間的距離。 設(shè)激光位移傳感器掃描一次獲取的障礙物數(shù)據(jù)序列為Q，激光傳感器的角度用θ 表示，其量程用（ξ1，ξ2）表示，距離值用Xi表示，位移傳感器每次探測(cè)獲取的障礙物數(shù)據(jù)總數(shù)量為（X0，X1，…，XQ-1），將Q 中的數(shù)據(jù)實(shí)行劃分，形成X0～Xq-1、Xq～Xp、Xp+1～XQ-13 個(gè)數(shù)據(jù)段，前者和后者的中數(shù)據(jù)取值全部為0，Xq～Xp不為0時(shí)，則定義該數(shù)據(jù)段之間的p-q+1 個(gè)距離的值為1個(gè)數(shù)據(jù)塊，為數(shù)據(jù)塊Xq～Xp；其起始和結(jié)束2 個(gè)角度分別用φ 和φ 表示，則在φ～φ 方向中如果存在障礙物，并且滿足式（5）和式（6）：

式中：ε 表示2 個(gè)數(shù)據(jù)之間的量程；數(shù)據(jù)塊Xq～Xp則對(duì)應(yīng)障礙物。

式中：γ 表示數(shù)量，對(duì)應(yīng)非零的數(shù)據(jù)，即表示有效數(shù)據(jù)數(shù)量。

基于角度、距離以及寬度之間存在三角關(guān)系，即可求出數(shù)據(jù)塊對(duì)應(yīng)的障礙物寬度，計(jì)算公式為

完成障礙物的寬度計(jì)算后，則對(duì)障礙物的特征進(jìn)行判斷，將Xi的方差作為特征，同時(shí)設(shè)定判別函數(shù)f（κ），f（κ）大于0，表示故障，小于0 則表示非故障。 最終依據(jù)障礙物的類(lèi)別，判斷無(wú)人機(jī)的最佳清障距離和角度，實(shí)現(xiàn)清障處理。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為測(cè)試本文系統(tǒng)的應(yīng)用效果和性能，將其用于某電力企業(yè)運(yùn)維中心的線路清障巡檢中，此次實(shí)驗(yàn)時(shí)的清障任務(wù)線路數(shù)量共36 條，線路的分布存在交叉以及重復(fù)區(qū)域，線路總長(zhǎng)度為420 km。

測(cè)試過(guò)程中，本文采用六翼無(wú)人機(jī)完成清障測(cè)試，該無(wú)人機(jī)功率為30 kW，最大可載重80 kg，機(jī)身均為輕量化設(shè)計(jì)。 機(jī)身安裝噴火清障裝置，裝置的技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

表1 噴火清障裝置參數(shù)詳情T(mén)ab.1 Details of the parameters of the fire cleaning device

無(wú)人機(jī)在實(shí)行清障過(guò)程中，需對(duì)巡檢目標(biāo)實(shí)行感知， 獲取清障作業(yè)環(huán)境的數(shù)據(jù)以及障礙物信息，為無(wú)人機(jī)清障作業(yè)提供可靠依據(jù)，因此需保證系統(tǒng)激光傳感器的采集性能。 針對(duì)應(yīng)用本文系統(tǒng)的無(wú)人機(jī)的數(shù)據(jù)采集性能實(shí)行測(cè)試，以采集到的信號(hào)誤差作為衡量標(biāo)準(zhǔn)（期望標(biāo)準(zhǔn)低于10%），判斷系統(tǒng)的采集性能，結(jié)果如圖4 所示。 測(cè)試結(jié)果僅呈現(xiàn)隨機(jī)抽取的任意時(shí)間段內(nèi)的信號(hào)采集結(jié)果。 對(duì)圖4 測(cè)試結(jié)果實(shí)行分析后得出，應(yīng)用本文系統(tǒng)的無(wú)人機(jī)在不同的噪聲下，均能夠完成清障任務(wù)線路的信號(hào)感知，并且感知結(jié)果與實(shí)際信號(hào)之間的誤差結(jié)果均低于7%，因此，應(yīng)用本文系統(tǒng)無(wú)人機(jī)能夠可靠完成清障任務(wù)線路狀態(tài)感知，為障礙物的檢測(cè)和計(jì)算提供可靠依據(jù)。

圖4 采集性能測(cè)試結(jié)果Fig.4 Collect performance test results

為測(cè)試應(yīng)用本文系統(tǒng)的無(wú)人機(jī)在清障巡檢過(guò)程中對(duì)于障礙物的檢測(cè)效果，以檢測(cè)覆蓋率作為衡量標(biāo)準(zhǔn)（期望標(biāo)準(zhǔn)為95%以上），獲取應(yīng)用本文系統(tǒng)的無(wú)人機(jī)在不同的檢測(cè)線路數(shù)量下，在不同的飛行速度下，無(wú)人機(jī)對(duì)障礙物的檢測(cè)覆蓋率結(jié)果，如圖5所示。 對(duì)圖5 的測(cè)試結(jié)果實(shí)行分析后得出，隨著檢測(cè)線路數(shù)量的逐漸增加，在不同飛行速度下，應(yīng)用本文系統(tǒng)的無(wú)人機(jī)均能夠較好地完成清障任務(wù)線路的檢測(cè)，其覆蓋率均達(dá)到96.5%以上。由于邏輯控制層采用ARM 處理器作為飛行控制的核心，因此，無(wú)人機(jī)應(yīng)用本文系統(tǒng)后， 能夠保證無(wú)人機(jī)的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)障礙物的全面檢測(cè)。

圖5 無(wú)人機(jī)障礙物檢測(cè)覆蓋率測(cè)試結(jié)果Fig.5 UAV obstacle detection coverage test results

為測(cè)試應(yīng)用本文系統(tǒng)的無(wú)人機(jī)對(duì)于線路障礙物的檢測(cè)識(shí)別效果，隨機(jī)獲取任意一條清障任務(wù)中線路中的10 處檢測(cè)點(diǎn)， 其中在檢測(cè)點(diǎn)2、4、5、7 處為故障物，剩余均為線路輸電設(shè)備。 應(yīng)用本文系統(tǒng)的無(wú)人機(jī)對(duì)于線路障礙物的檢測(cè)識(shí)別效果， 如圖6所示。 對(duì)圖6 的測(cè)試結(jié)果實(shí)行分析后得出，應(yīng)用本文系統(tǒng)的無(wú)人機(jī)能夠準(zhǔn)確識(shí)別訓(xùn)練線路中的障礙物，其中檢測(cè)點(diǎn)2、4、5、7 處的判別函數(shù)值均大于0，其他檢測(cè)點(diǎn)的判別函數(shù)值均小于0， 檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際結(jié)果一致，能夠?yàn)榍逭咸幚硖峁?zhǔn)確的清障目標(biāo)。

圖6 本文系統(tǒng)的障礙物檢測(cè)效果Fig.6 Obstacle detection effect of the system in this paper

為直觀呈現(xiàn)應(yīng)用本文系統(tǒng)的無(wú)人機(jī)清障效果，獲取本文系統(tǒng)應(yīng)用后，無(wú)人機(jī)在執(zhí)行線路清障任務(wù)過(guò)程中的清障呈現(xiàn)界面， 結(jié)果如圖7 所示。 對(duì)圖7的測(cè)試結(jié)果實(shí)行分析后得出，本文系統(tǒng)能夠呈現(xiàn)出無(wú)人機(jī)的障礙物檢測(cè)結(jié)果、清障過(guò)程以及清障后的線路情況，并且無(wú)人機(jī)在識(shí)別到障礙物后，能夠自動(dòng)調(diào)整機(jī)身位置，同時(shí)采用噴火的方式對(duì)障礙物實(shí)行處理，處理后線路上沒(méi)有障礙物殘留。 除此之外，可通過(guò)本文系統(tǒng)查看無(wú)人機(jī)的巡線情況結(jié)果、歷史清障數(shù)據(jù)、航行路徑規(guī)劃結(jié)果等，能夠保證大功率輕量化無(wú)人機(jī)激光清障的良好效果。

圖7 無(wú)人機(jī)清障作業(yè)呈現(xiàn)結(jié)果Fig.7 Results of UAV obstacle removal operation

3 結(jié)語(yǔ)

電力線路中存在許多架空線路，該線路中也包含特高壓、高壓等輸配電線路，在對(duì)這些線路實(shí)行日程運(yùn)維管理過(guò)程中，障礙物的清除處理則是運(yùn)維管理中的一項(xiàng)重要工作。 因?yàn)檎系K物的存在會(huì)導(dǎo)致線路發(fā)生跳閘等情況，甚至?xí)?dǎo)致設(shè)備發(fā)生損壞。但是人力清障則難度較高，效率較低且風(fēng)險(xiǎn)較高，因此大功率輕量化無(wú)人機(jī)激光清障成為電力系統(tǒng)中的主要清障手段。 為了更好地實(shí)現(xiàn)清障效果，提升無(wú)人機(jī)清障效率，本文設(shè)計(jì)大功率輕量化無(wú)人機(jī)激光清障系統(tǒng)，并將該系統(tǒng)用于某電力企業(yè)的運(yùn)維管理中，測(cè)試其應(yīng)用效果。 測(cè)試結(jié)果顯示：應(yīng)用本文系統(tǒng)的無(wú)人機(jī)能夠可靠感知清障線路的信號(hào)，同時(shí)能夠全面完成線路檢測(cè)，準(zhǔn)確識(shí)別線路中的障礙物并完成障礙物清除。