發(fā)布時間: 2025年05月25日 21:35
隨著無人機技術(shù)的興起，電力行業(yè)開始利用無人機進行巡檢，不僅提高了巡檢的安全性，也提高了巡檢效率。巡檢時無人機的避障問題是影響無人機安全運行的關(guān)鍵。在此背景下，福州大學電氣工程與自動化學院的研究人員呂學偉、宋福根，在2021年第4期《電氣技術(shù)》上撰文，綜合介紹了各種多旋翼無人機的避障方法。
首先簡單介紹了幾種傳統(tǒng)的避障方法，如基于視覺、雷達、超聲波和紅外等傳感器的避障方法和基于柱狀空間的避障方法，同時說明其不足之處；然后重點介紹了基于輸電線路空間電磁場分布特征的避障方法，通過分析線路空間電場的分布特征，得到其空間等電場強度區(qū)域并以此值作為主要避障參量。該避障方法具有設備體積小、重量輕、避障精度高等優(yōu)點，更適合應用于大型無人機自主巡檢避障控制，為無人機超視距的大范圍自主巡檢提供一種安全、高效的避障策略。
隨著我國電網(wǎng)的飛速發(fā)展，高壓輸電線路電壓等級越來越高，線路越來越長且所經(jīng)過的地形地貌也越來越復雜。傳統(tǒng)的人工巡檢方式效率低下，無法實現(xiàn)全方位的巡檢。無人機具有不受地形環(huán)境限制、費效比低的優(yōu)勢，同時無需顧慮飛機意外墜毀導致的機上人員傷亡問題。因此，為了解決巡檢的安全性問題，同時為了提高巡檢的效率，使用無人機來巡檢輸電線路成為必然，并且它會逐步取代人工巡檢，從而大大提高巡檢效率。
安全問題是無人機巡檢的重要方面。無人機在作業(yè)過程中需要拍攝清晰度較高的照片，便于電力人員對輸電線路進行分析診斷，因此無人機要盡可能地靠近輸電線路或桿塔。但如果與線路或桿塔過于接近，必然存在安全隱患。
為盡量減小無人機與作業(yè)目標（輸電線路和桿塔等）的間距，提高作業(yè)的安全性，防止碰撞事故發(fā)生，同時為了減小人工操作成本，巡檢無人機可配備一套高精準性、高靈敏度的避障系統(tǒng)，以實現(xiàn)避障目的，從而保障無人機巡檢工作順利進行。當無人機與作業(yè)目標的間距小于安全距離時，系統(tǒng)應及時快速地給無人機發(fā)出避障動作指令，同時安全距離要盡可能小，以便拍攝的照片更加清晰。
目前，無人機巡檢大多以多旋翼無人機為主。本文綜合介紹多旋翼無人機巡檢避障的各種方案和原理，先簡單介紹幾種傳統(tǒng)的方案，如基于傳感器和柱狀空間的避障方法，但由于其仍存在一定的不足之處，所以后來有學者提出利用輸電線路本身存在的電磁場特性來實現(xiàn)避障的方案，經(jīng)驗證，該方法比傳統(tǒng)方法更為精準、高效。
基于視覺的無人機避障方法出現(xiàn)較早，主要是利用攝像頭等成像設備，拍攝并實時傳輸周邊的環(huán)境圖像給無人機以達到避障的目的。
英國EA電力咨詢公司和威爾士大學最先將無人機應用于高壓輸電線路巡檢工作中，他們研發(fā)了用于輸電線路巡檢的無人機，并利用實時無線傳輸?shù)娘w行圖像進行巡檢避障和懸停拍攝。后來由于單目視覺存在太多缺陷，雙目立體視覺技術(shù)被提出，其原理是在多視角下感知并捕捉周圍環(huán)境的圖像，基于三角測量原理得到圖像像素間的位置偏差，最后得到周圍環(huán)境的三維空間信息，其避障流程如圖1所示。
圖1 雙目立體視覺避障流程
后來無人機技術(shù)得到快速發(fā)展，基于多空間圖像的三維巡檢視頻技術(shù)開始逐步興起，首先在多個方位拍攝周圍空間的圖片，用于飛行空間的三維立體合成，同時將數(shù)據(jù)回傳給地面站，根據(jù)該合成圖像，地面工作人員可完成避障工作，但是該避障方案也存在一些缺陷，如三維圖像合成較難、存儲空間過大、實時性較差等。
單純的基于視覺的避障方法已經(jīng)不能滿足復雜的巡檢工作要求，所以很多學者開始將視覺避障法與其他理論結(jié)合來實現(xiàn)更好的避障效果，例如張午陽等提出的一種基于深度學習的四旋翼無人機單目視覺避障方法，該方法所用到的傳感器只有一塊單目攝像頭，相比于傳統(tǒng)的基于傳感器的避障方法，所占用無人機的體積大大減小。
朱平等提出了一種雙目立體視覺和光流相結(jié)合的避障方法，雙目立體視覺可獲取可靠的視差值和空間深度信息，進而辨別物體的遠近；光流法能得到障礙物相對于攝像頭的每一個時刻的運動速度。為了更快地得到更加準確的位置信息，將立體視覺和光流結(jié)合在一起。
然而基于視覺的無人機避障技術(shù)主要利用成像原理來進行避障，不可避免地存在圖像處理問題，如圖像清晰度問題和圖像儲存空間問題等；而先采集圖像再以此避障的過程需要一定的時間，也就是實時性較差；另外視覺還會出現(xiàn)“看不到”或者“看不出來”等問題。
目前在無人機巡檢避障技術(shù)中，應用較多的是毫米波雷達避障技術(shù)。加拿大的阿姆菲泰克公司于2000年7月研發(fā)的巡檢無人機采用的就是這種技術(shù)，該技術(shù)主要利用連續(xù)雷達波信號來測量目標的距離和速度，即
式（1）
經(jīng)實飛驗證，雖然該避障技術(shù)能基本實現(xiàn)有效避障，但還是存在反射信號過多導致無法有效識別真正的障礙物反射波的問題。我國的由國家電網(wǎng)公司立項、福建電力公司承擔的大型無人機巡檢輸電線路項目也采用了毫米波雷達避障技術(shù)來實現(xiàn)巡檢避障目的，但是也存在反射波過濾較難和設備較多、較重等缺陷。
除了上述幾種方法，還有利用超聲波傳感器來實現(xiàn)避障的，超聲波測距原理如圖2所示。同樣基于超聲波傳感器，孟光磊等人仿真實現(xiàn)了無人機的避障；陳根華等人則設計了一套無人機三維避障系統(tǒng)。
也有學者將多個傳感器結(jié)合在一起來加強避障的效果，例如N. Gageik等人以低成本的紅外測距傳感器和超聲波傳感器為主，結(jié)合光流和慣性測量單元（inertial measurement unit, IMU）對紅外和超聲波傳感器的數(shù)據(jù)進行濾波，以此實現(xiàn)無人機的避障。
圖2 超聲波測距原理
總的來說，上述基于傳感器的避障方法都存在一定的缺陷：視覺避障存在圖像處理問題和實時性較差等問題；紅外避障由于作用距離很短，所以在室外光線強的情況下基本不能使用；超聲波避障的有效作用距離很難超過10m，且因為是搭載在多旋翼無人機上，故旋翼對空氣的干擾使其更難應用；雷達避障存在反射波過濾較難、識別避障目標較難等問題，另外雷達避障設備體積較大、質(zhì)量較重，對于空間和載荷都十分有限的無人機來說，其應用存在很大的缺陷。
柱狀空間避障法主要是利用地圖信息結(jié)合實際全球定位系統(tǒng)（global positioning system, GPS）數(shù)據(jù)，得到準確的三維空間信息以實現(xiàn)避障目的。柱狀空間法一般是利用地理信息系統(tǒng)（geographic information system, GIS），有學者提出可采用電網(wǎng)公司已有的GIS結(jié)合GPS來對無人機巡檢進行航路規(guī)劃和避障。
董軍喜利用GPS導航定位系統(tǒng)得到無人機的實時坐標數(shù)據(jù)，同時結(jié)合等高線地圖數(shù)據(jù)，得到等高線等效障礙物模型，以此實現(xiàn)無人機的避障。
當然，將柱狀空間法與其他方法有效結(jié)合必然能提高精準性，例如將柱狀空間法和支持向量機算法結(jié)合的無人機線路檢測避障方法：①根據(jù)飛行區(qū)障礙物建立圓柱形三維空間模型，如圖3所示（圖中，H為拉伸后高度，Hd為安全高度，并且Hd滿足大于0，V1, …, V10為避障邊界線的頂點）；②引入支持向量機以一種新的視角實現(xiàn)無人機的避障。
還有將柱狀空間法和改進A*算法結(jié)合的無人機規(guī)避方法：①根據(jù)無人機飛行區(qū)域的障礙物分布情況，建立飛行區(qū)域的柱狀空間；②將障礙物對無人機的影響引入估價函數(shù)中，重新設計啟發(fā)函數(shù)；③將基于柱狀空間和改進A*算法的無人機規(guī)避方法應用于無人機的規(guī)避中，并對規(guī)劃的路徑進行平滑處理。
圖3 三維避障柱狀空間
由于柱狀空間的三維地圖的合成很難做到完全準確，同時地面上的建筑物體等存在易變、隨機、無規(guī)律性等特點，若為此一直保持三維地圖的實時更新，則代價過大；并且還存在三維地圖的存儲空間要求過大、讀取速度較慢等方面的問題，故基于柱狀空間的避障方法也不是十分適合無人機巡檢避障。
由于上述基于視覺的、基于傳感器的、基于柱狀空間的避障方法都存在一定缺陷，因此研究人員將目光投到輸電線路本身就存在的電磁場特性上。眾所周知，由于輸電線路的導線有電流通過，其導線周圍存在一定范圍、不同強度的電磁場，而電磁場和距離在某種程度上是對應關(guān)系，因此利用輸電線路的電磁場來達到避障的目的是一個很新穎很貼切的思路。
經(jīng)各種研究證明，基于輸電線路電磁場的無人機巡檢避障方案比上述傳統(tǒng)避障方法在各個方面都要更優(yōu)越。該避障技術(shù)在硬件方面要求不高，非常適合荷載小的無人機；同時其避障的精準性較高，研究價值高、工程意義重大。
3.1 基于電場環(huán)境的避障方法
只利用電場來實現(xiàn)避障是早先的一種方案，山東電力科學研究院按照電壓等級分類，利用輸電線路電場強度變化率作為避障參量，并對每一電壓等級都確定一個避障限值，當無人機測得的電場強度變化率大于限值時就發(fā)出避障指令。
但輸電線路電場強度變化率主要取決于導線排列方式而不是電壓等級，電壓等級主要影響的是電場強度。而該方案卻以電壓等級分類，分別研究不同電壓等級的避障，實際上電壓等級與電場強度變化率并無直接對應關(guān)系，使其分類基礎(chǔ)是缺乏理論依據(jù)的。因此，該避障方案是存在缺陷的。
后來宋福根首創(chuàng)性地提出一種基于輸電線路電場分布特征的無人機巡檢避障方案，該方案主要利用輸電線路產(chǎn)生的電場作為避障參量，將實時檢測到的各個方位的電場強度與理論分析得到的等電場強度結(jié)合，獲得無人機和巡檢目標的距離區(qū)間等，最后根據(jù)該距離區(qū)間進行避障。
此外，由于輸電線路電場強度主要取決于電壓等級，故只需研究某一電壓等級在不同情況下的避障方案，對于其他電壓等級則只需按照電壓等級進行變換，進而得到對應的避障方案，最終可實現(xiàn)基于輸電線路電場分布特征的全電網(wǎng)無人機巡檢避障。
距離是無人機巡檢避障的關(guān)鍵參量之一，而電場又恰好與距離成映射關(guān)系，因此就可以通過測得的電場強度數(shù)據(jù)，經(jīng)過理論分析得到電場強度與距離的對應關(guān)系，然后計算出無人機與輸電線路或桿塔之間的距離，使得無人機在巡檢作業(yè)時可以與輸電線路保持一定的安全距離，減小高壓輸電線產(chǎn)生的電場對無人機電子設備造成的干擾，避免墜機或損壞高壓電線等事故的發(fā)生。
陳紹祥等人設計了一種檢測高壓輸電線路電場的三維立體檢測裝置來完成上述避障步驟；鄭天茹等人基于距離與電場強度的對應關(guān)系（見圖4，以220kV為例），先通過電場測量裝置進行數(shù)據(jù)處理，再與無人機飛控系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互，來判斷是否需要進行避障動作。
圖4 220kV線路仿真與實測數(shù)據(jù)對比圖
有些研究人員不利用距離作為避障參量，而是直接利用電場數(shù)據(jù)來實現(xiàn)避障判斷：黃俊璞等人通過計算輸電線路周圍電場得到電場強度二次倒數(shù)，以此為判據(jù)來進行無人機避障判別，提高了無人機避障的精準性。這是一種簡單直接并且有效的思路。
3.2 基于磁場環(huán)境的避障方法
由于磁場的復雜性等特點，其應用于無人機巡檢避障方面的局限性相較于電場更大，因此直接利用磁場環(huán)境的避障方法并不多。一種最簡單的思路就是將電磁傳感器放在無人機上，并使用磁場數(shù)據(jù)來確定無人機與傳輸線之間的相對位置，以達到避障的目的。
3.3 基于電磁場結(jié)合的避障方法
顯然，結(jié)合電場與磁場的復合避障方法要比單一利用電場或磁場的避障法更具有嚴謹性和精確性。首先要設計一種搭載在無人機上的并能同時檢測電場和磁場強度的檢測系統(tǒng)，如圖5和圖6所示，該系統(tǒng)能夠檢測出無人機與高壓輸電線在不同距離時的電磁場強度，又由于電磁場強度與無人機和高壓輸電線的距離成線性關(guān)系，因此可將檢測數(shù)據(jù)通過無線傳輸?shù)降孛婵刂浦行幕蛑苯犹峁┙o無人機飛控處理單元，來判斷無人機是否處于安全范圍，進而實現(xiàn)無人機的避障功能。
圖5 電場檢測單元結(jié)構(gòu)
圖6 磁場檢測單元結(jié)構(gòu)
3.4 基于電磁場模型的避障方法
建模法通過仿真軟件建立起實際問題環(huán)境的空間數(shù)據(jù)模型，方便研究人員進行理論分析和仿真驗證，避免了實際工作中人力、物力的耗費。要建立輸電線路電磁場模型，首先要獲得輸電線路的電磁場參數(shù)和各種數(shù)據(jù)，再利用仿真軟件（常用的有Ansys和Ansoft）在計算機中建立仿真模型。
若僅建立輸電線路電場分布模型，則研究不同直流電壓下直流輸電線路中無人機巡檢安全距離的電場仿真，得到不同位置距離的空間電場分布，見表1，再通過安全距離研究避障。
表1 500kV線路空間電場分布
或針對輸電線路周圍的障礙物，利用電場分布來研究避障。黃俊璞等人用Ansoft仿真軟件對輸電線路下方的障礙物進行三維仿真，如圖7所示，再結(jié)合線路斜上方和斜下方的電場分布情況，得到無人機巡線安全距離，最后研究了無人機避障問題。
圖7 線路斜下方房屋障礙模型
圖7中，三條直線1、2、3垂直于導線表面，用來研究電場的沿線分布，A、B、C為三相導線。
為了使建模工作更精準更高效，可以將仿真分析軟件與其他分析方法結(jié)合，宋福根等人利用三維電場估計方法結(jié)合有限元分析軟件Ansys對電場強度分布進行建模，在此基礎(chǔ)上分析空間電場強度的分布特征，然后研究無人機的避障原理。
同樣，建模時結(jié)合第2節(jié)所講的柱狀空間法，使得仿真結(jié)果更嚴謹、更精確。邴麗媛等人采用多傳感器融合技術(shù)，通過對巡檢過程中可能出現(xiàn)的障礙物進行建模，建立最小安全空間模型，再結(jié)合輸電線路周圍電場模型，同時利用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡方法，來研究無人機巡線的避障技術(shù)。
研究電磁場結(jié)合的輸電線路模型與上述相似，關(guān)鍵在于得到不同電磁場強度下無人機與導線的距離關(guān)系，這可以通過結(jié)合有限元算法等分析方法與Ansys等仿真軟件來分析得出。但該距離可能存在誤差，因此曹浩楠等人提出了選用電場有效值結(jié)合高度的方法來確定無人機與輸電線路真實距離，其結(jié)果誤差更小，更接近實際距離。
此外，劉壯等人也通過建立輸電線路電磁場仿真模型，研究無人機不同巡檢距離下導線周圍電磁場分布，并仿真得到±500kV直流輸電線路直線塔無人機巡檢作業(yè)最小安全距離為3m，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合電流進行距離修正，使其更精準更真實。
除此之外，還可將電磁場仿真模型及其得到的安全距離結(jié)果，結(jié)合其他方法來實現(xiàn)更高效、更準確的避障。例如馮智慧等人先通過建立導線對無人機工頻電磁場干擾仿真模型，分析工頻電磁場對無人機機身及機載設備的影響，確定了飛行最小安全距離；基于此，結(jié)合確定的最小安全距離、線路桿塔三維模型、巡檢任務相關(guān)信息和三維GIS系統(tǒng)，最終實現(xiàn)無人機巡線路徑規(guī)劃和避障等功能。
3.5 基于電磁場并結(jié)合其他方案的避障方法
同樣，將多種方法結(jié)合起來的避障方案雖然復雜性較高，但從精確性和優(yōu)越性來說，必然比單一方法更高。在利用電磁場特性分析并得出無人機巡檢的安全飛行距離的基礎(chǔ)上，高旭東等人將圖像匹配的視覺測距方法融合到該避障方法中。
這種復合避障法的關(guān)鍵在于利用電磁場特性得到無人機安全飛行距離，具體做法是：首先構(gòu)建交流輸電線路模型，分析不同電壓等級下輸電線內(nèi)側(cè)、外側(cè)、下側(cè)三個方向不同距離的電場強度、磁場強度的衰減情況；并設計簡單的含有機翼、腳架的無人機模型，分析無人機對于輸電線周圍電場和磁場分布的影響以及無人機周圍電場的分布、無人機機體磁場的分布；結(jié)合無人機飛行速度、信號傳輸延時特性、風速等因素，最終得出無人機在高壓交流輸電線環(huán)境中巡檢的近似安全飛行距離。
綜上所述，幾種傳統(tǒng)的基于傳感器的和基于柱狀空間的避障方案雖然在初期實現(xiàn)了無人機巡檢避障的功能，但經(jīng)過實踐的檢驗，其缺陷也慢慢暴露出來，但這些方案所提供的思路和經(jīng)驗仍然是避障工作不可或缺的寶貴財富。同時，隨著研究的深入，這些方案也很有可能經(jīng)過優(yōu)化、完善和創(chuàng)新，展現(xiàn)出全新的活力。
相比之下，基于輸電線路空間電磁場分布特征的無人機避障策略更為優(yōu)越。該避障策略是一種通過分析輸電線路空間電場的分布特征，得到其空間等電場強度區(qū)域并以此值作為主要避障參量的自主避障策略。
該避障策略硬件要求低，受外界影響較低，避障精準性高，效率高，同時理論基礎(chǔ)扎實，發(fā)展前景廣，更適合應用于大型無人機自主巡檢避障控制，可為其超視距的大范圍自主巡檢提供一種安全、高效的避障策略。目前國網(wǎng)福建省電力公司已經(jīng)在該避障控制領(lǐng)域進行了大量的前期研究工作，為將來大型無人機的超視距大范圍巡檢打下了堅實的基礎(chǔ)。
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