无人机电力巡检视觉避障技术及其运用探微

2023-03-06

近年来, 我国国民经济高速发展, 科学技术也有了突飞猛进的变化, 各个行业的生产经营活动对能源的需求越来越大, 对能源行业的稳定性和安全性所提出的要求也越来越高。在建设可持续发展社会的目标下, 电力在我国的能源行业中占据着越来越重要的作用, 所以人们对电力这种能源所具有的稳定性和安全性提出了更高的要求。在目前的中国, 电力行业的飞速发展使得电网规模不断扩大, 一方面确实是满足了人们的用电需求, 但另一方面巨大的电网规模对电力的稳定性和安全性提出了挑战。电网结构的复杂加上我国地域广阔, 成为电力巡检所面临的一大难题。

本来对输电线路进行定期的巡检是保障电力安稳的一种重要维护措施, 但在天气、人员操作失误、意外等情形下, 输电线路的巡检工作充满了危险, 严重的电网事故会引起严重的安全事故, 带来不必要的人员伤亡和经济损失。所以随着无人机这种产物的出现, 相关技术的成熟化, 运用无人机进行电力巡检以代替人工是符合时代的发展趋势的, 也有利于保证电力能源的安稳性。但目前使用无人机进行电力巡检对于无人机的避障技术提出了较高的要求, 在技术上也面临着很多困难。

一、无人机电力巡检避障技术所面临的困难

(一) 特殊场景

无人机在电力巡检的过程中很可能会因空旷野外的大风而在一定程度上偏离“轨道”撞上高压线塔等电力设备。这是对无人机的避障技术提出的第一个要求, 能在这种特殊的阵风中及时躲开电力输送的钢架、电线, 能在保证巡检任务完成的同时保证不损坏相关的输电设备。

(二) 警戒距离

无人机在电力巡检的过程中必须要能感应到电力的输送设备, 并与之保持一定的距离, 否则可能会出现躲避不及的状况。并且保持安全距离也有利于在阵风天气及时的避开高压线塔, 保证无人机安全进行工作、电力得到正常输送。

二、无人机所采用的避障技术

无人机的避障技术至今仍是无人机研究的热点问题, 它所体现的是无人机的智能性和安全性。国内外对于相关课题的探讨仍在进行, 下面笔者将几种常见的无人机避障措施进行简单介绍。

(一) 主动避障技术

主动避障技术主要是其系统会主动向外界投射波束, 借助外界对波束的反射情形做出判断, 进行距离感知。简单来说, 这和向井里喊话来判断井的深度是同样的道理。以从向井里喊出声到听见回声的时长为依据来判断井的深度, 如果等待回声的时间比较久就证明了井比较深, 否则就是比较浅。在无人机的主动避障技术中将接受的声波信息进行了更加细致的分析, 以此来判断障碍物的位置、大概形状等。常见的主动式避障系统包括了多种形式, 下面一一进行介绍。 (1) 超声波。在无人机上安装超声波的发射器和接收器, 再将其接入整个无人机的飞行控制系统, 就可以让无人机通过反射回来的超声波对障碍物的位置、形状等有了相关数据从而实现精准避让。以超声波为基础的感知器所拥有的处理流程较为简单, 价格低廉, 在实时性方面的需求更容易得到满足。所以这种方式被广泛的应用在无人机中。但是超声波距离感知器也存在一些不足之处, 主要表现在:首先超声波容易受到环境温度的影响, 会因所处环境的温度而发生改变, 导致接收到的超声波所分析显示出的信息不准确。其次, 超声波在具体应用时, 如果障碍物反射超声波的能力不强就会导致信息不准确。最后, 超声波还易受可闻声波的影响, 而这些对于无人机的电力巡检工作都是不利的。 (2) 红外线。红外线具有不易受电磁波影响的优点, 同超声波一样, 它也可以实现非接触性测量, 但是红外线所能测量的范围比较近, 若想实行远距离测量所需要的成本极大。 (3) 结构光。结构光主动避障技术是一种利用光学手段进行测距的新型测绘技术, 而结构光投射器的设计便是这一技术中的核心所在。它的原理是利用结构光投射器向周围场景均匀投射可控光, 再由图像传感器收集分析得出刚刚投射的可控光的图像, 通过光学测量系统还原出场景的三维信息。现今结构光避障技术经过与各种编码技术的融合, 利用它来测距的精确性得到了大幅提升。 (4) 雷达。作为常规测距的一种方式, 在进行距离测量时拥有固定的处理流程, 主要是通过以下的几个步骤: (1) 模数转换器 (2) FFT数字信号处理芯片 (3) 求模电路 (4) 非相参积累器 (5) CFAR检测电路 (6) 飞控系统。在这样的一个流程中雷达实现了对障碍物的检测和测距。雷达测距比红外线测距所得的信息更加精准, 但是同样的, 雷达系统的成本较高, 并且自身的质量较大, 对小型的无人机而言不太适合。

(二) 被动避障技术

从字面意思上来看, 被动避障技术就是不会主动发射波束的技术, 它主要依靠的是直接采集场景信息, 再经过计算分析得到障碍物的相关信息。视觉避障是被动避障中的一种较为典型的方式, 它模拟了人类的视觉系统, 主要通过视觉传感器来收集周围的场景信息, 再经过计算整合来感知障碍物的位置, 并智能化的给出相应的飞行规划以避开障碍物。这种技术所具备的优势是投资少、精度高。

(三) 复合避障技术

复合式避障结合了主动式和被动式的避障技术, 对比而言, 复合式避障技术所采用的技术手段比之前的几种只采用单一式避障系统的技术更加复杂, 所以直至今日, 复合式的避障技术仍是研究重点。2009年麻省理工学院推出的一款多传感器融合的导航系统方案和2015年山东电力研究院在专利中提及的基于多种传感器的障碍规避系统都属于复合式的避障技术。

三、结语

科技的不断发展给我们的生活带来了极大的便利, 但是目前仍然有无数的“不方便”还萦绕在我们周围, 电力巡检作为保障我们用电安稳性的工作, 需要付出很多人力、物力、财力去支撑进行, 但难免还是会有事故发生, 不光危及巡检人员的生命安全, 也可能造成巨大的财产损失, 而如今无人机的出现, 给电力巡检提供了一种新的解决办法, 即使目前的相关技术还有不成熟的地方, 但相信通过国内外的研究, 用无人机进行电力巡检会迎来更加光明的一天。

摘要：随着航空技术的发展, 无人机逐渐进入民用领域, 当前电力巡检也逐步引入无人机, 让无人机巡检来代替人工。这种模式在很大程度上减少了人员的工作量, 提高了巡检的安全性。但采用无人机来进行电力巡检的这一方法对无人机的避障功能提出了更高要求。本文主要对当前无人机所采用的避障技术进行了简单介绍, 希望能为无人机的发展提供一些帮助。

关键词：无人机,电力巡检,视觉避障技术