无人机在电力巡检中的监管预警技术

王维陶 王甜田 徐新奎

【摘 要】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。

【关键词】无人机;电力巡检;监管预警技术

1无人机技术简介

无人机是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操控的无人驾驶航空器的简称（UAV），无人机、控制站、通信系统和设备保障系统共同构成了无人机系统。（1）无人机。为满足工业控制的要求，无人机需要具备以下特点：首先，为保证无人机在空中飞行稳定，可以适应不同的工况，其外形设计需要合理;其次，具备足够的载荷能力，以保证能够搭载信息采集系统和不同的任务设备;第三，可以完成特定的工作任务，如电力线路巡检、清障作业、架线作业、自主巡检等;最后，具备远程无线图传和定位功能等。（2）控制站（GCS）。控制站是无人机系统的重要组成部分，为无人机操控人员提供人机接口和工作环境等。主要负责无人机的航线规划、起飞与降落、任务执行与管理、信息采集、控制计算和紧急情况处理等。（3）通信系统。通信系统起到连接无人机和控制站的桥梁作用，实现两者之间控制信息、任务载荷信息、无人机状态信息、图像视频等数据信息的传输。（4）设备保障系统。主要为无人机正常作业提供必要的技术支持和安全保障，满足无人机野外作业时需要的电力、油类等需求，实现转场作业的要求。

2无人机的安全问题

最近几年无人机发展迅速，但是在其安全保障方面的技术却有所不足，导致无人机的安全事故时常发生，这样便很容易泄露电力公司的机密，甚至对国家带来极大的安全隐患。在电力巡检避障中使用的无人机由于其特殊性，往往很容易就会带来安全威胁，譬如传感器数据、信号传递、线路触碰等。根据现阶段常用的无人机的种类及其性能参数可以知道目前电力企业使用的大部分无人机都是航拍无人机小改款，其内部的安保系统十分简易，很容易发生安全事故。这些无人机在制作时的设计重点仅仅在电力巡检避障方面，而在信息保障以及防触碰两方面欠缺考虑。

3无人机在电力巡检中的监管预警技术

3.1巡检系统中的关键性技术

针对无人机电力线路安全巡检系统的关键性技术展开有效性分析，其中首先是针对飞行姿态控制技术，确保无人机巡线时能够不受相关自然因素的影响，提升无人机飞行姿态，控制系统的有效性。其次，多传感器应当提升其精准度，并能够确保时间的同步，将相关测量数据展开紧密的联系，并加以全面性分析，并对定位数据展开输出。对控制器的相关时间加以统一，并实现激光扫描仪数据的合理性，使得传感器数据都能够同步录入到系统的当中，并能够实时对控制器展开监控。最后，针对探测技术中出现线路缺陷以及安全隐患方面，主要涉及到视觉探测、红外和与紫外探测技术以及激光雷达等探测技术，因此需要无人机电力线路巡检工作的实际开展中，能够针对以上三个方面产生了缺陷以及安全隐患，加以重点排查，提升线路巡检的有效性，从而将视觉探视的可见光探测效果发挥出来。降低红外热成像仪，受到温度影响的不利影响，降低紫外成像仪受到自然光以及人造光源的影响，同时对激光雷达探测技术加以明确性应用从而将其测距的优势发挥出来。

3.2无人机飞行轨迹预测分析

由于飞行环境和无人机本身存在的不确定性，自主控制系统的规划与重规划应该具有较高程度的智能，对由于系统参数的变化、不确定产生的扰动以及可能发生的故障应该具有一定的鲁棒性。典型的自主飞行无人机规划问题就是如何在满足所有可飞约束条件下，有效、经济地避开威胁，完成任务目标。作为无人机自主导航的关键技术之一，航迹规划已经成为目前无人机研究领域内的一大热点。无人机航迹规划，就是综合考虑到达时间、油耗、威胁以及可飞行区域等因素，为无人机之后的飞行规划出最优或者次优的飞行轨迹。同多种规划计算一样，无人机的航迹规划最初也是由操作人员手工完成，随着电子计算机技术的不断发展与无人机飞行突防要求的不断提高，在规划前对飞行空间的地形与敌方防空威胁信息的掌握也越来越精确，因此现在的航迹规划都由相应的计算机软件来处理大量的数据信息完成规划，在线实时规划与重规划更需要特定的硬件与软件系统来完成规划。无人机的飞行一般都需要执行特定的飞行任务，因此无人机的航迹规划都应该以满足任务需求作为规划航迹的最初目的。航迹规划就是综合考虑油耗代价、威胁代价以及性能载荷的情况下找出一条能都完成飞行任务的最优航迹。在无人机起飞之前，首先由地面规划系统预先规划出一条满足任务需求的油耗代价与威胁代价均较小的最优航迹。无人机起飞之后，无人机按照预先规划的最优航迹飞行，但由于飞行空间具有不确定性，以及突发威胁的存在，预先规划的航迹有可能不再适应当前飞行状态，因此需要依据当前无人机飞行状态以及最新探测到的飞行环境信息进行替代航迹重新规划，规划出一条新的航迹以保证无人机安全飞行至完成任务。

3.3无人机电力巡检中的监管预警技术

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預警问题，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。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，该技术的流程如下：（1）采用遗传算法求解合法空域的最大内接矩形（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。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。（2）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结束语

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。

参考文献：

[1]蒙波.无人机航迹规划与任务分析的仿真与实现[D]..电子科技大学信号与信息处理专业硕士学位论文，2010（5）：12-22.

（作者单位：航天神舟飞行器有限公司）