无人机电力巡检视觉避障技术研究

罗勇+周学涛

摘要：无人机电力巡检是一种便捷的远程迅捷方式，通过视觉避障技术的应用，实现了自动巡检。本文简要介绍了无人机电力巡检的作用，并分别针对主动避障、被动避障以及复合避障等无人机电力巡检主要的视觉避障技术进行了分析。

关键词：电力巡检；无人机；视觉避障技术

前言：

随着人工智能技术、互联网技术等的逐渐应用，我国智能电网建设日益成熟。电力巡检作为电力系统安全稳定运行的重要内容之一。小型无人机的有效应用使得无人值守自动巡检模式成为可能。

一、无人机电力巡检的作用

国民经济及社会的发展离不开电力系统的支持。改革开放以来，我国电力事业发展迅猛，年投入新建电网资金千亿元以上，年均增幅超过20个百分点。尤其是高压长距离输电业务的开展，成为我国电网构建的核心业务。对于高压长距离输电的电路架线、巡检工作而言，其需要在野外进行长期作业，且部分地区通过人为巡检难度大、安全系数及效率低，制约了我国电力事业的发展。无人机早期主要应用在军事任务中，并逐渐向民用事业发展。尤其是近几年，搭载高清数码相机、摄像机并配有GPS定位系统的无人机广泛应用于电力巡检中。通过无人机的自主巡航，影響抓取，电力电控人员可在PC端同步接收影像，进行远程巡检。效率高，安全稳定。尤其是存在山洪、地震等气象地质灾害的区域，无人机的排查效率高，不受外在路面条件的影响，方便监察人员根据巡检结果制定有效的电力抢修方案。为了避免无人碰撞高压线路杆塔、电线等，造成电力事故影响电力巡查质量，需要针对无人机的智能避障方法进行研究。

二、无人机视觉避障的主要技术分析

基于机器视觉的无人机自动避障系统研究一直以来都是无人机应用的重点研发内容，根据避障的基本概念可知，要求无人机在碰撞障碍物之前的安全距离内改变飞行方向，避免直接接触。因此避障的关键要素就是针对障碍物的距离感知。常见的无人机避障技术有以下几种：

1、主动避障

主动避障的原理类似于蝙蝠寻路的方式，通过无人机搭载的装置向外投射光波等，并根据光波的反射等情况进行距离的感知。主要有超声波、红外线、结构光等方式。超声波是常见的距离感知方式之一，无人机上安装有超声波发送器及接收器，无人机不间断的向外部空间发出超声波信号，根据超声波的反馈效果探测景深，达到实时接收和反馈的效果，造价低。但是在应用的过程中，易受可闻声波的干扰，不同物体表面的声波反射能力也有所区别，总体来讲精度比较低。而红外线测距则存在测量效果好，测量范围狭小的问题。目前来讲，多数无人机搭载雷达装置，实现主动避障巡查。此种主动避障系统主要包括5个部分，分别是模拟/数字信号转换器、FFT处理芯片、求模电路、非相变参数积累器、CFAR检测电路等[1]。射频系统主动向目标发送射频信号，目标物对射频信号进行反射回波，系统接收回拨信号后，获得差拍信号。所获得的差拍信号经过转换器生成数字信号后，FFT处理芯片对数字信号进行处理，获得初始目标距离信号。对初始目标信号分别进行幅度值运算，非相变参数积累以及检测电路检测，获得准确的距离信号。但是雷达测距的造价高，且构件比较复杂，对于小型无人机而言，装载难度比较大。结构光则是利用光学原理进行的主动避障方式，在无人机智能测绘中应用较多。由结构光投射器向近距离场景投射可控制光点、光条或光面结构，并由图像传感器捕获经过场景调制的图像，通过光学测量系统的几何关系与经典的三角测量原理还原出场景的三维信息[2]。根据不同的地理条件，其产生的结构物光图案也有所差异，为了应对复杂图案的需求，确定物体表点面与图像像素点的对应关系，需要对图案进行科学编码。结构光测距免除了电磁波的干扰，但是城市楼宇光、太阳强光灯等则容易造成光波污染，影响测距效果。

2、被动避障

与主动避障相较而言，它主要依赖于对避障场景的直接数据的收集和分析。比较常见的就是通过无人机上搭载的视觉传感器，进行人类视觉模拟，整合场景信息后，进行飞行路径规划。视觉传感器一般为高像素的数码相机。现阶段，基于双目立体视觉的被动避障技术已经在无人机巡检中应用。其根本原理是三角测量，利用成像设备几何拓扑关系获取被测对象两幅图像，再对图像同名匹配点之间的像素坐标偏差进行计算，以获得目标物的景深信息。这种方式的造价低，搭载装置质量轻，对小型无人机而言比较简便，且测距精度比较高，值得推广。

3、复合避障

主动避障与被动避障皆有优缺点，为了提升避障效果，在优化两项避障技术的同时，已经开展了大量的针对主动避障与被动避障结合的避障方式的研究。早在209年，美国麻省理工学院就研究了一套多传感器融合的导航系统，分别融合了被动避障的双目立体视觉系统和主动避障的激光测距仪[3]。在此基础上，结合IMU、GPS等传感技术的研究也显著增加。2015年，以开发小型无人机为核心的大奖科技推出了一套全新的复合智能避障系统，其视觉识别范围可达20m，且覆盖除了上方外的五个方向。

4、无人机电力巡检视觉避障的要点分析

根据当前的无人机电力巡检视觉避障技术分析来看，其主要针对电力巡检中的特殊避障要求进行分析和规避，从而提升避障效果。首先，由于在野外作业，小型无人机会受风向等因素影响产生路径偏移，易于杆塔等设备发生碰撞，那么就需要对现有电路架构的镂空结构进行规避，提升算法的有效性。其次，无人机避障的重点就是与电力设备保持警戒距离，能够在警戒距离外获得清晰的巡检影响，那么就需要针对避障的即时性进行研究，以最短的时间获得反馈效果。最后，无人机的视觉避障应该能满足多种条件下的巡查需求，对多地理、气候多变具有适应性，算法也应具备通用性的特征，从而降低视觉避障系统的造价和质量，提升性价比。

【结束语】

综上所述，无人机电力巡检是智能电网建设的重要组成部分，它能够极大的提升巡检效率，规避人身安全风险，并可在复杂的外部环境下快速获得巡检结果。无人机电力巡检的核心就是提升无人机的视觉避障效果，避免无人机的意外碰撞。主动避障和被动避障是无人机视觉避障的主要应用技术，未来结合主动避障和被动避障优势的复合避障技术是其发展的必然趋势。

参考文献：

[1]张西忱.无人机的避障技术及其应用[J].集成电路应用，2017， 34（2）：66-68.

[2]朱凯凯，初阳，华维超.机器视觉在无人机智能避障的应用[J]. 通讯世界，2016（21）：282-282.

[3]孙阳，李鲁，王蔚，等.特高压输电线路巡检无人机安全技术探讨[J].山东电力技术，2017，44（2）：15-19.