無人機自動避障技術在輸電線路巡檢中的應用

方遠征，劉洪偉，劉 霄，胡春生，王 偉

（國網山東省電力公司檢修公司，山東 濟南 250118）

0 引言

超、特高壓線路已成為全國電力網絡系統的大動脈，為確保電網系統主干網絡的安全穩定運行，需對輸電線路本體及線路通道內出現的各類情況進行掌握，盡早發現隱患，并及時進行處理。在輸電線路巡檢中，無人機能夠近距離檢查輸電線路本體，其攜帶的各類傳感器能夠拍攝、存儲大量影像資料，給輸電線路運維人員進行比對、分析，能夠快速判定輸電線路存在的缺陷，相較于人工巡檢，具有檢查線路缺陷效率高、安全系數高等優點［1］。無人機在巡檢過程中，需保證與帶電線路保持安全距離，利用無人機自動避障技術，有效避免了碰撞事故的發生，提高無人機巡檢的安全水平。

1 無人機自主避障系統設計原理

自主研發的多旋翼無人機避障系統依據其測距方法主要可分為3類：一是超聲波測距法；二是飛行時間測距法；三是由多種測距和圖像處理方法相結合的復合型測距法［2］。以上3種方法只應用在某種特定的無人機飛控系統自主避障功能的開發設計中，當開發者對無人機構造不了解時，以上測距方法不能與無人機飛控系統相適配。多旋翼無人機運行機理為遙控器接收機接收飛行控制信號并將其傳遞給控制模塊，進而傳送給無人機執行機構驅動其飛行。根據無人機設計原理在遙控器接收機與飛控模塊之間增設自主避障模塊，其中自主避障模塊由超聲波傳感器和Arduino UNO平臺兩部分組成，如圖1所示。超聲波傳感器通過發射超聲波信號并收集由障礙物反射回的信息，實時檢測出無人機與其飛行環境周圍存在的障礙物之間的距離，并傳遞給Arduino UNO平臺。Arduino UNO平臺通過比對遙控器接收機接收的無人機飛行控制信號和采集到的超聲波傳感器檢測的無人機與障礙物之間的距離信息，進行邏輯判斷，進而重構出飛行控制信號，并將重構出的飛行信息傳遞給無人機系統的執行機構，當無人機飛行中遇到障礙物時飛機能夠以準確姿態避開，從而在不改變無人機飛控系統軟硬件的情況下實現精準避障。

圖1 多適配性無人機避障系統方案

2 無人機自主避障模塊硬件平臺搭建及軟件設計方案

2.1 硬件平臺搭建

2.1.1 電源模塊

Arduino UNO控制板作為超聲波傳感器及遙控器接收機的信息存儲單元，為減少了外界信息的干擾，采用外部獨立電源供電，圖2為系統供電模塊原理圖，Vin為電源輸入端口，允許輸入電壓范圍為5～10 V，A4端連接二極管，其單向導通的特性有效避免了系統元器件因電源極性接反而被燒毀的問題。

圖2 外部供電模塊

2.1.2 Arduino UNO與飛控接口設計

Arduino UNO芯片作為Arduino市場的主流產品，端口豐富，功能強大，用戶根據不同的需求可靈活選擇各類開發平臺，選取該型號芯片作為自主避障模塊核心控制元件［3］。Arduino是當前市場上比較受歡迎的嵌入式開發平臺，該處理器無論硬件還是軟件都是開源的，用戶可以查看其源代碼、設計圖表等信息，設計方式極其靈活。主要包含兩大部分：Arduino電路板和Arduino IDE模塊，前者是起連接系統作用的硬件部分；后者根據傳感器來感知、反饋周圍環境的變化，開發板上的微控模塊可以應用其自身的開發語言進行編程，并將翻譯后的機器代碼，錄入控制芯片內。

Arduino UNO控制板與飛控系統之間采用14路數字信號傳遞數據與控制信號，端口工作電壓為5 V，端口輸出接入最大電流為40 mA，外部配置20～50 kΩ上拉電阻。Arduino UNO各芯片引腳的功能為：控制接收信號串口RX（1號），控制發送信號串口TX（2號），連接信息交換芯片，控制與外部芯片進行信息交換；脈寬調制 PWM（2、3、4、5、6、7）引腳，輸出8位控制數據信號；外部觸發中斷（8號和9號）引腳，為跳沿觸發方式；SPI（10（SS），11（MOSI），12（MISO），13 （SCK）） 可以 SPI通信接口；LED 燈（13號）測試接口，用于測試Arduino的LED接口，當該端口輸出低電位時LED為熄滅狀態，反之該燈被點亮。

2.1.3 超聲波傳感器選型

綜合分析超聲波傳感器測距范圍、測量精度及其質量、體積與無人機負荷能力相適配等問題，選取尺寸、重量適中，測量范圍較大、精度較高型號為 US100-Y401的超聲波測距傳感器，如圖3所示。

圖3 US100-Y401的超聲波測距傳感器

US100-Y401型超聲波測距系統通過軟硬件結合可實現串口的全雙工通信，通過設定不同訪問地址，單個通信口可實現對16個不同地址的設備的訪問，且在測距中選擇其低功耗模式，能夠大量節省傳感器熱損耗，在實際應用中選擇采集信息的指令校準功能，能進一步提高測量精度。其聲波輸出功率較強，能在復雜的外界干擾條件下（電磁波和聲波），通過實時校準，實現對距離信號的精準測量。該型號傳感器工作電壓為3.3～5 V，探測功能強大測距范圍可達700 cm，環境溫度在-40～65℃范圍內正常工作，其高頻率聲波探測能力，避免了被探測物形狀、顏色等干擾因素的影響，從而獲取準確的距離信息，達到精準快速避障的目的。

在探測無人機飛行環境周圍的障礙物時，為消除US100-Y401超聲波傳感器的檢測盲區，飛控系統對測距結果將進行分組處理。

2.2 軟件設計方案

2.2.1 軟件流程

基于以上硬件控制平臺，無人機自主避障模塊軟件設計流程如圖4所示。Arduino UNO平臺首先接收用戶通過遙控器輸入的無人機的原始飛行控制信息，然后讀取超聲波傳感器檢測到的無人機與障礙物間的距離信號，并進行邏輯判斷。若通過系統判定得知無人機與被測量障礙物之間的距離大于系統設定的安全距離，則無人機按照遙控器接收機的原始輸入信息執行飛行任務；若通過系統判定知無人機與被測量障礙物之間的距離在系統設定的安全距離范圍之內，則無人機認定障礙物對其安全飛行構成威脅，飛控系統賦予飛行器執行機構值為K*（安全距離和測量距離之差）的控制信號，使無人機遠離障礙物到安全距離以外，其中K值為正系數避征值，其值越大，無人機避障反應越明顯。

圖4 軟件流程

2.2.2 算法實現

基于以上設計思想，在設計完成的Arduino UNO硬件控制平臺上，完成自主避障飛控系統的軟件程序調試工作。設計中無人機的加速與方向舵通道為獨立控制單元，系統綜合信息判定的結果只控制升降舵與副翼的運行，萬一發生無法預料的情況時，可直接控制加速與方向舵調整飛機運行狀態，避免意外狀況發生，保證飛機運行安全。自主避障飛控系統軟件程序內定義無人機與障礙物間的距離變量為distance，對于檢測結果系統首先進行濾波處理，若測量距離大于等于40 cm，distance賦值為40 cm。無人機的安全距離設置為40 cm，其目的是在無人機與障礙物之間設定了一個0～40 cm敏感區域，若無人機進入該范圍，系統認定無人機為非安全飛行狀態。自主避障模塊運行時，由系統設定的安全距離減去變量distance并將差值賦予變量error，若error值為0，無人機機按照遙控器原始輸入信號飛行；若測量知無人機與障礙物之間的距離為30 cm，則error值為10 cm，通過調整比例系數飛控系統獲取控制信息驅動無人機調速機構飛離障礙物，至安全距離大于40 cm，從而實現準確避開障礙物的目的，無人機避障反應與變量error值成正比例關系。

2.3 系統驗證

為驗證設計的有效性，需進行飛行測試，選擇六軸六漿的多旋翼無人機平臺Wookong-M飛控系統進行試驗。試驗時，操作人員操作無人機勻速接近障礙物時，無人機避障反應明顯，當無人在雷達區域外時，可穩定懸停在空中。無人機操作人員對其飛行環境周邊的障礙物做出提前預判，及時調整飛機運行姿態，為保障無人機與輸電線路的安全提供保障。該型號超聲波傳感器檢測障礙物的范圍達700 cm，辨識精確度達到0.1 cm［4］。此外，該型號傳感器對采樣數據可以進行濾波處理，其指令集中有校準功能指令，能進一步提高測量精確度，通過實際驗證測量模塊得出如下特點：1）測量角度30°錐形；2）與地面平行飛行不受電磁干擾；3）超聲波傳感器波束方向與被測物因測量夾角存在的誤差，不影響其自主避障功能的實現；4）測量最小能見度1.5 cm2左右；5）物體最大測量面積700 cm2左右?？紤]無人機巡視輸電線路時的飛行環境，綜上可知選用US100-Y401型傳感器能夠滿足使用要求。

系統采用Arduino UNO和超聲波傳感器相結合的方式，超聲波傳感器探測無人機飛行環境周圍存在的障礙物，Arduino UNO平臺收集輸入的相關信息進行邏輯信息重構，進而驅動無人機調速器改變飛機運行姿態，準確避開障礙物。本設計具有超強的抗電磁干擾能力，整個系統按照國標設計，靜電抗擾度和電磁抗擾度等級均達到500 kV輸電線路運行要求。 同時充分考慮了系統應用環境的變化，系統應用到不同型號無人機，可根據環境的不同，用戶要求的不同，靈活地調整系統設置。

3 結語

多適配性無人機避障模塊介于遙控接收機和飛行控制系統之間，采用外接電源進行獨立供電，選用US100-401超聲波傳感器進行測距，并將超聲波雷達與Arduino UNO硬件控制平臺相融合，發射探測信號，采集反饋信息，接收遙控器接收機數據，實現了接收機與飛控系統的互聯。通過對試飛過程的跟蹤觀察，和無人機在飛行過程中對障礙物的感知和躲避的分析確認，能夠實現有效躲避障礙物，提高了無人機巡檢的安全性，推廣使用將充分發揮避障系統的實時性、可靠性、易用性和可擴展性。