一種無人直升機避障系統設計

程燕勝, 楊鶴猛, 楊雪, 喬曉明

(天津航天中為數據系統科技有限公司, 天津 300301)

0 引言

隨著我國架空輸電線路里程不斷增加,巡檢需求和人力缺員的矛盾日益突出,依靠人力進行線路精細化巡檢運維,在工作效率和經濟效益上已無法滿足需要。隨著無人機技術和人工智能識別技術的發展,無人機自動巡視已得到廣泛應用,全自動無人機巡視已成為輸電線路無人機巡檢的發展重點[1],通過無人機搭載各類巡檢任務載荷對線路進行巡檢,并自動完成巡檢數據處理,大大提高了巡檢效率和質量。小型多旋翼無人機航時和載荷能力有限,無法滿足遠距離線路巡檢等場景要求,無人直升機由于載重量大、航時長的特點,適用于輸電線路遠距離精細化巡視作業,也得到了應用。

無人直升機進行線路精細化巡視時,需識別出部件的隱患缺陷,無人直升機與線路之間的距離較近,線路本體設施和周邊樹木等都可能成為障礙物,嚴重影響作業安全,對避障功能提出了迫切要求。當前研究針對多旋翼無人機避障[2-3],技術相對成熟,市場上部分多旋翼無人機已具備自動避障能力,但在無人直升機上尚未普及,一定程度上制約了無人直升機巡檢的應用。

本文對障礙檢測傳感器進行綜合對比分析,利用多傳感器協同檢測的方式,設計一種適用于架空輸電線路直升機巡檢的避障系統,可有效提高機巡作業時的障礙避讓能力。

1 總體設計

無人直升機避障系統主要由障礙檢測傳感器(毫米波雷達及雙目攝像機)、避障控制器、數傳電臺和監控地面站組成,如圖1所示。

圖1 無人直升機避障系統組成

避障系統各組成部分如下。

(1) 障礙檢測傳感器

包括毫米波雷達和雙目攝像機,對不同方向障礙物進行實時感知,并將檢測信息發送至避障控制器。

(2) 避障控制器

根據檢測到的障礙物分布信息,結合無人直升機飛行狀態,計算出避障航跡,并發送至飛行控制器。

(3) 數傳電臺

完成避障控制器和監控地面站之間的信息交互。

(4) 監控地面站

避障系統參數配置和飛行規劃航跡上傳,實時監視系統工作狀態。

2 傳感器選型

實現自主動態避障的首要任務是檢測到障礙物,然后由控制系統做出實時避障操作[4]?？蛇x的傳感器類型也較多[5-7]。對應用廣泛的典型傳感器進行對比分析,如表1所示。

表1 典型障礙檢測傳感器對比分析

利用雷達和視覺傳感器進行目標檢測在車輛自動駕駛領域已得到應用[8]。采用毫米波雷達與雙目攝像機相結合的方式進行障礙物檢測,既可對導線等金屬物進行有效檢測,同時可發揮雙目視覺檢測信息豐富的特點。

3 障礙物判斷

通過構建虛擬的避障空間,可為航線規劃提供依據[9-10]。設計圓柱狀的飛行通道,以飛行器中心為原點,沿航向進行拉伸形成飛行通道,通道半徑視具體機型可以配置,長度取毫米波雷達最大檢測距離。根據檢測到的物體位置信息,結合與下一航點的位置關系,判斷物體是否位于飛行通道內?？煞譃閮煞N情況。

(1) 檢測物體在下一航點前

如圖2所示,R為飛行通道半徑,AE為航線方向,下一航點G位于飛行通道外,A為無人直升機,B為檢測物體,L為目標距離,α、β分別為檢測物體方位角、俯仰角。

圖2 檢測物體在下一航點前障礙物判斷

根據三角形勾股定理,利用L、α、β可計算出CD。若CD≤R,則檢測到的物體位于避障空間內,視為障礙物。

(2) 檢測物體在下一航點后

如圖3所示,障礙檢測傳感器檢測到的物體位于下一航點后。假設剛經過第N個航點,則G1為N+1航點,G2為N+2航點,BD垂直于G1G2。

圖3 檢測物體在下一航點后障礙物判斷

根據檢測物體方位及相對距離可計算出B點的位置,根據B、G1、G23點位置即可計算出BD長度。在不考慮無人機轉彎半徑的情況下,若BD≤R,則認為檢測到的物體為障礙物。

4 系統應用模式

在無人直升機飛行控制器支持實時更改航線的情況下,避障系統檢測到障礙物時,自動規劃避障航線,將避障航線實時注入飛行控制器中,實現無人機自主避障。

避障系統的工作流程如圖4所示。

圖4 避障系統工作流程

圖5 監控地面站顯示障礙物分布

避障主要分為以下幾個階段。

(1) 系統參數配置

避障系統上電后,通過監控地面站采用手動或讀取配置文件的方式進行參數配置,配置的參數主要包括飛行器類型、避障空間長度、任務航線等。

(2) 開啟障礙檢測

當飛行距地高度超過安全半徑時,避障系統處于工作狀態,避免起降階段將地面視為障礙物的誤警情況。

(3) 障礙物判斷

對檢測到的物體進行安全距離判斷,確定影響飛行安全的障礙物。

(4) 避障航線規劃

根據檢測到的障礙物分布情況,考慮制約因素,自動運行避障航線智能規劃算法,生成與障礙物保持安全距離且盡可能平滑的避障航線[11]。

(5) 避障航線注入

將規劃避障航線注入無人直升機飛行控制器。

(6) 關閉避障系統

巡檢作業完成,離地相對高度小于安全半徑,系統自動關閉。

5 系統測試

將避障系統安裝在無人機上進行測試,毫米波雷達可實現遠距離障礙物的檢測,輸出障礙物的距離、方位等信息,雙目視覺傳感器可有效探測寬視場范圍目標。通過測試,設計的避障系統可有效實現障礙物檢測及避讓。

6 總結

本文設計了一種適用于輸電線路無人直升機巡檢的避障系統。針對輸電線路巡檢作業典型障礙物探測需求,在對不同的障礙檢測傳感器進行優缺點對比的基礎上,完成傳感器選型及避障流程設計,采用多傳感器組合檢測的方式,充分發揮毫米波雷達探測距離遠及雙目攝像機檢測信息豐富的特點,通過調整毫米波雷達帶寬及雙目攝像機焦距實現不同距離及分辨率的目標檢測,對不同安全距離要求的無人直升機具有良好的適配性,可為提高無人機直升機架空輸電線路巡檢安全性提供參考。