無(wú)人機(jī)電力巡檢視覺(jué)避障技術(shù)研究

羅勇+周學(xué)濤

摘要：無(wú)人機(jī)電力巡檢是一種便捷的遠(yuǎn)程迅捷方式，通過(guò)視覺(jué)避障技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)巡檢。本文簡(jiǎn)要介紹了無(wú)人機(jī)電力巡檢的作用，并分別針對(duì)主動(dòng)避障、被動(dòng)避障以及復(fù)合避障等無(wú)人機(jī)電力巡檢主要的視覺(jué)避障技術(shù)進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：電力巡檢；無(wú)人機(jī)；視覺(jué)避障技術(shù)

前言：

隨著人工智能技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等的逐漸應(yīng)用，我國(guó)智能電網(wǎng)建設(shè)日益成熟。電力巡檢作為電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要內(nèi)容之一。小型無(wú)人機(jī)的有效應(yīng)用使得無(wú)人值守自動(dòng)巡檢模式成為可能。

一、無(wú)人機(jī)電力巡檢的作用

國(guó)民經(jīng)濟(jì)及社會(huì)的發(fā)展離不開(kāi)電力系統(tǒng)的支持。改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)電力事業(yè)發(fā)展迅猛，年投入新建電網(wǎng)資金千億元以上，年均增幅超過(guò)20個(gè)百分點(diǎn)。尤其是高壓長(zhǎng)距離輸電業(yè)務(wù)的開(kāi)展，成為我國(guó)電網(wǎng)構(gòu)建的核心業(yè)務(wù)。對(duì)于高壓長(zhǎng)距離輸電的電路架線、巡檢工作而言，其需要在野外進(jìn)行長(zhǎng)期作業(yè)，且部分地區(qū)通過(guò)人為巡檢難度大、安全系數(shù)及效率低，制約了我國(guó)電力事業(yè)的發(fā)展。無(wú)人機(jī)早期主要應(yīng)用在軍事任務(wù)中，并逐漸向民用事業(yè)發(fā)展。尤其是近幾年，搭載高清數(shù)碼相機(jī)、攝像機(jī)并配有GPS定位系統(tǒng)的無(wú)人機(jī)廣泛應(yīng)用于電力巡檢中。通過(guò)無(wú)人機(jī)的自主巡航，影響抓取，電力電控人員可在PC端同步接收影像，進(jìn)行遠(yuǎn)程巡檢。效率高，安全穩(wěn)定。尤其是存在山洪、地震等氣象地質(zhì)災(zāi)害的區(qū)域，無(wú)人機(jī)的排查效率高，不受外在路面條件的影響，方便監(jiān)察人員根據(jù)巡檢結(jié)果制定有效的電力搶修方案。為了避免無(wú)人碰撞高壓線路桿塔、電線等，造成電力事故影響電力巡查質(zhì)量，需要針對(duì)無(wú)人機(jī)的智能避障方法進(jìn)行研究。

二、無(wú)人機(jī)視覺(jué)避障的主要技術(shù)分析

基于機(jī)器視覺(jué)的無(wú)人機(jī)自動(dòng)避障系統(tǒng)研究一直以來(lái)都是無(wú)人機(jī)應(yīng)用的重點(diǎn)研發(fā)內(nèi)容，根據(jù)避障的基本概念可知，要求無(wú)人機(jī)在碰撞障礙物之前的安全距離內(nèi)改變飛行方向，避免直接接觸。因此避障的關(guān)鍵要素就是針對(duì)障礙物的距離感知。常見(jiàn)的無(wú)人機(jī)避障技術(shù)有以下幾種：

1、主動(dòng)避障

主動(dòng)避障的原理類(lèi)似于蝙蝠尋路的方式，通過(guò)無(wú)人機(jī)搭載的裝置向外投射光波等，并根據(jù)光波的反射等情況進(jìn)行距離的感知。主要有超聲波、紅外線、結(jié)構(gòu)光等方式。超聲波是常見(jiàn)的距離感知方式之一，無(wú)人機(jī)上安裝有超聲波發(fā)送器及接收器，無(wú)人機(jī)不間斷的向外部空間發(fā)出超聲波信號(hào)，根據(jù)超聲波的反饋效果探測(cè)景深，達(dá)到實(shí)時(shí)接收和反饋的效果，造價(jià)低。但是在應(yīng)用的過(guò)程中，易受可聞聲波的干擾，不同物體表面的聲波反射能力也有所區(qū)別，總體來(lái)講精度比較低。而紅外線測(cè)距則存在測(cè)量效果好，測(cè)量范圍狹小的問(wèn)題。目前來(lái)講，多數(shù)無(wú)人機(jī)搭載雷達(dá)裝置，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)避障巡查。此種主動(dòng)避障系統(tǒng)主要包括5個(gè)部分，分別是模擬/數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換器、FFT處理芯片、求模電路、非相變參數(shù)積累器、CFAR檢測(cè)電路等[1]。射頻系統(tǒng)主動(dòng)向目標(biāo)發(fā)送射頻信號(hào)，目標(biāo)物對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行反射回波，系統(tǒng)接收回?fù)苄盘?hào)后，獲得差拍信號(hào)。所獲得的差拍信號(hào)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換器生成數(shù)字信號(hào)后，F(xiàn)FT處理芯片對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，獲得初始目標(biāo)距離信號(hào)。對(duì)初始目標(biāo)信號(hào)分別進(jìn)行幅度值運(yùn)算，非相變參數(shù)積累以及檢測(cè)電路檢測(cè)，獲得準(zhǔn)確的距離信號(hào)。但是雷達(dá)測(cè)距的造價(jià)高，且構(gòu)件比較復(fù)雜，對(duì)于小型無(wú)人機(jī)而言，裝載難度比較大。結(jié)構(gòu)光則是利用光學(xué)原理進(jìn)行的主動(dòng)避障方式，在無(wú)人機(jī)智能測(cè)繪中應(yīng)用較多。由結(jié)構(gòu)光投射器向近距離場(chǎng)景投射可控制光點(diǎn)、光條或光面結(jié)構(gòu)，并由圖像傳感器捕獲經(jīng)過(guò)場(chǎng)景調(diào)制的圖像，通過(guò)光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)的幾何關(guān)系與經(jīng)典的三角測(cè)量原理還原出場(chǎng)景的三維信息[2]。根據(jù)不同的地理?xiàng)l件，其產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)物光圖案也有所差異，為了應(yīng)對(duì)復(fù)雜圖案的需求，確定物體表點(diǎn)面與圖像像素點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，需要對(duì)圖案進(jìn)行科學(xué)編碼。結(jié)構(gòu)光測(cè)距免除了電磁波的干擾，但是城市樓宇光、太陽(yáng)強(qiáng)光燈等則容易造成光波污染，影響測(cè)距效果。

2、被動(dòng)避障

與主動(dòng)避障相較而言，它主要依賴于對(duì)避障場(chǎng)景的直接數(shù)據(jù)的收集和分析。比較常見(jiàn)的就是通過(guò)無(wú)人機(jī)上搭載的視覺(jué)傳感器，進(jìn)行人類(lèi)視覺(jué)模擬，整合場(chǎng)景信息后，進(jìn)行飛行路徑規(guī)劃。視覺(jué)傳感器一般為高像素的數(shù)碼相機(jī)?，F(xiàn)階段，基于雙目立體視覺(jué)的被動(dòng)避障技術(shù)已經(jīng)在無(wú)人機(jī)巡檢中應(yīng)用。其根本原理是三角測(cè)量，利用成像設(shè)備幾何拓?fù)潢P(guān)系獲取被測(cè)對(duì)象兩幅圖像，再對(duì)圖像同名匹配點(diǎn)之間的像素坐標(biāo)偏差進(jìn)行計(jì)算，以獲得目標(biāo)物的景深信息。這種方式的造價(jià)低，搭載裝置質(zhì)量輕，對(duì)小型無(wú)人機(jī)而言比較簡(jiǎn)便，且測(cè)距精度比較高，值得推廣。

3、復(fù)合避障

主動(dòng)避障與被動(dòng)避障皆有優(yōu)缺點(diǎn)，為了提升避障效果，在優(yōu)化兩項(xiàng)避障技術(shù)的同時(shí)，已經(jīng)開(kāi)展了大量的針對(duì)主動(dòng)避障與被動(dòng)避障結(jié)合的避障方式的研究。早在209年，美國(guó)麻省理工學(xué)院就研究了一套多傳感器融合的導(dǎo)航系統(tǒng)，分別融合了被動(dòng)避障的雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)和主動(dòng)避障的激光測(cè)距儀[3]。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合IMU、GPS等傳感技術(shù)的研究也顯著增加。2015年，以開(kāi)發(fā)小型無(wú)人機(jī)為核心的大獎(jiǎng)科技推出了一套全新的復(fù)合智能避障系統(tǒng)，其視覺(jué)識(shí)別范圍可達(dá)20m，且覆蓋除了上方外的五個(gè)方向。

4、無(wú)人機(jī)電力巡檢視覺(jué)避障的要點(diǎn)分析

根據(jù)當(dāng)前的無(wú)人機(jī)電力巡檢視覺(jué)避障技術(shù)分析來(lái)看，其主要針對(duì)電力巡檢中的特殊避障要求進(jìn)行分析和規(guī)避，從而提升避障效果。首先，由于在野外作業(yè)，小型無(wú)人機(jī)會(huì)受風(fēng)向等因素影響產(chǎn)生路徑偏移，易于桿塔等設(shè)備發(fā)生碰撞，那么就需要對(duì)現(xiàn)有電路架構(gòu)的鏤空結(jié)構(gòu)進(jìn)行規(guī)避，提升算法的有效性。其次，無(wú)人機(jī)避障的重點(diǎn)就是與電力設(shè)備保持警戒距離，能夠在警戒距離外獲得清晰的巡檢影響，那么就需要針對(duì)避障的即時(shí)性進(jìn)行研究，以最短的時(shí)間獲得反饋效果。最后，無(wú)人機(jī)的視覺(jué)避障應(yīng)該能滿足多種條件下的巡查需求，對(duì)多地理、氣候多變具有適應(yīng)性，算法也應(yīng)具備通用性的特征，從而降低視覺(jué)避障系統(tǒng)的造價(jià)和質(zhì)量，提升性價(jià)比。

【結(jié)束語(yǔ)】

綜上所述，無(wú)人機(jī)電力巡檢是智能電網(wǎng)建設(shè)的重要組成部分，它能夠極大的提升巡檢效率，規(guī)避人身安全風(fēng)險(xiǎn)，并可在復(fù)雜的外部環(huán)境下快速獲得巡檢結(jié)果。無(wú)人機(jī)電力巡檢的核心就是提升無(wú)人機(jī)的視覺(jué)避障效果，避免無(wú)人機(jī)的意外碰撞。主動(dòng)避障和被動(dòng)避障是無(wú)人機(jī)視覺(jué)避障的主要應(yīng)用技術(shù)，未來(lái)結(jié)合主動(dòng)避障和被動(dòng)避障優(yōu)勢(shì)的復(fù)合避障技術(shù)是其發(fā)展的必然趨勢(shì)。

參考文獻(xiàn)：

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