CN103135550B - 用于电力巡线的无人机多重避障控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于电力巡线的无人机多重避障控制方法，设有无人机子系统和地面站子系统；无人机子系统包括嵌入式飞行控制器、位置检测模块、信息处理模块和无线数据链的机载端；位置检测模块包含GNSS接收机、电磁场检测传感器和对称安装于无人机机体的四周的超声波测距传感器；地面站子系统包括无线数据链的地面端和嵌入式监控计算机，嵌入式监控计算机载有包含输电线路电磁场分布模型和输电线路空间三维模型的数据库；本发明通过建立无人机作业的安全约束区域，并采用信息处理模块对信息检测模块提供的无人机位置信息进行融合，以检测无人机与输电线路之间的相对距离，实现无人机电力巡线的多重避障。

Description

用于电力巡线的无人机多重避障控制方法

技术领域

本发明属于无人飞行器控制技术领域，具体涉及一种用于电力巡线的无人机多重避障控制方法，可广泛应用于电力巡检、航拍摄影、环境监测、森林防火、灾情巡查、防恐救生、军事侦察、战场评估等领域。

背景技术

无人机控制技术研究是目前国内外大学和研究机构关注的热点之一。近十几年来，无人机已被广泛应用于航拍摄影、电力巡检、环境监测、森林防火、灾情巡查、防恐救生、军事侦察、战场评估等领域，有效克服了有人驾驶飞机进行空中作业的不足，降低了购买与维护成本，提高了运载工具的安全性。

无人机空中作业时，面临着山脉、建筑物、树木、输电线路等有形障碍物的安全威胁，以及禁飞区、危险区等无形障碍物的约束。因此，针对低空飞行无人机的安全保护，研究障碍物自动避让机制具有非常重要的实际意义，并且所涉及的无人机自动避障系统已或将成为无人机系统中的重要组成部分。

无人机自动避障系统是无人机研究中的一个重点和难点。如何设计有效而又实用的自动避障系统，保障无人机空中作业的安全是亟待解决的问题。目前，国内外针对小型多旋翼无人机的避障系统还很少，所提出的各种避障方法和思想，大多处于仿真阶段，其有效性也有待验证，少有真正使用的避障系统。

申请号为201110031250.8的《一种自动规避障碍物的飞行装置与方法》专利，主要通过超声波测距传感器对障碍物进行定位检测，探测距离有限，多用于玩具飞行器的避障，特别是超声波测距存在盲区，容易受自然环境因素的约束，其对常规无人机的适应性和有效性有待深入验证。

申请号为201120124969.1的《电力巡线无人直升机超低空飞行障碍规避子系统》专利，提出运用测距传感器、视觉传感器和电磁场检测传感器相结合的方法进行电力巡线，提升巡线作业的可靠性。此实用新型针对电力巡线，对于采用视觉传感器，为了获取清晰的图像信息，需要有专业高分辨率影像设备，不仅增加了无人机的负载，且对无人机的控制和续航时间等有不利的影响。

申请号为201110458232.8的《一种无人直升机飞行航迹规划方法》的专利，采用地图绘制控件将地图功能添加到航迹规划应用中，实现在高精度数字地图上通过鼠标点选方式确定航迹点以及鼠标拖拽的方式修改航迹点，并且在规划约束条件中考虑了悬停特性等直升机特有的飞行性能。本发明的方案适用于高空飞行或者具有完整GIS信息的情况，适应性较弱。

综上所述，现有技术的无人机避障方法对于无人机低空作业的避障，其效果并非很理想，尚有很多问题需要解决。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种电力巡线无人机多重避障控制方法，基于多传感器信息融合和区域规划实现无人机多重避障，以增强低空环境下无人机自动避障的能力，提升无人机应用的安全性和可靠性。

为实现本发明的目的，采取的技术解决方案是：一种用于电力巡线的无人机多重避障控制方法，设有无人机子系统和地面站子系统，无人机子系统包括嵌入式飞行控制器、位置检测模块、信息处理模块和无线数据链的机载端，位置检测模块包含高度传感器、GNSS接收机、电磁场检测传感器和超声波测距传感器，超声波测距传感器对称安装于无人机机体的四周，信息处理模块对无人机的高度信息、经纬度信息、电磁场检测传感器信息及超声波测距信息进行融合；地面站子系统包括无线数据链的地面端和嵌入式监控计算机，嵌入式监控计算机载有包含输电线路电磁场分布模型、输电线路空间三维模型的数据库，其中，输电线路空间三维模型由电力杆塔的经度、纬度和高度以及连接杆塔之导线的弧垂度描述；其特征在于：避障控制方法包括以下步骤：

1）第一重避障控制：针对输电线路的特点，在地面站子系统的嵌入式监控计算机上，对无人机的作业区域进行规划，建立无人机作业的安全约束区域：

① 确定需要巡检的输电线路区域，设其中包含连续编号的M个电力杆塔，M≥1；在所述M个电力杆塔及需要巡检的输电线路区域两端外侧紧邻的两个电力杆塔上，选取特征点E_i，i=1~M+2，其确定规则如下：在M+2个电力杆塔的无人机巡检的一侧，选取距离电力杆塔中心线最远的点，将其垂直投影到地面即形成特征点，采用全球卫星导航系统GNSS对E_i进行定位，以确定E_i的经度和纬度，然后将相邻的E_i连接成直线段；

② 将连接相邻E_i的所有直线段向无人机巡检的一侧远离输电线路的方向平移安全距离D，D>0，D根据输电线路电压等级确定，平移过后的直线段作为无人机巡检输电线路的安全边界；

③ 将所述安全边界向无人机巡检的一侧远离输电线路的方向再平移距离d，d>0，d由操作者根据输电线路周围的环境确定，将安全边界平移过程所覆盖区域的轮廓线作为避障边界线，避障边界线的顶点记为V_j，j=1~(2M+4)，V_j的位置信息包含该点的经度和纬度，可由E_i、D和d计算得到；

④ 将避障边界线竖直向上拉升高度H，由此形成虚拟的安全约束区域S，S由H、V_j定义，j同③，H≥电力杆塔高度，S包含着2M+4个竖直侧面和一个水平顶面，其基准面为地面；S的内部为允许飞行区域，S的外部为禁止飞行区域；

⑤ 通过地面嵌入式监控计算机、无线数据链地面端和无线数据链机载端，将安全约束区域S的定义数据下载到嵌入式飞行控制器；

⑥ 无人机在作业时，由位置检测模块的高度传感器和GNSS接收机实时采集无人机当前的经度、纬度和高度信息，即获得无人机的当前位置P，通过信息处理模块计算无人机当前位置P与安全约束区域S的空间关系，然后生成无人机的轨迹指令，实现无人机的避障控制，具体方法如下：

A）若无人机当前位置P位于安全约束区域S的内部，则保持无人机的飞行状态；

B）若无人机当前位置P位于安全约束区域S的边界面上，则生成通过P点且指向P点所在边界面内侧的法线向量，以该法线向量作为无人机的避障轨迹指令；

C）若无人机当前位置P位于安全约束区域S的外部，则生成通过P点且指向距P点最近边界面的法线向量，以该法线向量作为无人机的避障轨迹指令；

2）第二重避障控制：在第一重避障控制方法的基础上，采用多传感器信息融合的方法实现：

① 通过地面嵌入式监控计算机、无线数据链地面端和无线数据链机载端，将需要巡检的输电线路的电磁场分布模型、输电线路空间三维模型下载到嵌入式飞行控制器；

② 无人机在作业时，由位置检测模块的高度传感器、GNSS接收机、电磁场检测传感器和超声波测距传感器，实时采集无人机当前的经度、纬度、高度、电磁场强度以及无人机与输电线路的超声波测量距离L_i，i=1~N，N为超声波传感器数量；记无人机当前的位置为P，将位置检测模块采集的全部信息送入信息处理模块，采用如下方法实现多传感器信息融合：

A）信息处理模块将高度传感器、GNSS接收机采集的无人机当前的经度、纬度和高度数据，与嵌入式飞行控制器中存储的输电线路空间三维模型进行比较计算，得到无人机与输电线路杆塔或导线之间的最短距离D₁；

B）信息处理模块将电磁场检测传感器采集到的电磁场强度数据，代入嵌入式飞行控制器中存储的输电线路电磁场分布模型进行计算，将电磁场强度转换为距离信息，得到无人机与输电线路之间的当前距离D₂；

C）信息处理模块根据N个超声波测距传感器采集到的无人机与输电线路的距离L_i，计算无人机与输电线路之间的最短距离D₃；

D）将D₁、D₂和D₃进行数据融合，得到无人机当前与输电线路之间的距离Dis=K₁D₁+K₂D₂+K₃D₃，其中权值K₁、K₂、K₃≥0且K₁+K₂+K₃=1，通过无线数据链将Dis传送给地面监控计算机，供操作者实时观察无人机当前与输电线路之间的距离；

E）将融合结果Dis送入嵌入式飞行控制器作为无人机轨迹控制的决策依据，通过比较Dis和安全距离D实现无人机的第二重避障控制：

a）若Dis > D，则保持无人机当前的飞行状态；

b）若Dis = D，则生成通过P点且指向所述安全边界内侧的法线向量，并将该法线向量作为无人机的避障轨迹指令；

c）若Dis < D，则生成通过P点且指向距P点最近安全边界的法线向量，并将该法线向量作为无人机的避障轨迹指令。

若无人机靠近输电线路，电磁场检测传感器发出告警信息，通过无线数据链的机载端地面端向地面站系统发送报警信息。

若无人机为自主飞行模式，采用上述避障方案；若无人机为手动操作模式，将无人机当前的位置信息通过无线数据链的机载端发送到地面站子系统，供操作者参考。

本发明的优点及显着效果：

1）第一重避障控制方法，针对输电线路的特点，对无人机的作业区域进行规划，建立无人机作业的安全约束区域，其物理意义明确，方法简单，易于操作。

2）第二重避障控制方法，采用多传感器信息融合方法，有效提高了无人机相对输电线路距离感知的精度和可靠性，大大降低了无人机碰撞输电线路的概率。

附图说明

图1为避障控制系统结构图；

图2为超声波测距传感器布局图俯视图；

图3为无人机对输电线路作业避障边界线建立示意图；

图4为无人机对输电线路作业安全区域建立示意图。

图中标记名称：1、无人机子系统，2、地面站子系统，3、位置检测模块，4、信息处理模块，5、嵌入式飞行控制器，6、高度传感器，7、GNSS接收机，8、电磁场检测传感器，9、超声波测距传感器，10、无线数据链的机载端，11、嵌入式监控计算机，12、无线数据链的地面端，13、无人机，14、避障边界线；E_i、特征点，V_j、顶点，S、安全区域，A/B/C/D/E、电力杆塔，D、安全距离，d、边界距离，H、拉升高度。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1，用于电力巡线的无人机多重避障控制方法，设有无人机子系统和地面站子系统，无人机子系统1包括嵌入式飞行控制器5、位置检测模块3、信息处理模块4和无线数据链的机载端10，位置检测模块3包含高度传感器6、GNSS接收机7、电磁场检测传感器8和多个超声波测距传感器9，超声波测距传感器9对称安装于无人机12机体的四周，信息处理模块4对无人机的高度信息、经纬度信息、电磁场检测传感器信息及超声波测距信息进行融合；地面站子系统2包括无线数据链的地面端12和嵌入式监控计算机11，嵌入式监控计算机11载有包含输电线路电磁场分布模型、输电线路空间三维模型的数据库。其中，输电线路空间三维模型由电力杆塔的经度、纬度和高度以及连接杆塔之导线的弧垂度描述。

图2为超声波测距传感器布局图的俯视图，超声波测距传感器对称安装于无人机机体的四周。

应用上述控制系统的控制方法如下：

1）第一重避障控制。针对输电线路的特点，在地面站子系统的嵌入式监控计算机上，对无人机的作业区域进行规划，建立无人机作业的安全约束区域，如图3~图4所示：

图3为无人机对输电线路作业避障边界线的建立示意图，其建立步骤如下：

在图3中，A、B、C、D、E为电力杆塔。设无人机对C、D电力杆塔及其之间的输电线路进行巡检。首先选取特征点，其确定规则如下：在电力杆塔B、C、D和E的无人机巡检一侧，选取距离电力杆塔中心线最远的点，将其垂直投影到地面即形成特征点，如图中E₁、E₂、E₃和E₄四个点。采用全球卫星导航系统GNSS对E₁、E₂、E₃和E₄四个点进行定位，确定E₁、E₂、E₃和E₄四个点_i的经度和纬度，然后将相邻的E_i连接成直线段；

将连接相邻E_i的所有直线段向无人机巡检的一侧远离输电线路的方向平移安全距离D，D>0，D根据输电线路电压等级确定，平移过后的直线段作为无人机巡检输电线路的安全边界，如图中折线段V₁V₈V₇V₆。

将所述安全边界向无人机巡检的一侧远离输电线路的方向再平移距离d，d>0，d由操作者根据输电线路周围的环境确定，将安全边界平移过程所覆盖区域的轮廓线作为避障边界线14，避障边界线的顶点记为V_j，j=1~8，V_j的位置信息包含该点的经度和纬度，由E_i、D和d计算得到。

图4为无人机对输电线路作业安全约束区域S的建立示意图，其建立方法如下：将避障边界线竖直向上拉升高度H，由此形成虚拟的安全约束区域S，S由H, V_j; j=1~8定义, H≥电力杆塔高度，S包含着8个竖直侧面和一个水平顶面，其基准面为地面；S的内部为允许飞行区域，S的外部为禁止飞行区域。

通过地面嵌入式监控计算机、无线数据链地面端和无线数据链机载端，将安全约束区域S的定义数据下载到嵌入式飞行控制器。

无人机在作业时，由位置检测模块的GNSS接收机实时采集无人机当前的经度、纬度和高度信息，即获得无人机的当前位置P，通过信息处理模块计算无人机当前位置P与安全约束区域S的空间关系，然后生成无人机的轨迹指令，实现无人机的避障控制，具体方法如下：

A）若无人机当前位置P位于安全约束区域S的内部，则保持无人机的飞行状态；

B）若无人机当前位置P位于安全约束区域S的边界面上，则生成通过P点且指向P点所在边界面内侧的法线向量，以该法线向量作为无人机的避障轨迹指令；

C）若无人机当前位置P位于安全约束区域S的外部，则生成通过P点且指向距P点最近边界面的法线向量，以该法线向量作为无人机的避障轨迹指令；

2）第二重避障控制。在第一重避障控制方法的基础上，采用多传感器信息融合的方法实现无人机的避障控制，其步骤如下：

① 通过地面嵌入式监控计算机、无线数据链地面端和无线数据链机载端，将需要巡检的输电线路的电磁场分布模型和电力杆塔位置信息下载到嵌入式飞行控制器；

②无人机在作业时，由位置检测模块的高度传感器、GNSS接收机、电磁场检测传感器和超声波测距传感器，实时采集无人机当前的经度、纬度、高度、电磁场强度以及无人机与输电线路的超声波测量距离L_i，i=1~8；记无人机当前的位置为P，将位置检测模块采集的全部信息送入信息处理模块，采用如下方法实现多传感器信息融合：

A）信息处理模块将高度传感器、GNSS接收机采集的无人机当前的经度、纬度和高度数据，与嵌入式飞行控制器中存储的输电线路空间三维模型进行比较计算，得到无人机与输电线路杆塔或导线之间的距离D₁；

B）信息处理模块将电磁场检测传感器采集到的电磁场强度数据，代入嵌入式飞行控制器中存储的输电线路电磁场分布模型进行计算，将电磁场强度转换为距离信息，得到无人机与输电线路之间的当前距离D₂；

C）信息处理模块根据N个超声波测距传感器采集到的无人机与输电线路的距离L_i计算无人机与输电线路之间的最短距离D₃；

D）将D₁、D₂和D₃进行数据融合，得到无人机当前与输电线路之间的距离Dis=K₁D₁+K₂D₂+K₃D₃，其中权值K₁、K₂、K₃≥0且K₁+K₂+K₃=1，通过无线数据链将Dis传送给地面监控计算机，供操作者实时观察无人机当前与输电线路之间的距离；

E）将融合结果Dis送入嵌入式飞行控制器作为无人机轨迹控制的决策依据，通过比较Dis和安全距离D实现无人机的第二重避障控制：

a）若Dis > D，则保持无人机当前的飞行状态；

b）若Dis = D，则生成通过P点且指向所述安全边界内侧的法线向量，并将该法线向量作为无人机的避障轨迹指令；

c）若Dis < D，则生成通过P点且指向距P点最近安全边界的法线向量，并将该法线向量作为无人机的避障轨迹指令。

若无人机靠近输电线路，电磁场检测传感器会发出告警信息，通过无线数据链的机载端地面端向地面站系统发送报警信息。

若无人机为自主飞行模式，采用上述避障方案；若无人机为手动操作模式，将无人机当前的位置信息通过无线数据链的机载端发送到地面站子系统，供操作者参考。

在本说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (3)

1.一种用于电力巡线的无人机多重避障控制方法，设有无人机子系统和地面站子系统，无人机子系统包括嵌入式飞行控制器、位置检测模块、信息处理模块和无线数据链的机载端，位置检测模块包含高度传感器、GNSS接收机、电磁场检测传感器和超声波测距传感器，超声波测距传感器对称安装于无人机机体的四周，信息处理模块对无人机的高度信息、经纬度信息、电磁场检测传感器信息及超声波测距信息进行融合；地面站子系统包括无线数据链的地面端和嵌入式监控计算机，嵌入式监控计算机载有包含输电线路电磁场分布模型、输电线路空间三维模型的数据库，其中，输电线路空间三维模型由电力杆塔的经度、纬度和高度以及连接杆塔之导线的弧垂度描述；其特征在于：避障控制方法包括以下步骤：

1)第一重避障控制：针对输电线路的特点，在地面站子系统的嵌入式监控计算机上，对无人机的作业区域进行规划，建立无人机作业的安全约束区域：

①确定需要巡检的输电线路区域，其中包含连续编号的M个电力杆塔，M≥1；在所述M个电力杆塔及需要巡检的输电线路区域两端外侧紧邻的两个电力杆塔上，选取特征点E_i，i＝1～M+2，其确定规则如下：在M+2个电力杆塔的无人机巡检的一侧，选取距离电力杆塔中心线最远的点，将其垂直投影到地面即形成特征点，采用全球卫星导航系统GNSS对E_i进行定位，以确定E_i的经度和纬度，然后将相邻的E_i连接成直线段；

②将连接相邻E_i的所有直线段向无人机巡检的一侧远离输电线路的方向平移安全距离D，D>0，D根据输电线路电压等级确定，平移过后的直线段作为无人机巡检输电线路的安全边界；

③将所述安全边界向无人机巡检的一侧远离输电线路的方向再平移距离d，d>0，d由操作者根据输电线路周围的环境确定，将安全边界平移过程所覆盖区域的轮廓线作为避障边界线，避障边界线的顶点记为V_j，j＝1～(2M+4)，V_j的位置信息包含该点的经度和纬度，由E_i、D和d计算得到；

④将避障边界线竖直向上拉升高度H，由此形成虚拟的安全约束区域S，S由H、V_j定义，j同③，H≥电力杆塔高度，S包含着2M+4个竖直侧面和一个水平顶面，其基准面为地面；S的内部为允许飞行区域，S的外部为禁止飞行区域；

⑤通过地面嵌入式监控计算机、无线数据链地面端和无线数据链机载端，将安全约束区域S的定义数据下载到嵌入式飞行控制器；

⑥无人机在作业时，由位置检测模块的高度传感器和GNSS接收机实时采集无人机当前的经度、纬度和高度信息，即获得无人机的当前位置P，通过信息处理模块计算无人机当前位置P与安全约束区域S的空间关系，然后生成无人机的轨迹指令，实现无人机的避障控制，具体方法如下：

A)若无人机当前位置P位于安全约束区域S的内部，则保持无人机的飞行状态；

B)若无人机当前位置P位于安全约束区域S的边界面上，则生成通过P点且指向P点所在边界面内侧的法线向量，以该法线向量作为无人机的避障轨迹指令；

C)若无人机当前位置P位于安全约束区域S的外部，则生成通过P点且指向距P点最近边界面的法线向量，以该法线向量作为无人机的避障轨迹指令；

2)第二重避障控制：在第一重避障控制方法的基础上，采用多传感器信息融合的方法实现：

①通过地面嵌入式监控计算机、无线数据链地面端和无线数据链机载端，将需要巡检的输电线路的电磁场分布模型、输电线路空间三维模型下载到嵌入式飞行控制器；

②无人机在作业时，由位置检测模块的高度传感器、GNSS接收机、电磁场检测传感器和超声波测距传感器，实时采集无人机当前的经度、纬度、高度、电磁场强度以及无人机与输电线路的超声波测量距离L_i，i＝1～N，N为超声波传感器数量；记无人机当前的位置为P，将位置检测模块采集的全部信息送入信息处理模块，采用如下方法实现多传感器信息融合：

A)信息处理模块将高度传感器、GNSS接收机采集的无人机当前的经度、纬度和高度数据，与嵌入式飞行控制器中存储的输电线路空间三维模型进行比较计算，得到无人机与输电线路杆塔或导线之间的最短距离D₁；

B)信息处理模块将电磁场检测传感器采集到的电磁场强度数据，代入嵌入式飞行控制器中存储的输电线路电磁场分布模型进行计算，将电磁场强度转换为距离信息，得到无人机与输电线路之间的当前距离D₂；

C)信息处理模块根据N个超声波测距传感器采集到的无人机与输电线路的距离L_i，计算无人机与输电线路之间的最短距离D₃；

D)将D₁、D₂和D₃进行数据融合，得到无人机当前与输电线路之间的距离Dis＝K₁D₁+K₂D₂+K₃D₃，其中权值K₁、K₂以及K₃均≥0且K₁+K₂+K₃＝1，通过无线数据链将Dis传送给地面监控计算机，供操作者实时观察无人机当前与输电线路之间的距离；

E)将融合结果Dis送入嵌入式飞行控制器作为无人机轨迹控制的决策依据，通过比较Dis和安全距离D实现无人机的第二重避障控制：

a)若Dis>D，则保持无人机当前的飞行状态；

b)若Dis＝D，则生成通过P点且指向所述安全边界内侧的法线向量，并将该法线向量作为无人机的避障轨迹指令；

c)若Dis<D，则生成通过P点且指向距P点最近安全边界的法线向量，并将该法线向量作为无人机的避障轨迹指令。

2.根据权利要求1所述用于电力巡线的无人机多重避障控制方法，其特征在于：若无人机靠近输电线路，电磁场检测传感器发出告警信息，通过无线数据链的机载端地面端向地面站系统发送报警信息。

3.根据权利要求1所述用于电力巡线的无人机多重避障控制方法，其特征在于：若无人机为自主飞行模式，采用上述避障方案；若无人机为手动操作模式，将无人机当前的位置信息通过无线数据链的机载端发送到地面站子系统，供操作者参考。