[發明專利]用于電力巡線的無人機多重避障控制方法

有效

• 申請號: 201310036235.1
• 申請日: 2013-01-31
• 公開（公告）號: CN103135550A
• 公開（公告）日: 2013-06-05
• 發明（設計）人: 楊忠;王世勇;李少斌;徐華東;黃宵寧;楊輕;楊成順;陳陽;梁焜
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G05D1/02
• 分類號: G05D1/02
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 奚幼堅

1.一種用于電力巡線的無人機多重避障控制方法，設有無人機子系統和地面站子系統，無人機子系統包括嵌入式飛行控制器、位置檢測模塊、信息處理模塊和無線數據鏈的機載端，位置檢測模塊包含高度傳感器、GNSS接收機、電磁場檢測傳感器和超聲波測距傳感器，超聲波測距傳感器對稱安裝于無人機機體的四周，信息處理模塊對無人機的高度信息、經緯度信息、電磁場檢測傳感器信息及超聲波測距信息進行融合；地面站子系統包括無線數據鏈的地面端和嵌入式監控計算機，嵌入式監控計算機載有包含輸電線路電磁場分布模型、輸電線路空間三維模型的數據庫，其中，輸電線路空間三維模型由電力桿塔的經度、緯度和高度以及連接桿塔之導線的弧垂度描述；其特征在于：避障控制方法包括以下步驟：

1）第一重避障控制：針對輸電線路的特點，在地面站子系統的嵌入式監控計算機上，對無人機的作業區域進行規劃，建立無人機作業的安全約束區域：

①?確定需要巡檢的輸電線路區域，其中包含連續編號的M個電力桿塔，M≥1；在所述M個電力桿塔及需要巡檢的輸電線路區域兩端外側緊鄰的兩個電力桿塔上，選取特征點E_i，i=1~M+2，其確定規則如下：在M+2個電力桿塔的無人機巡檢的一側，選取距離電力桿塔中心線最遠的點，將其垂直投影到地面即形成特征點，采用全球衛星導航系統GNSS對E_i進行定位，以確定E_i的經度和緯度，然后將相鄰的E_i連接成直線段；

②?將連接相鄰E_i的所有直線段向無人機巡檢的一側遠離輸電線路的方向平移安全距離D，D>0，D根據輸電線路電壓等級確定，平移過后的直線段作為無人機巡檢輸電線路的安全邊界；

③?將所述安全邊界向無人機巡檢的一側遠離輸電線路的方向再平移距離d，d>0，d由操作者根據輸電線路周圍的環境確定，將安全邊界平移過程所覆蓋區域的輪廓線作為避障邊界線，避障邊界線的頂點記為V_j，j=1~(2M+4)，V_j的位置信息包含該點的經度和緯度，由E_i、D和d計算得到；

④?將避障邊界線豎直向上拉升高度H，由此形成虛擬的安全約束區域S，S由H、V_j定義，j同③，H≥電力桿塔高度，S包含著2M+4個豎直側面和一個水平頂面，其基準面為地面；S的內部為允許飛行區域，S的外部為禁止飛行區域；

⑤?通過地面嵌入式監控計算機、無線數據鏈地面端和無線數據鏈機載端，將安全約束區域S的定義數據下載到嵌入式飛行控制器；

⑥?無人機在作業時，由位置檢測模塊的高度傳感器和GNSS接收機實時采集無人機當前的經度、緯度和高度信息，即獲得無人機的當前位置P，通過信息處理模塊計算無人機當前位置P與安全約束區域S的空間關系，然后生成無人機的軌跡指令，實現無人機的避障控制，具體方法如下：

A）若無人機當前位置P位于安全約束區域S的內部，則保持無人機的飛行狀態；

B）若無人機當前位置P位于安全約束區域S的邊界面上，則生成通過P點且指向P點所在邊界面內側的法線向量，以該法線向量作為無人機的避障軌跡指令；

C）若無人機當前位置P位于安全約束區域S的外部，則生成通過P點且指向距P點最近邊界面的法線向量，以該法線向量作為無人機的避障軌跡指令；

2）第二重避障控制：在第一重避障控制方法的基礎上，采用多傳感器信息融合的方法實現：

①?通過地面嵌入式監控計算機、無線數據鏈地面端和無線數據鏈機載端，將需要巡檢的輸電線路的電磁場分布模型、輸電線路空間三維模型下載到嵌入式飛行控制器；

②?無人機在作業時，由位置檢測模塊的高度傳感器、GNSS接收機、電磁場檢測傳感器和超聲波測距傳感器，實時采集無人機當前的經度、緯度、高度、電磁場強度以及無人機與輸電線路的超聲波測量距離L_i，i=1~N，N為超聲波傳感器數量；記無人機當前的位置為P，將位置檢測模塊采集的全部信息送入信息處理模塊，采用如下方法實現多傳感器信息融合：

A）信息處理模塊將高度傳感器、GNSS接收機采集的無人機當前的經度、緯度和高度數據，與嵌入式飛行控制器中存儲的輸電線路空間三維模型進行比較計算，得到無人機與輸電線路桿塔或導線之間的最短距離D₁；

B）信息處理模塊將電磁場檢測傳感器采集到的電磁場強度數據，代入嵌入式飛行控制器中存儲的輸電線路電磁場分布模型進行計算，將電磁場強度轉換為距離信息，得到無人機與輸電線路之間的當前距離D₂；

C）信息處理模塊根據N個超聲波測距傳感器采集到的無人機與輸電線路的距離L_i，計算無人機與輸電線路之間的最短距離D₃；

D）將D₁、D₂和D₃進行數據融合，得到無人機當前與輸電線路之間的距離Dis=K₁D₁+K₂D₂+K₃D₃，其中權值K₁、K₂、K₃≥0且K₁+K₂+K₃=1，通過無線數據鏈將Dis傳送給地面監控計算機，供操作者實時觀察無人機當前與輸電線路之間的距離；

E）將融合結果Dis送入嵌入式飛行控制器作為無人機軌跡控制的決策依據，通過比較Dis和安全距離D實現無人機的第二重避障控制：

a）若Dis?>?D，則保持無人機當前的飛行狀態；

b）若Dis?=?D，則生成通過P點且指向所述安全邊界內側的法線向量，并將該法線向量作為無人機的避障軌跡指令；

c）若Dis?<?D，則生成通過P點且指向距P點最近安全邊界的法線向量，并將該法線向量作為無人機的避障軌跡指令。