用于电力巡线的无人机多重避障控制方法

摘要

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。

主权项

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。