- 頭條福州大學科研人員提出高效精準的無人機避障方法2021-12-16 作者：宋福根 呂學偉 | 來源：《電氣技術》 | 點擊率：導語由于人工巡檢輸電線路效率低且成本高，故采用無人機進行輸電線路巡檢已經成為一種趨勢。避障是無人機巡檢工作的重要一環，福州大學電氣工程與自動化學院的科研人員宋福根、呂學偉，在2021年第7期《電氣技術》上撰文，提出以極坐標變換后的電場強度均值為避障參量實現高精度避障。研究結果證明，基于極坐標系電場強度均值的方案能夠準確高效地實現無人機避障目的。
輸電線路的巡檢工作是保障電網安全運行的重要一環，而高效精準的避障又是保障無人機安全工作的關鍵。在無人機巡檢輸電線路時，為了盡可能靠近巡檢對象（輸電線路、桿塔等），同時為提高作業的安全性，防止碰撞事故發生并減小人工操作成本，可為巡檢無人機配備一套高精準性、高靈敏度的避障系統，以實現避障目的，從而保障無人機巡檢工作順利進行。
目前常用的避障系統有紅外避障、超聲波避障、雷達避障、三維地圖通用分組無線服務技術（general packet radio service, GPRS）避障和基于輸電線路電磁場原理的避障幾種。
前幾種傳統的避障方法都存在一定的缺陷：紅外避障由于作用距離很短，所以在室外光線強的情況下基本不能使用；超聲波避障的有效作用距離很難超過10m，且機翼對空氣的干擾使其更難應用；雷達避障存在反射波過濾較難、識別避障目標較難等問題，另外雷達避障設備體積較大、質量較重，對于空間和載荷都十分有限的無人機來說，其應用存在很大的缺陷；三維地圖GPRS避障存在地圖實時更新代價過大、存儲空間要求過大、讀取速度較慢等方面的問題，也不是十分適合無人機巡檢避障。
相對來說，基于輸電線路電磁場的避障方案是最為優越的，但是其中大部分是基于直角坐標系，這使得其也存在一些不足之處。
從理論分析推導來看，若輸電線路周圍空間以直角坐標原點為圓心，那么在上半圓周其電場強度存在很大的波動特性；同樣，在電場強度不變的情況下，與之對應的觀測點與原點的間距也存在很大的波動性。故現有的基于直角坐標原點的電場強度分布的避障技術無法實現等電場強度線的避障。此外，無人機巡檢時的半圓形飛行軌跡實際上是以輸電線路周圍空間區域中心為圓心，而不是以直角坐標原點為圓心。因此，基于直角坐標系的避障方案的理論基礎是存在缺陷的。
福州大學的科研人員研究了基于極坐標系電場強度均值的無人機巡檢避障策略。首先以單回線路正三角排列為例說明了坐標變換的主要思想及原理，并研究了極坐標原點的確定，同時總結推導出極坐標原點取值的表達式；然后以水平排列方式為例研究對應的具體避障策略，主要結合預警避障和極限避障的區間避障思想，分別研究這兩個避障等級對應的避障參量的確定。
圖1 坐標變換示意圖
他們再通過對500kV水平排列的單回輸電線路空間電場的實測，最終得出測試點與邊相導線直線距離的區間范圍，并對比區間避障兩個等級的區間距離要求，從而驗證了所提避障策略的準確性和可行性。但是，研究人員也指出本次工作只驗證了水平排列方式的避障策略，由于倒三角和正三角排列方式缺少實測數據，因此這兩種排列方式的避障策略未得到驗證。
研究人員最后總結表示，雖然目前基于輸電線路電磁場的避障策略是比較新穎且實效性較高的方法，但其中基于直角坐標系的避障方案仍存在一定缺陷，所以提出了一種基于坐標變換技術的無人機巡檢避障方案。該避障技術仍然以輸電線路的電場強度為避障參數，但是基于經過坐標轉換后的極坐標系下的電場強度均值，因此該技術仍具有前者對硬件要求少、避障精度高、避障效率高等的優點，同時，又彌補了直角坐標系的不足，使避障原理更符合實際情況，提高了避障結果的可信度、精準度和效率。
本文編自2021年第7期《電氣技術》，論文標題為“基于坐標變換技術的無人機避障策略”，作者為宋福根、呂學偉。
