福州大学科研人员提出高效精准的无人机避障方法

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由于人工巡检输电线路效率低且成本高，故采用无人机进行输电线路巡检已经成为一种趋势。避障是无人机巡检工作的重要一环，福州大学电气工程与自动化学院的科研人员宋福根、吕学伟，在2021年第7期《电气技术》上撰文，提出以极坐标变换后的电场强度均值为避障参量实现高精度避障。研究结果证明，基于极坐标系电场强度均值的方案能够准确高效地实现无人机避障目的。

输电线路的巡检工作是保障电网安全运行的重要一环，而高效精准的避障又是保障无人机安全工作的关键。在无人机巡检输电线路时，为了尽可能靠近巡检对象（输电线路、杆塔等），同时为提高作业的安全性，防止碰撞事故发生并减小人工操作成本，可为巡检无人机配备一套高精准性、高灵敏度的避障系统，以实现避障目的，从而保障无人机巡检工作顺利进行。

目前常用的避障系统有红外避障、超声波避障、雷达避障、三维地图通用分组无线服务技术（general packet radio service, GPRS）避障和基于输电线路电磁场原理的避障几种。

前几种传统的避障方法都存在一定的缺陷：红外避障由于作用距离很短，所以在室外光线强的情况下基本不能使用；超声波避障的有效作用距离很难超过10m，且机翼对空气的干扰使其更难应用；雷达避障存在反射波过滤较难、识别避障目标较难等问题，另外雷达避障设备体积较大、质量较重，对于空间和载荷都十分有限的无人机来说，其应用存在很大的缺陷；三维地图GPRS避障存在地图实时更新代价过大、存储空间要求过大、读取速度较慢等方面的问题，也不是十分适合无人机巡检避障。

相对来说，基于输电线路电磁场的避障方案是最为优越的，但是其中大部分是基于直角坐标系，这使得其也存在一些不足之处。

从理论分析推导来看，若输电线路周围空间以直角坐标原点为圆心，那么在上半圆周其电场强度存在很大的波动特性；同样，在电场强度不变的情况下，与之对应的观测点与原点的间距也存在很大的波动性。故现有的基于直角坐标原点的电场强度分布的避障技术无法实现等电场强度线的避障。此外，无人机巡检时的半圆形飞行轨迹实际上是以输电线路周围空间区域中心为圆心，而不是以直角坐标原点为圆心。因此，基于直角坐标系的避障方案的理论基础是存在缺陷的。

福州大学的科研人员研究了基于极坐标系电场强度均值的无人机巡检避障策略。首先以单回线路正三角排列为例说明了坐标变换的主要思想及原理，并研究了极坐标原点的确定，同时总结推导出极坐标原点取值的表达式；然后以水平排列方式为例研究对应的具体避障策略，主要结合预警避障和极限避障的区间避障思想，分别研究这两个避障等级对应的避障参量的确定。

图1 坐标变换示意图

他们再通过对500kV水平排列的单回输电线路空间电场的实测，最终得出测试点与边相导线直线距离的区间范围，并对比区间避障两个等级的区间距离要求，从而验证了所提避障策略的准确性和可行性。但是，研究人员也指出本次工作只验证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实测数据，因此这两种排列方式的避障策略未得到验证。

研究人员最后总结表示，虽然目前基于输电线路电磁场的避障策略是比较新颖且实效性较高的方法，但其中基于直角坐标系的避障方案仍存在一定缺陷，所以提出了一种基于坐标变换技术的无人机巡检避障方案。该避障技术仍然以输电线路的电场强度为避障参数，但是基于经过坐标转换后的极坐标系下的电场强度均值，因此该技术仍具有前者对硬件要求少、避障精度高、避障效率高等的优点，同时，又弥补了直角坐标系的不足，使避障原理更符合实际情况，提高了避障结果的可信度、精准度和效率。

本文编自2021年第7期《电气技术》，论文标题为“基于坐标变换技术的无人机避障策略”，作者为宋福根、吕学伟。