当期论文 || 上海交通大学:陈强, 胡士强, 罗灵鲲, 等. 基于地面站辅助的无人机自主架线系统

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基于地面站辅助的无人机自主架线系统

内容简介

01科技与创新

中文摘要

将无人机（unmanned aerial vehicle, UAV）技术用于实现电力线展放正逐步成为电力行业发展的主要趋势，研究无人机自主架线技术能够有效提高作业效率、降低施工成本和保障工人安全。但现阶段无人机架线技术面临的问题主要有：1）大多数无人机依赖人工操控或地面站发布航点控制，智能化水平低，长期作业会给电力工人带来较强负荷；2）无人机缺乏自主避障能力且感知能力不足，电线、电杆等障碍物会对其造成安全隐患。为解决上述问题，首先，构建了无人机自主架线系统的硬件框架和以ROS（robot operating system，机器人操作系统）为基础的模块化软件框架，并在此基础上实现了架线任务规划算法和架线弓检测算法等，使无人机具备稳定的自主架线能力。然后，利用碰撞检测方法构建了无人机碰撞模型，并提出了无人机路径规划算法，同时引入地面站辅助避障策略，以有效提高无人机的安全性。实验结果表明：所设计的无人机自主架线系统的软、硬件框架合理，架线任务规划算法能帮助无人机高效稳定地完成自主架线任务；地面站能够实时监控无人机状态，并在必要时及时辅助无人机避障，最大程度地保证了无人机的安全。所设计系统安全可靠，可满足实际电力架线作业的需求。

关键词：无人机;  自主架线系统;  模块化软件框架;  架线弓检测;  地面站辅助避障

引言格式

Reference Format

陈强, 胡士强, 罗灵鲲, 等. 基于地面站辅助的无人机自主架线系统[J]. 工程设计学报, 2022, 29(5): 634-642. doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2022.00.076

CHEN Qiang, HU Shi-qiang, LUO Ling-kun, et al. UAV autonomous stringing system based on ground station assistance[J]. Chinese Journal of Engineering Design, 2022, 29(5): 634-642.

作者及单位

陈强1,胡士强1,罗灵鲲1,刘冰2,方元2

1. 上海交通大学 航空航天学院，上海 200240

2. 中国航空工业无线电电子研究所，上海 200240
基金资助

国家自然科学基金资助项目(61773262, 62006152);中国航空科学基金资助项目(20142057006)
通信作者简介

胡士强，河北石家庄人，教授，博士，从事图像理解与分析、无人系统自主技术以及非线性滤波与状态估计等研究，E-mail:sqhu@sjtu.edu.cn, https://orcid.org/0000-0002-9362-4642
结  论

为实现无人机自主架线，基于地面站搭建了完整的自主架线系统硬件框架，并基于ROS构造了模块化的软件框架。针对无人机感知能力弱、避障能力不足的问题，通过引入基于地面站辅助的避障策略，有效提高了无人机自主避障能力，大大增强了无人机自主架线时的安全性。针对架线过程中无人机定位、架线弓检测等问题，利用GPS与视觉里程计融合的定位算法有效地解决了无人机定位问题，并结合图像处理算法完成了架线弓检测，极大程度地提高了自主架线的成功率和效率。

通过模拟测试及实验验证，基于地面站辅助的无人机自主架线系统能够高效稳定地执行电力架线任务，架线任务规划算法、融合定位算法和架线弓检测算法等均能够达到设计要求，且无人机与地面站能够实时通信，既保证了无人机作业效率及成功率，又实现了无人机的自主避障，具有较高的安全性。综上，所提出的无人机自主架线系统高效可靠，可在实际中推广应用。

部分图表

图1  基于地面站辅助的无人机自主架线系统硬件框架



图2  基于地面站辅助的无人机自主架线系统的软件框架



图3  无人机碰撞检测包围盒模型



图4  障碍物威胁锥模型



图5  基于地面站辅助的无人机避障策略



图6  无人机自主架线流程



图7  架线弓实物



图8  无人机自主架线现场



专栏征稿
本刊设有以下10个重要专栏：

1）设计理论与方法；2）创新设计；3）智能设计；4）优化设计；5）保质设计；6）生态化设计；7）工业设计；8)建模、仿真、分析与决策；9）整机和系统设计；10）通用零部件设计。

报道主题主要聚焦在以下十大方面：

1）高端装备（航空航天器、卫星、数控机床）；2）勘探设备（隧道、海洋、石油工程装备）；3）现代农业工程装备（农用无人机、自感应智能辅助生产设备）；4）生物设计和制造技术（3D打印装备及其部件的优化）；5）机器人设计（工业先进机器人、仿生机器人、康复训练机器人）；6）智能感知与机器视觉；7）可再生能源与新能源设备的设计；8）机械结构和系统动力学；9）微/纳米机构；10）计算机辅助设计与制造。



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