基于虚拟现实技术的电力无人机巡检仿真培训系统研究与实现

基于虚拟现实技术的电力无人机巡检仿真培训系统研究与实现

王鹏黄成云李军锋

（广东电网有限责任公司教育培训评价中心广东省广州市510520）

摘要：针对以往的无人机仿真培训系统无法满足输电线路无人机巡检的具体应用，往往存在针对性弱、真实感低，交互性差等缺点。本文旨在介绍一个能够友好应用于无人机输电线路巡检的仿真系统设计与实现方案，该方案将无人机飞行仿真技术、计算机图形图像技术、大规模建模技术深度融合，使该系统不仅能够逼真的模拟真实无人机的操控及交互，而且能够在基于真实地理信息环境的虚拟场景中交互。经过实际应用，基于该系统能够有效提升无人机线路巡视的仿真演练质量和技能考核水平，对于电力行业员工掌握无人机操控技能，开展线路巡检应用具有重要意义。

关键词：无人机；线路巡检；仿真培训；

ResearchandImplementationofUAVUsedinPowerLineSimulationTrainingSystemBasedonVirtualReality

WangPengKangLi-juanLiJun-feng

（EducationTrainingEvaluationCenterofGuangdongPowerGridCo.，LTD，Guangzhou510520，Guangdong，China）

Abstract：Forthedisadvantagesofpoorpertinence、authenticityandinteractivity，thepreviousunmannedaerialvehicles（UAVs）simulationtrainingsystemcannotfulfillthepracticalapplicationoftransmissionlineinspectionusingUAV.Thispaperpresentsasystemwhichcouldbeusedintransmissionlineinspection.ThissystemdeeplycombinethetechnologyofUAVflightsimulation，computergraphicsandimage，largescalemodeling.ThesystemcannotonlysimulatethemanipulationandinteractionoftherealUAV，butalsocaninteractwiththevirtualscenebasedontherealgeographicinformationenvironment.Throughthepracticalapplication，thesystemcaneffectivelyimprovethequalityofthesimulationdrillandthelevelofskillsassessmentoftransmissionlineinspectionusingUAV.IthasimportantsignificancetotransmissionlineinspectionusingUAV.

KEYWORDS：UAV；transmissionlineinspection；simulationtraining

1.引言

由于机体材料技术、飞行控制技术、无线通信遥控技术以及飞行云台图传处理技术的快速发展，无人直升机（简称无人机）呈现出体积小、质量轻、便于携带和制造、使用成本低、操作性和灵活性等特点。无人机电力巡检能够有效弥补人工巡检工作量大、效率偏低，人身伤害风险高等弊端，可用于线路巡视、竣工验收、灾情勘察、应急抢修以及故障清除等[1]。不仅解放劳动力，还降低事故发生率。但在具体应用该项技术过程中，普遍存在一些问题。

随着无人机电力应用的不断深化，输配网线路巡检作业量不断攀升，无人机电力巡检作业量的快速增长与拥有操控无人机资质和经验的人员之间，存在巨大的矛盾。以广东电网公司为例，据不完全统计，2017年广东电网无人机培训需求2400人次，同比增长近1倍。无人机操控技能培训学员呈现大规模剧增。

同时，在培训过程中，由于许多初级学员在训练初期，对于无人机的操控尚未完全掌握，熟练度不够，导致训练用无人机摔机现象频出，无人机训练维修率较高。据统计，3个月内超过40%的无人机使用用户出现摔机现象。

仿真培训系统[2][3]是我国电网专业技术人员提高专业技能必不可少的现代工具，大量应用于变电站仿真培训[4]、输电线路带电作业仿真培训[5]、电网调控仿真培训[6]等。电网中现存的仿真培训系统主要针对业务逻辑和安全意识进行培训，而无人机的仿真培训既需要对机巡作业的业务逻辑和安全意识进行培训，又需要对无人机的操控技能进行培训。

现有的无人机操控模拟器包括国内的凤凰模拟器和国外的RealFlight模拟器[7]，都存在一定的缺陷。培训场景采用全景摄像生成，并没有进行真实的实景建模，更为重要的是缺少电网业务培训和针对无人机考证的科目训练。因此，国内电力行业迫切需要更加具有针对性、逼真性的无人机线路巡检模拟训练和考核方式。

本文基于虚拟现实技术开发了无人机电力巡检仿真培训系统，开发出适合于无人机电力巡检培训用的飞行控制仿真程序，并建立了完善的广东电网所辖典型地形地貌和输配网线路三维模型，最后结合DL/T1482–2015《架空输电线路无人机巡检作业技术导则》和《广东电网有限责任公司架空输电线路多旋翼无人机作业技术导则（试行）》实现了杆塔验收、树障勘查、杆塔故障勘查、水平绕“8”等科目的仿真培训。

该系统能够营造逼真的虚拟环境，学员可以在此环境下使用与真实无人机操控界面一致的遥控器操控无人机模型，进行“实操考试和线路巡视”。该系统能够有效提升培训效率，降低培训成本，提高培训质量。操作人员在作业前进行模拟训练，既可以提高无人机巡视的作业技能，又可避免由于特殊情况处置不当而造成人员、电网线路或无人机的不必要损失，有助于提高输电线路无人机巡检水平。

本文研究成果已在广东电网有限责任公司相关业务培训中投入使用。下文将重点介绍基于虚拟现实技术的无人机电力巡检仿真培训系统的系统架构和应用情况。

2.系统设计

为了实现更为逼真的仿真实操，无人机输电线路巡检仿真训练系统引入半实物仿真的概念，将物理模型与实物联合起来进行仿真。基于在虚拟环境中结合实物的方法，既可以避免全过程建模导致的过于简单化和场景化，也可以发挥部分实物系统的真实性，保证整个仿真训练系统的可信度。

针对以往仿真模拟器的缺点，结合输电线路巡检的具体应用，无人机输电线路巡检仿真系统不仅需要实现电力巡检用的无人机操控仿真功能，而且必须要能够模拟线路巡检的场景。因此，整个系统的设计将围绕根据学员的操控实现无人机飞行控制仿真，并将状态参数结果以虚拟视景的方式反馈给学员。无人机输电线路巡检仿真系统的运行原理如图1所示。

图1系统运行原理框图

Fig.1Functionalblockdiagramofsystem

如图1所示，整个系统包括遥控器、飞行控制仿真与云台模拟模块、视景仿真模块、培训与考核模块。遥控器经校准调校后，能够稳定接收来自操控人员的操作，并将通道的操控指令发送至主控计算机，主控计算机解析当前操控指令，传入飞行控制仿真及云台模拟模块，经过姿态解算，计算出无人机的当前飞行参数和姿态参数，以及云台姿态。视景仿真模块则根据遥控器通道状态、当前飞行位置、姿态参数，以及云台姿态，加载相应的三维视景图像。培训与考核模块则具体实现培训模式和考核模式下从无人机起飞到降落，整个过程的云台图像保存、安全飞行检测（碰撞检测和区域检测）、评价分析等功能。整个系统结构完整，功能丰富，且满足灵活部署的要求。

2.1遥控器输入

该系统采用基于真实无人机系统的操控遥控器，支持常见无人机遥控器的Train接口或MicroUSB接口与服务器连接，再由服务器解析遥控器发出的操作命令。一般需要简单地将通道映射为仿真服务器标准可读的模拟器输入，经过校准即可完成遥控器配置，在此不加详述。

2.2飞行控制仿真模块

无人机飞行控制系统的外观仿真模型主要基于当前无人机电力巡检最为常见的四轴旋翼无人机，其结构如图2所示，其中oxyz为机体坐标下的三个轴，无人机可绕x轴做横滚角运动，绕y轴做俯仰角运动，绕z轴做偏航运动[8][9]。

图2无人机结构图

Fig.2StructurediagramofUAV

该类型无人机是通过控制四个电机转速来改变螺旋桨转速，实现升力的变化，进而达到飞行姿态控制的目的。真实无人机飞行控制过程中，需要把多个传感器如陀螺仪，加速度计，罗盘等的数据融合在一起，得出飞行器的空中姿态，飞行器从陀螺仪器的三轴角速度通过四元数法得到俯仰，航偏，滚转角等，快速解算后再结合三轴地磁和三轴加速度，进行漂移补偿和深度解算[10][11][12]。

在实际仿真应用中，仿真使用人员往往不关注虚拟场景中螺旋桨的转速变化，而更为关注机体姿态的变化，因此飞行控制仿真的重点是首先建立适合于仿真培训的无人机物理模型，以及四旋翼无人机及其传感器的配置信息和初始设定值，然后主控计算机以模拟器四个通道杆量（油门杆量，偏航杆量，俯仰杆量，横滚杆量）为控制输入，以及前一个仿真周期的输出值，进行模型解算，得出无人机的飞行参数、姿态参数等数据。解算结果又作为下一个仿真周期的初始值，以实现实时仿真[14]。

结合广东电网公司常用的小型无人机运动参数，建立了能够快速响应、稳定控制的六自由度无人机运动方程，经过参数调试，开发了可应用于仿真培训的无人机飞行控制仿真程序，如图3所示。

图3.无人机模拟飞行

Fig.3SimulationdiagramofUAVflight

2.3云台仿真模块

云台是电力巡检无人机搭载的重要的巡视设备，涵盖多种云台任务设备，包括可见光设备、红外设备、紫外设备，以及三维扫描仪，有助于实现精益化的线路巡检，同时云台及图传系统也是地面遥控或程控的关键部分之一，因此，对于该部分的功能仿真对于无人机输电线路巡检仿真训练系统来说也是非常重要的。

以入门级的电力巡检无人机为云台模拟模块原型，支持云台垂直视角即俯仰运动，及视场图像捕获。因此，云台模拟主要包括三个部分的功能模块：（1）超视距图传模式切换开关；（2）图传模式下垂直视角随动；（3）云台图传视场内图像捕获仿真，三个部分是相互关联的仿真流程。具体工作原理如图4所示。

图4.云台模拟原理图

Fig.4CameraonUAVsimulationschematicdiagram

图5.基于头戴式显示设备的仿真交互

如图4所示，云台模拟的仿真周期内，首先仿真服务器需要读取解析当前遥控器指令，判断解析协议下的图传切换按钮是否有效，如果有效将开启超视距图传模式。当图传模式开启后，仿真服务器将根据解析协议下的拨盘旋钮角度，无人机搭载的云台视角进行随动。同时，仿真服务器将随时检测遥控器上的拍照按钮是否有效，当该通道数据有效时，将捕获云台模拟视角下的三维仿真视景图像，并将该图像上载至仿真服务器。

2.4视景仿真模块

视景仿真模块负责整个无人机巡线技能仿真训练系统的交互显示，必须能够一方面将线行通道本体、通道周围地形地貌及其植被等信息进行三维仿真，另一方面能够基于飞行控制仿真及云台模拟模块的解算结果，实时地显示飞行状态和飞行数据[13][15]。无人级巡视技能培训过程中显示通过视景系统实时生成的三维仿真场景，并提供两种不同的观察视角：第一人称视角，主要用于无人机起飞和降落过程，以及近距离操控无人机的培训考核科目；超视距视角，主要用于视距外的线路巡视和查找缺陷考核科目。

本项目开发平台基于Windows和HTCVIVE头盔，因此支持PC[16][17]和虚拟现实头戴式设备交互方式。后者能够为无人机仿真培训提供更为逼真的场景化培训视角，大大提高仿真培训逼真度，有效提高培训质量，如图5所示。

Fig.5Simulationinteractionbasedonhead-mounteddisplaydevice

由于整个系统的视景仿真对象为省级电网，以广东电网为例，其35kV以上输电线路长度已达6万多公里，因此本模块设计综合采用基于卫星图像的建模技术，倾斜摄影技术以及三维激光扫描技术进行，建立广东电网系统内典型输电线路和配电线路机巡三维场景，涵盖丘陵、村庄、城镇、跨海跨河、农田平原、树木（两侧及线路底下，速生型和非速生型）、竹子竹笋、跨越、山地、鱼塘等典型机巡场景线路。在此基础上，根据电网线路资产台账信息，以及已有的电力设备模型库中的各种型号铁塔模型，将高精度的电网线路通道本体三维模型叠加到包含有省级区域地形地貌和典型植被的三维场景中，进而实现省级区域的三维场景仿真。

2.5培训考核模块

在培训考核模块设计开发过程中，主要参照中国民用航空器驾驶协会实操考试科目设置，以及广东电网公司竞赛规则等细则，并结合实际巡检作业规范相关文件，开发了水平绕8，限时缺陷查找（支持输电和配电）等考试科目。创新引入计算机自动评价，对学员的考试表现进行计算机反馈，避免了人工评判的主观性，提升了评价的客观性，保证了培训评价工作的公平性。

3.应用情况

本文的研究成果已成功应用于广东电网公司机巡业务相关单位。该系统具有以下应用特点：（1）针对性强。该成果针对无人机技能培训中的薄弱环节，克服以往无人机仿真模拟器的不足，不仅具有丰富逼真的线路通道场景，而且能够模拟塔材缺失、绝缘子挂点插销缺失、防震锤安装错误、绝缘子串外绝缘放电等典型缺陷；（2）仿真度高。该成果能够逼真的模拟特殊飞行气象和时间，杆塔、树木、导地线等限制约束元素具有物理碰撞属性，无人机仿真程序符合无人机飞行物理模型，整体具有较高的仿真度。

4.结论

无人机输电线路巡检仿真系统融合无人机飞行控制仿真技术、计算机图形图像技术、大规模建模技术等，基于无人机飞行动力学理论优化提出了适合于仿真训练的无人机飞行物理模型，基于GIS信息的输电线路杆塔自动建模和基于卫星图像和激光扫描的大规模复合建模方法，最终解决了以往模拟器与真机体验差距大、真实体验不足等缺点，实现了输配网线路的无人机模拟巡检和模拟考核，以及自动评判。

该系统应用在初级学员培训，考证或竞赛专项培训，班组作业前演练等工作。与实操培训相结合，学员能够在较短的时间进行自我训练，可以及时得到自动评价，有效提高了无人机巡线技能培训的效率，同时又降低了真机实地培训的安全风险。实现了在人员、输配网架空线路和无人机绝对安全的情况下，有效开展无人机巡视的仿真演练和技能考核，对于相关行业员工掌握无人机操控技能，开展线路巡检应用具有重要意义。

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