小型多旋翼无人机巡线技能强化的研究应用＊

李斐，张德钦，刘源

小型多旋翼无人机巡线技能强化的研究应用＊

李斐1，张德钦2，刘源1

（1.广西电网有限责任公司北海供电局，广西 北海 536000；2.广西电网有限责任公司北海供电局输电管理所，广西 北海 536000）

小型多旋翼无人机凭借不受地形环境的限制、效率高等优点在输电线路巡线方面的应用越来越广泛。针对小型多旋翼无人机在电力巡线路中的现状，利用UE4虚幻引擎打造无人机巡线仿真培训平台，选择代表性输电线路进行实景建模，真实再现各种典型缺陷、地形、GPS坐标等作业条件，模拟现场巡线作业流程，进行实操练习，训练机巡人员的操控能力、常见缺陷辨识能力。

小型多旋翼无人机；UE4；巡线技能；技能强化

近年来，由于无人机在各行业的应用越来越广泛，对相关从业人员的技能提出了更高的要求。目前，在电力系统中，无人机主要运用于灾情勘察、运行检修、施工放线、故障清除等领域。对此，要求操作人员系统学习无人机的操作原理，并通过反复的实操训练掌握无人机的飞行及巡线技巧，以确保任务的顺利执行。然而，实际的飞行训练成本高、设备损耗大、过程乏味等问题一直困扰着各单位。结合各方需求，本文提出将UE4与小型多旋翼无人机巡线技能相结合的方法，对实际的业务逻辑、安全意识、操控技能进行培训，让班组成员提升应急处理能力和业务水平，保障输电线路及电网稳定运行。

1 平台整体构成

本平台以电力行业、电网公司相关标准为业务指导，全程贯穿安全规程要点及注意事项，通过“教学→训练→考核→强化”的管道式培训模式，将平台分为无人机巡检作业、基础能力培训、缺陷与隐患、设备使用与保养、设置、附属功能六大部分。

平台框架如图1所示。

图1 平台框架

1.1 无人机巡检作业

无人机巡检作业板块包含巡检任务制订、训练模式、考核模式、应急处理四项功能。此板块主要用于培训无人机飞手的业务能力，从巡检前的准备工作到领取任务单；制作仿真度极高的场景，结合具体的巡线任务，逐步引导受训员工完成巡线任务，并在飞行过程中提示要点与注意事项；模拟实际巡线作业流程，考核学员巡线技能及对相关规定的理解程度，并对其飞行技能进行评分；针对动力缺失、信号干扰等多种情况进行了操作模拟，让学员积累更多实践经验。

1.2 AOPA培训

AOPA培训主要培训操作人员无人机飞行技能，课程内容严格按照中国航空器拥有者及驾驶员协会标准制定，包含了起飞、降落、悬停、8字飞行、四边航线等飞行技能。

1.3 基础能力培训

基础能力培训主要培训操作人员巡检设备的知识和无人机飞行的法律法规，并设计了无人机应急处理课程，课程内容训练操作人员在无人机遇到信号干扰、动力流失等情况时的应对操作。

1.4 缺陷与隐患

缺陷与隐患板块主要是介绍输电线路无人机巡线时常见缺陷的的认识，并分析其产生的原因，以便整理及归档后期的数据。

1.5 设备使用与保养

设备使用与保养板块主要是以三维模型、文字、图片的方式向学员展示巡线设备的原理、组成、使用方法等专业知识。根据无人机的操作规范，制作了无人机的拆装流程、维护保养等三维动效视频。

1.6 设置

设置板块分为一般设备、键盘设置、摇杆设置、缺陷开关、模式设置、天气设置六项功能，分别为对显示器参数进行调节，设置键盘的功能，美国手、日本手的切换，开启关闭缺陷的类型，VR模式与PC端模式的切换，对风、雨、尘、雾等天气等级的开关进行调节。

2 平台设计框架

2.1 平台设计原则

软件的设计主要遵循以下几点原则[1]：①先进性。在满足当前使用要求的前提下，巡线虚拟仿真系统具有较好的技术扩展性，能丰富系统模块，增强功能。②安全性。外接口有严格的接口环节，保证外接进来的不能破坏系统内部的。③安全性。系统具备恢复能力，保证系统正常运行。④经济性。系统应具有良好的兼容性，功能方面，系统应该兼容过去版本。⑤可扩展性。设计系统时，预留了多余的接口，以备系统在今后的升级中，能增加附带的增值业务。⑥规范性。设计符合国家标准、行业一级技术标准。

2.2 软件系统框架

设计系统时，把Airsim当作Unreal场景的一个插件使用，并对其进行二次编译。在使用过程中需要注意如下几点：Unreal工程的运行需要至少一个源文件（创建一个Unreal类）；将Airsim插件复制到Unreal场景中；使用Visual Studio打开需要编译项，点击F5进行编译；更改模式，完成如上操作后，使用Unreal调用AirLib文件中的物理引擎、传感器模型（气压计、IMU、GPS和磁力计等）、无人机模型、控件库等API接口，实现数据的收集及控制仿真。系统框架如图2所示。

3 平台实现

3.1 线路三维模型重建

三维仿真模型重建，基于激光点云数据完成对线路及周边地物的三维模型构建，利用3D max绘制精细化模型，并导入巡线、AOPA、特种作业等场景，使得所有场景更加接近真实，增加培训人员的的训练沉浸感，增强训练效果，在预知飞行任务区域后，可以针对性构建任务区域地形和场景进行模拟训练，可以提高任务完成质量和效率。

图2 系统框架

3.2 地形三维模型重建

地形三维重建基于地形数据，在已有的地形测绘、高程卫星数据上利用Global Polynomial Interpolation的插值方法进行数据的预处理，然后在Global Mapperh上生成可编辑的网络模型，导入到3D max中进行网格平滑处理，生成三维地形模型，最后将生成的三维地形模型放到UE4虚幻引擎中进行植被的插入。

3.3 平台交互

3.3.1 场景交互

新建文件夹存储场景交互蓝图，并命名，添加模块Scene，作为显示文本的坐标；添加模块StaticMesh，作为显示的模型，指定预览模型，上个模型会被替换；添加模块Sphere Collision，作为碰撞半径，如果需要互动，需要进入碰撞半径模型；接着添加结构体，将场景交互的蓝图放进去，对属性进行命名并实例化，添加新变量，作为UI的显示纹理；接着制作逻辑图表，新加变量，接收场景交互蓝图的结构属性。新建节点MenuParameterSet，设置结构体的默认值；新建节点Self，调用获取自身引用的功能，为每个属性创建变量，并修改数据类型和重命名，把属性设置为公开变量，可以在编辑器中指定参数值；添加变量，用来替换BP默认的模型，将模型调整为静态模型；新建节点Set Static Mesh，调用设置模型的功能，设置为公开变量，这样就可以使用场景编辑器中指定模型替换蓝图中默认模型。最后，制作储存默认材质的功能，新建节点Get Material，调用获取材质功能；新建节点Cast MaterialInstance，调用强制类型转换为材质实例的功能，设置重置材质的变量。最后，新建注释，将各模块分别绑定，然后在场景编辑器中给场景交互蓝图指定属性。

3.3.2 键盘交互

无人机巡线仿真培训平台的交互分为键盘操作与遥控器制操作。在此培训平台中，键盘的W、S、A、D进行功能的选择、无人机机型和线路场景的切换、C键切换无人机飞行视角，键盘↑←↓→键进行无人机模型的角度切换，Page down、Page up进行功能翻页，P键调出菜单，Backspace返回主界面，Enter确认选项。

3.3.3 遥控器交互

遥控器的操作主要针对无人机，C1键为喷火按钮，C2键为拍照按钮，B键+LW滚轮为云台俯仰调节按钮，A键+LW滚轮为云台左右调节按钮，D键+LW滚轮为云台调焦按钮，SW1为飞行模式切换按钮，往左拨为姿态增稳模式，往右拨为GPS模式。

4 结论

本文运用UE4、3D max等技术与Airsim相结合，研发专业性与实用性并重的电力无人机巡线仿真培训系统，系统从机巡业务、安全意识、操控技能三个方面对受训人员进行全面的培训，以电力行业、电网公司相关标准为业务指导，全程贯穿安全规程要点及注意事项，通过“教学→训练→考核→强化”的管道式培训模式，达到标准化巡线的目标，填补会飞无人机到掌握无人机精细化巡检技能的空白。

［1］矫永康，陈永，于进勇.无人机模拟训练系统设计与开发［J］.计算机测量与控制，2018，26（1）：209-212.

V279；TM75

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.18.064

2095－6835（2020）18－0154－02

广西电网科技项目“小型多旋翼无人机飞行与维护技能强化技术研究及应用”（编号：040900KK52190002）

李斐（1986—），男，硕士，高级工程师，研究方向为电气工程及其自动化。张德钦（1985—），男，本科，高级工程师，研究方向为输电线路运行管理。刘源（1985—），男，本科，工程师，研究方向为电气工程及其自动化。

〔编辑：严丽琴〕