面向鐵路巡檢的無人機飛行路徑規劃方法

武岳龍　鐘凡　高月

摘要：在之前的鐵路路線巡檢中，大多采用人工檢測方法，不但費時費力，而且效率低下，對于那些地質災害區域，不能對鐵路線路予以有效檢測。因此，在鐵路巡檢時，必須創新巡檢方式，運用無人機實現對鐵路的巡檢，這樣既能改進人工檢測方法的不足，還能對鐵路實況進行展示，提升巡檢效率。

關鍵詞：鐵路巡檢? 無人機? 飛行路徑

前言

近幾年，國內鐵路交通得到快速發展，致使鐵路運營安全也開始受到重視，但當前鐵路巡檢很多都是通過工作人員進行完成，從鐵路特點可知，有的線路跨度較大，而有的線路身處相對惡劣環境下，不僅給巡檢工作帶來難度，還制約了鐵路運行安全。在這個過程中，如果能采用無人機完成巡檢工作，既能增強鐵路線路巡檢整體效率，還能讓鐵路系統變得更為安全，使其高效運行。

一、鐵路巡檢無人機飛行路徑概述

無人機路徑對于鐵路巡檢有著重要作用，其不但關乎鐵路能否實現自動巡航，還影響到巡檢質量，所以，應該做好巡檢路徑有關規劃工作，這樣既能確保無人機得以安全飛行，而且能讓其可以沿著鐵路線路穩定飛行。其中在無人機路徑方面，很多學者都提出各自觀點，并進行了多次嘗試，例如，有的學者提出通過軌道跟蹤方法，并借助無人機攝像頭有效獲取圖像，了解兩條軌道有關信息，同時對鐵路線路進行計算，以此確定飛行方向，盡管此種方法有著良好仿真效果，卻沒有得到實際驗證。再如，有的學者運用遺傳算法達到對巡檢路徑的有效規劃，并通過極坐標編碼這種方式來建構模型，不僅設計了具有巡檢路徑規劃有關遺傳算子，而且該種方法相對可靠。

其中要想對鐵路沿線各方面實況視頻數據進行獲取，必須改進巡檢效率，在此期間，應該搭建起巡檢平臺，一般情況下，鐵路巡檢平臺大多由無人機以及RTK等構成。其一，無人機應該是其他設備能否穩定飛行的重要載體，不僅搭載著與其他設備間的聯系，而且能讓設備有效沿著鐵路各線路安全飛行。在這個過程中，無人機飛行往往由專用控制設備進行控制，因此，為了讓飛行路徑可以與鐵路線路有效貼合，必須做好飛行路徑規劃工作，同時將已經規劃好的各路徑有機導入到設備中，實現對無人機的指導，進而達到自動巡航目的。其二，RTK屬于巡檢平臺較為高的定位部件，其大致可分成天空端以及地面端，例如，在地面端時，應該把地面視為參考點，并借助衛星信號有效接收信息，從而確定衛星坐標位置，進而把位置信息有效傳送到天空端。其三，云臺應該是無人機以及相機間的重要連接部件，首先，工作人員應把相機有效固定到無人機中，這樣既能確保相機穩定，而且能擴大相機整體拍攝范圍。需要注意的是，相機屬于采集鐵路數據的重要部件，其不但能運用俯視視角完成對鐵路實況的準確拍攝，還能為線路故障判斷做出良好準備，提供某些參考數據，確保鐵路線路安全。

二、無人機飛行路徑模型

（一）模型構成

對于無人機來說，其在飛行時，往往通過RTK來獲取大地坐標，并把其作為參考，這樣在對實際位置進行計算的同時，可以了解其與預設飛行路徑相差的有關數值，從而對飛行偏差進行調整。在此期間，要想讓無人機達到沿線路飛行這一目的，應該提前構建路徑模型，把其用在無人機飛行中。首先，路徑模型應該由海拔函數以及路徑經度甚至緯度函數構成。例如，海拔函數需要工作人員對鐵路線路坡度進行確定，同時了解現場障礙物有關高度，然后運用三次樣條插值這種方法進行求取。其中該種方法需要對方程組進行求解，并算出樣條曲線處有關數值，確保區間次數全都不高于3。在這個過程中，出于對線路拐彎半徑的有關考慮，需要半徑大于300米，這樣既能讓拐彎處曲率相對平緩，而且能提升拐彎處平順性，從而通過三次樣條曲線有效表達出鐵路線路狀況，進而展現各函數關系。

（二）無人機飛行海拔

在確定飛行路徑時，需要對線路運輸能力進行考慮，同時還要考察其牽引質量，因此應該確保鐵路坡度小于3%，這樣才能把鐵路面看成是水平面。所以，在對路徑模型進行建立時，應該提前對鐵路現場予以有效考察，了解障礙物高度，這樣結合RTK地面端不但能對地面海拔信息進行確定，還能了解無人機飛行大致海拔。其中，如果海拔高度設定是H0，則把障礙物高度設為H，從而得出公式：。此外，為了進一步掌握路徑經度以及緯度間關系，應該對巡檢路段各數值進行獲取，了解各坐標值，然后運用三次樣條函數進行演示，從而確定其關系。

三、無人機飛行路徑規劃方法

（一）規劃算法

從路徑規劃方面來看，需要對飛行規劃方法予以確定，其中規劃算法需要對飛行路徑科學確定，然后對最長飛行路徑進行選取，把其視為等長路徑，接著利用插入路徑點這種方法有效延長飛行路徑，使其達到協同要求，這樣既能對最優解進行確定，還能改善巡檢效果。與此同時，還能借助協同規劃問題的相關解決方法進行層次分解，其不但能讓規劃難度發生降低，而且能提升路徑規劃速度。其中遺傳算法也屬于路徑規劃中某一方法，其可以對備選路徑有效選擇，讓無人機得到優化處理，并從中選擇相關路徑，得到相應的規劃解決，進而滿足協同要求。需要注意的是，備選路徑規模很難對其確定，如果集合規模相對較大，會讓計算量發生增加，一旦遇到突發威脅時，則無法達到實時性要求，相反，如果集合規模比較小，將不能滿足協同要求。因此，應該借助協同代價函數有效處理，進而實現對路徑的系統規劃，確保規劃方法合理性。

（二）實驗操作

首先，實驗準備。在實驗開始前，應該對實驗場地進行選取，本文主要選擇某個車輛相對較少的路段，其中實驗環境大致為：線路長度在1千米左右，軌距為1440mm，同時障礙物高度大約為8米，主要拍攝目標有巖石以及紙箱甚至行人等，通過對鐵路線路的有效布置，不僅能實現對線路的科學模擬，還能對異常情況予以了解。在這個過程中，還應構建路徑模型，這樣既能讓無人機飛行有關路徑得到生成，還能對相關數值有效讀取，進而達到對無人機控制這一目的。其次，實驗過程。在做好路徑規劃準備后，需要獲取一些路徑原始數據，從而為實驗操作提供準確數值。在此期間，需要工作人員手動操控，同時對巡檢平臺進行搭建，接著運用RTK對各坐標點實時記錄，如下圖。這樣既能對路徑準確演示，還能了解其與線路貼合情況，如果生成飛行路徑相對光滑，則意味著與線路有著較高貼合度。最后，實驗結果。根據路徑模型情況，把海拔高度有效設為64米，同時借助巡檢平臺對其有效測試，最終得到偏差數值為3米左右，并且采集畫面有著較高清晰度，進而證明該方法有效。

四、結語

為了讓現階段鐵路巡檢效率得到改善，可以滿足橋梁以及懸崖等一些特殊條件巡檢要求，必須運用無人機來搭建巡檢平臺，同時建立數學模型，這樣既能達到自動巡航要求，而且能讓巡航變得安全。

參考文獻

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項目

2019年度陜西省教育廳專項科學研究計劃項目，《基于鐵道巡查中無人機的應用與研究》（項目編號：19JK0503）。

作者簡介

武岳龍（1995.5-），男，漢，陜西西安，本科，助理工程師，自動控制技術。鐘凡（1986.5-），女，漢，陜西安康，本科，助教，人力資源管理。高月（1994.11-），女，漢，陜西延安，本科，助理工程師，自動控制技術。