考慮通信連通性的輸電線路巡檢無人機群動態調度方法

張浩

(國網安徽省電力有限公司亳州供電公司，安徽 亳州 236800)

0 引 言

隨著輸電線路網絡的發展，輸電線路網絡空間規模越來越大，需要構建輸電線路巡檢無人機群動態調度和空間規劃模型，結合人工智能的空間技術，在視覺導航和雷達導航環境下，進行輸電線路巡檢無人機群的動態調度和路徑規劃設計，提高輸電線路巡檢無人機群的避障能力和導航控制能力[1]。在通信連通性控制下，構建輸電線路巡檢無人機群的動態調度和路徑規劃模型，提高輸電線路巡檢無人機群的空間智能規劃能力，相關的輸電線路巡檢無人機群動態調度方法研究受到相關研究人員的極大重視[2]。

劉壯等[3]提出輸電線路無人機巡檢安全距離方法，考慮巡檢電磁環境及通信性能，構建±500 kV直流輸電線路無人機巡檢仿真模型，分析不同巡檢距離下電磁分布情況，進行安全距離修正，實現調度。蔣碩等[4]針對無人機協調復雜的情況，提出利用改進的階層分級粒子群優化算法優化調度問題，劃分三個種群調度階層，調節分配慣性權重，平衡分配任務算法的平衡性，最終實現無人機協同任務分配。Bolourian等[5]針對巡檢無人機群調度耗時較長的問題，提出了一種基于激光雷達(LiDAR)掃描儀的無人機橋梁三維路徑規劃方法。該方法將遺傳算法和A*算法結合，考慮到線路缺陷的潛在位置進行調度。該方法計算與關鍵性級別相關的可視性會導致優先考慮覆蓋風險級別較高的區域。

為進一步完善無人機群調度規劃性能，本文提出基于通信連通性的輸電線路巡檢無人機群動態調度方法。構建輸電線路巡檢無人機調度的通信信道傳輸和均衡模型，采用網格分塊區域規劃方法進行輸電線路巡檢無人機動態調度的參數尋優和路徑規劃。對采集的輸電線路巡檢無人機群行駛空間數據進行自適應尋優控制，建立輸電線路巡檢無人機群飛行空間的三維空間規劃模型。采用模糊狀態尋優控制方法進行輸電線路巡檢無人機群路徑規劃和調度的參數識別和路徑尋優，構建輸電線路巡檢無人機群調度的通信連通性參數分析模型。通過自適應尋優算法，結合碼間干擾抑制方法進行調度過程中的抗干擾設計和通信連通性設計，實現輸電線路巡檢無人機群智能調度。

1 輸電線路巡檢無人機群調度參數融合及通信信道均衡模型構建

1.1 調度參數融合

輸電線路巡檢線程復雜，無人機群調度時接收信號量較多，需在通信均衡前進行調度參數融合處理。采用網格分塊區域規劃方法進行輸電線路巡檢無人機動態調度的參數尋優和路徑規劃。將路徑參數優化與模糊度控制相結合，對輸電線路巡檢無人機群動態調度參數進行融合處理。

(1)

采用參量自適應調節的方法[7]，得到輸電線路巡檢無人機群動態調度的空間陣位分布軌跡為xi,yi,zi,Ti,Ui,Vi(i=1,2,…,6)。根據空間分布軌跡，融合調度參數：

R=∑s·|T1+U1+V1|+∑c·|T1+U1+V1|

(2)

式中:s為無人機群目標位置定位誤差參數；c為無人機群配置參數命令編號。根據參數融合結果，進行輸電線路巡檢無人機群動態調度和通信均衡控制。

1.2 通信信道均衡模型構建

無人機群易受信道衰落特性影響通信傳輸性能，需要均衡無人機群通信信道。根據通信連通性設計方法，進行輸電線路巡檢無人機群動態調度的尋優控制，建立飛行路徑的網格模型[8]。采用一個5元組表示輸電線路巡檢無人機群動態調度的飛行區域分布網格，計算通信擴散頻率，如式(3)所示。

(3)

(4)

2 輸電線路巡檢無人機群動態調度優化

2.1 無人機群飛行路徑規劃

建立輸電線路巡檢無人機群飛行空間的三維空間規劃模型，采用模糊狀態尋優控制方法進行輸電線路巡檢無人機群路徑規劃和調度的參數識別和路徑尋優[10]。構建輸電線路巡檢無人機群動態調度路徑的智能規劃模型，得到視覺定位的測量誤差為：

(5)

式中：N(t)為t個無人機調度節點的個數。在優化控制律下，輸電線路巡檢無人機群的動態調度路徑控制問題轉化為n個決策變量尋優問題，計算公式為：

(6)

建立輸電線路巡檢無人機群動態調度的空間采樣模型，通過統計分析和節點規劃方法，得到輸電線路巡檢無人機群動態調度的空間信息測量方程為：

Ki=cosθ+∑s·to

(7)

式中：θ為偏航角。采用最短路徑尋優方法，進行輸電線路巡檢無人機群動態避障處理，得到巡檢無人機群的空間規劃模型，表示為：

(8)

式中：τ為輸電線路巡檢無人機群飛行的位置信息；f為信息采樣的頻域參數；g為輸電線路巡檢無人機群的自適應尋優系數。采用模糊信息融合和信道擴頻處理的方法[11]，得到無人機群動態調度的區域規劃模型為：

(9)

以最短路徑為尋優目標函數，計算視覺導航下輸電線路巡檢無人機群動態調度路徑規劃公式，如式(10)所示。

G=z(a)+Q·l

(10)

(11)

式中：A(t)為輸電線路巡檢無人機群動態避障參數分布初始值。

綜上所述，根據飛行路徑規劃模型，通過自適應尋優算法，動態調度巡檢無人機群。

2.2 無人機群動態調度

結合碼間干擾抑制方法進行調度過程中的抗干擾設計和通信連通性設計[13]，得到輸電線路巡檢無人機群動態調度的機群分布間隔為d=λmin/4，通過空間位置優化分布，則輸電線路巡檢無人機群動態調度的通信連通性控制公式為：

j(a)=a2·d+c1

(12)

式中：a2與c1為輸電線路巡檢無人機群調度通信傳輸信道的帶寬和采樣頻譜。輸電線路巡檢無人機群飛行過程中[14]，獲取任意通信范圍內，計算無人機群動態軌跡分布如式(13)所示。

ct=j(a)+A(t)·a2

(13)

式中：A(t)為輸電線路巡檢無人機群動態調度的模糊域[15]。令A∈Cn×n(n×n維復數空間)則優化的無人機動態調度計算公式為：

(14)

式中: ?vN(x)為無人機群動態調度的尋優參數的導數。根據導數求極值，實現最優解調度參數。

3 仿真試驗與結果分析

為了驗證本文方法在實現輸電線路巡檢無人機群動態調度的性能，在MATLAB2017b平臺進行仿真測試。給出輸電線路巡檢無人機群的個數為30，尋優迭代步數為120，初始無人機X軸與Y軸位置為(0,-150)。根據上述參數設定，得到輸電線路巡檢無人機群動態調度的網格區域及障礙物分布，如圖1所示。

圖1 輸電線路巡檢無人機群動態調度的網格區域及障礙物分布

根據圖1的機群動態調度的空間規劃分布設計，進行輸電線路巡檢無人機群動態調度試驗，得到優化調度路徑，如圖2所示。

分析圖2可知，本文方法可以在嚴格(severe)、適度(moderate)、輕微(slight)及無限制(free)的四種飛行路徑控制條件下，能夠有效實現輸電線路巡檢無人機群動態調度，輸出的空間規劃能力較好。

為進一步驗證本文方法無人機群調度的準確性，以無人機偏航角誤差作為試驗指標，驗證動態調度的準確性，得到對比結果如圖3所示。

圖2 輸電線路巡檢無人機群動態調度路徑

圖3 輸電線路巡檢無人機群偏航角誤差對比

分析圖3可知，采用本文方法進行輸電線路巡檢無人機群動態調度的偏航角誤差較小。兩種場景下偏航角誤差均低于0.6°，準確性較高，抗干擾能力較強。

為進一步驗證本文方法中無人機調度的性能，測試輸電線路巡檢無人機群動態調度的輸出誤碼率，將±500 kV直流輸電線路直線塔無人機巡檢安全距離仿真與試驗(文獻[3]方法)、改進PSO算法在多無人機協同任務分配中的應用(文獻[4]方法)得到如圖4所示的結果。

分析圖4得知:本文方法進行輸電線路巡檢無人機群動態調度和通信的誤碼率較低，最低誤碼率為3.3%，說明抗干擾性和穩定性較高。因為本文方法構建了輸電線路巡檢無人機群動態調度路徑的規劃模型，預先進行路徑規劃，降低了調度輸出誤碼率。

圖4 輸出誤碼率測試

4 結束語

構建輸電線路巡檢無人機群的動態調度和路徑規劃模型，提高輸電線路巡檢無人機群的空間智能規劃能力，本文提出基于通信連通性的輸電線路巡檢無人機群動態調度方法。采用無標定視覺伺服控制方法，建立輸電線路巡檢無人機群動態調度路徑的位置參數融合模型，根據通信連通性設計方法，進行輸電線路巡檢無人機群動態調度的尋優控制，建立輸電線路巡檢無人機群飛行空間的三維空間規劃模型，通過統計分析和節點規劃方法，得到輸電線路巡檢無人機群動態調度的空間信息測量模型，根據導數求極值，實現最優解參數解析和調度。分析得知，本文方法進行輸電線路巡檢無人機群動態調度的規劃能力較好，輸出誤碼率較低。