無人機電力巡檢航跡布設優化方法

幸茂仁

（1.東華理工大學，江西 南昌 330000）

無人機航跡規劃的本質是路徑規劃，即尋找適當的方法構成連接起點到終點位置的由序列點或曲線組成的路徑，因此用于航跡規劃的算法實際上也就是路徑規劃算法[1-3]。目前國內外學者提出了許多不同的無人機航跡規劃算法，劉佳[4]等針對固定翼無人機航跡規劃等問題，提出了一種基于滾動時域控制的模糊粒子群優化算法與改進人工勢場法相結合的在線航跡規劃方法；張宇翔[5]針對低空飛行和高空飛行兩種任務場景提出了對應的航跡規劃方法，分別設計了基于遺傳算法和Dubins曲線的最短路徑生成方法以及設計了基于過渡航點的飛行動作庫調用規則，并使用航跡樹動態搜索的方法，對航跡進行全局尋優。

此外，李東[6]針對無人機電力巡檢提出了一種基于采樣的輸電桿巡檢路徑規劃方法，通過不斷地在空間中迭代選取樣本，并檢驗樣本是否可行，直到找到期望的樣本時，算法規劃結束。但該方法存在搜索復雜度太大，工作效率低下等問題，不適合快速無人機電力巡檢航跡規劃的要求。丁為杰[7]提出了一種基于BAS算法的航跡規劃方法，該方法對二維平面上航跡規劃進行仿真，可以發現電力線路上的障礙物以及合理的規劃出局部航跡，但是該方法會因為無人機掉頭轉彎次數太多導致飛行效率和所獲取的數據質量較差，不能很好的滿足無人機電力線路快速巡檢的需要。

綜上所述，現有的無人機航跡規劃方法在應用于設計時依然存在著一些問題。本文在充分考慮了無人機性能、任務要求、及傳感器參數等因素的前提下，提出了一種面向固定翼無人機電力巡檢航跡布設優化方法，該方法能夠提高固定翼無人機獲取數據質量及工作效率，并且在保證電力走廊數據完整性的前提下盡可能減少無人機繞行轉彎的次數。

1 研究方法

1.1 航跡布設算法思路

考慮到固定翼無人機無法懸停，因此固定翼無人機電力巡檢的航線設計包含兩部分的內容：一是任務航線的布設，完成目標線路的巡檢工作；二是輔助航線的布設，用于在電力線轉彎處無人機進行繞行掉頭，具體航線設計步驟如圖1所示。

2 關鍵技術

2.1 線路分段

如圖2所示，{N1，N2，N3，N4，…，NX-1，NX}為一組需要進行巡檢的電力線桿塔編號，其中N1是起始桿塔，NX是終止桿塔。

圖2 電力線基站分布示意圖

1）根據影像分辨率要求(GSD)，以及相機的焦距(f)、像元尺寸大小（a）、像素數（P）等參數可以計算出固定翼無人機的相對航高：

影像幅寬為：

2）選擇前3個N1，N2，N3電力線基站點，如圖3所示，坐標為N1（x1，y1）、N2（x2，y2）、N3（x3，y3）。

圖3 航跡線示意圖

α12，a13，為相應方位角，航跡線L1的方位角為α12，a13平均值，各點到航跡線L1的最短距離為：

判斷H2與大小，若則表明該電力線基站能被該航跡線上的固定翼無人機進行完整的巡檢，依次判斷后續電力線基站到該航線最短距離是否符合條件，直至出現則重新對航跡線進行規劃。

3）規劃新航跡線需加入首次出現不在航攝范圍內的電力線基站點的方位角，重新計算當前電力線基站方位角的平均值，根據新方位角規劃出相應的新航跡線L1′。重復步驟1、2直至新規劃的航跡線L1′還是不能符合航攝范圍要求此時進行下一步。

4）符合航攝范圍的航跡線L1作為第一條航跡線，從不符合航攝范圍的電力基站Nx往前移動一個電力線基站即Nx-1，航跡線L1與線Nx-Nx-1相交于點A（x，y），以點A為初始點，求出點A到Nx與Nx+1的方位角，取平均值：

規劃出相應的新航跡線L2，后續操作同上，最終得到多條完整覆蓋整個電力線基站的航跡線L1，L2，L3…LN。

2.2 輔助航線的布設

1）規劃好每一段航跡線后固定翼無人機就可以從一段航跡進入下一段航跡，但需要注意的是，當兩段航跡線之間角度較小呈一定的夾角度數，例如設定閾值θ=135°，若相鄰兩航跡線的夾角α＜θ，此時無人機不能直接轉彎。為保證無人機不偏離預先設置的航跡線則需要設置輔助航線。如圖4所示，航跡線Lx與Lx+1之間夾角為α，飛行半徑為R。

圖4 輔助航線示意圖

2）航跡線與輔助航跡線相內切，交于A，B兩點，航跡線Lx與Lx+1交與點C，夾角為α，則：

此時判斷BC≥Lmin，同時判斷航跡轉彎角是否滿足條件[8]。

Δθmax為當前飛行方向與上一飛行方向的最大轉彎角[10-15]。

式中，rmin為最小轉彎半徑；Lmin為最小飛行步長。當上述條件全部滿足時，無人機從B點開始轉彎，從A點回到預先設定航跡線上，按照以上步驟對所有不符合閾值的航跡線進行處理[15-16]。

3 實驗與分析

為了驗證面向固定翼無人機電力巡檢的分段航跡布設方法，本實驗采用廣東省清遠市，電壓等級為220 V的韶林線的部分桿塔作為巡檢目標線路，總長2.72 km，編號從1～11號，地形數據采用ASTER GDEM 30M的DEM數據，選擇的固定翼無人機起飛及降落坐標為113.16°E，24.43°N。

本文在電力巡檢航跡布設中所使用的固定翼無人機各類參數如下所示。

進線距離：200 m轉彎半徑；500 m分辨率；20 cm閾值設置135°。

側方偏移：20 m邊緣緩沖；CCD尺寸4 000×3 000；像元大小1.5 um。鏡頭焦距：24 mm；安全飛行高度：200 m。

圖5為實驗段的電力線路走向圖及對應的地形數據；圖6為傳統無人機航跡布設結果，根據設置的最小轉彎角度；3號桿塔處航跡線夾角度數為130.2°；7號桿塔處航跡線夾角為102.2°；9號桿塔處航跡線夾角為132.5°，都小于設定閾值，需要設置輔助航線進行無人機飛行轉彎。圖7為本文所提出的固定翼無人機電力巡檢航跡布設優化結果，如圖所示，該航跡線在3號桿塔和9號桿塔處有轉折，經量測得夾角度數分別為140.1°和136.1°，符合閾值要求，不需要設置輔助航線。在7號桿塔附近航跡線夾角為104.1°，小于設定閾值，故需要設置輔助航線。實驗結果經由上述關鍵技術計算后得出，本文所提出的航跡優化方法相比于傳統無人機航跡布設方法，所用線路距離短、無人機轉彎次數少、效率高、獲取數據質量好，充分滿足了固定翼無人機電力巡檢航跡布設的要求，取得了相應的預期效果。

圖5 電力線路走向

圖6 傳統航跡線布設結果

圖7 航跡線優化布設結果

4 結語

本文基于電力線巡線任務需求，充分考慮了固定翼無人機電力線路巡檢時航攝數據獲取完整性以及高效性等情況，設計了一種面向固定翼無人機電力線路巡檢航跡布設優化方法，并對廣東省清遠市韶林線路1～11號桿塔的巡檢航線進行了設計實驗。實驗結果表明，本文的固定翼無人機電力巡檢航跡布設優化方法在保證電力走廊數據完整性的前提下，減少了轉彎次數，提高了數據質量及工作效率，可以為固定翼無人機電力巡檢布設出高效、安全的航跡。關于遇到電力線交叉干擾能否安全避障以及固定翼無人機頻繁轉彎代價高，耗費時間長等問題，將在后續進行研究。