基于改進RRT 的輸電線路無人機自動巡檢方法

甘鵬，方 博，李 博，張凱林，劉堯華

（中國南方電網有限責任公司超高壓輸電公司培訓與評價中心，廣東廣州 510000）

RRT 算法是以填量處理為基礎建立的隨機采樣型運動規劃算法，可借助隨機目標點向外擴散鄰近節點，從而完成對整個路徑空間的探索。該算法在運算過程中優先考慮因微分約束條件產生的多維度問題，基本不會出現與傳統規劃算法類似的維度災難情況，一方面可有效規劃運動物體的行進路徑，另一方面也可實現對運動體行進狀態的合理調節[1-2]。大多數情況下，經過RRT 算法處理后的運動路徑可直接應用于各類巡檢系統中，為電力巡檢任務的開展提供了便捷。

電力巡檢通過故障點排查的方式，排除了電力系統的潛在隱患，從而保障了輸電線路的安全運行能力。在無人機技術的支持下，電力巡檢的人力投入量得到了有效控制，且各項線路任務也可得到快速、安全地執行。傳統三維巡檢方法依靠三維模型，收集監控設備回傳的即時狀態數據，再通過電力專業分析，計算得到弧垂變化量等關鍵指標參量。然而此方法對于無人機設備自動飛行路徑的規劃能力有限，很難在預定時間內完成各項線路巡檢任務。為解決上述問題，提出基于改進RRT 的輸電線路無人機自動巡檢方法，借助運動度量函數，分析無人機設備的飛行特性，再通過巡檢數據采集的方式，得到最終的地面數據處理結果。

1 基于改進RRT的無人機運動規劃

基于改進RRT 算法的無人機運動規劃包含目標偏好設置、局部極小值計算、運動度量函數建立三個處理環節，具體分析方法如下。

1.1 目標偏好設置

在RRT 算法的擴展過程中，輸電線路目標偏好是指傳輸電子對于電流、電壓等電信號的控制需求，通常情況下，為適應無人機設備的自動巡檢需求，電流、電壓等電信號的物理數值水平越高，輸電線路目標偏好的指向性也就越明顯[3-4]。在不考慮其他干擾條件的情況下，輸電線路目標偏好設置結果受到巡檢區域、電信號傳輸速率兩項物理量的直接影響。巡檢區域由上限參量en、下限參量e0兩部分共同組成，其中n表示單位時間內的無人機飛行旋轉次數。電信號傳輸速率可表示為f，在RRT 算法作用下，該項物理指標的數值量越大，最終所得的目標偏好指令也就越符合實際應用需求。聯立上述物理量，可將基于改進RRT 算法的輸電線路目標偏好設置結果表示為：

其中，u1、u2分別代表兩個不同的輸電量特征值，代表既定的輸電量限制條件。

1.2 局部極小值計算

局部極小值是一個相對籠統的物理概念，在輸電線路環境中，受到無人機巡檢飛行能力的影響，原有RRT 算法的改進趨勢越發明顯，與無人機設備相關的巡檢處置范圍也就越廣泛[5-6]。規定在一個完整的自動巡檢飛行周期內，無人機設備的起始巡檢位置為r0、終止巡檢位置為rn，兩者之間存在無數的巡檢障礙物，且隨著飛行速度的不斷加快，原始RRT 算法的改進能力也在逐漸增強。在此情況下，輸電線路中的感應電子量能夠連續保持長時間的自主傳輸狀態，且位于不同信道之間的電子感應能力也不會互相干擾。在上述物理量的支持下，聯立式（1），可將無人機輸電線路的局部極小值定義為：

其中，H代表原始RRT 算法的改進應用系數，ΔT代表無人機設備的單位巡檢時長，α代表冪次項拆分系數，代表單位時間內的無人機巡檢速率均值。

1.3 運動度量函數建立

運動度量函數可在局部極小值的基礎上，對無人機設備在輸電線路中的巡檢飛行能力進行限定，一方面滿足電量主機對于電壓、電流等電子信號的控制需求，另一方面也可使得RRT 算法的改進執行壓力得到較好緩解。從宏觀角度來看，運動量函數能夠覆蓋整個無人機自動巡檢飛行空間，且隨著飛行速度的加快，運動量函數的應用能力也會逐漸增強，直至將所有電量信號全部轉存于輸電線路結構體中[7-8]。設β代表既定的巡檢系數項，由于RRT 改進算法的存在，一般情況下，該項物理量的數值水平越高，最終計算所得的運動度量函數值也就越小。聯立式（2），可將無人機自動巡檢過程中的運動度量函數定義為：

其中，代表電子信號的傳輸均值量，g代既定的巡檢量系數特征值，代表關鍵的電量傳輸系數。

2 輸電線路無人機自動巡檢方法

在改進RRT 算法的支持下，按照無人機特性分析、巡檢數據采集、地面數據處理的操作流程，完成輸電線路無人機自動巡檢方法的搭建與設計。

2.1 無人機特性分析

無人機是以無線遙控程序為導航系統的飛行器設備，由于結構形式的不同，不同類型無人機設備所具備的飛行能力也有所不同。在自動巡檢任務的執行過程中，單翼螺旋槳可提供無人機設備所需的電量動力，并可使設備結構體按照預設軟件程序完成常規巡檢任務[9-10]。受到改進RRT 算法的影響，無人機設備在輸電線路中具備較長時間的續航能力，且可在執行巡檢任務的同時，將傳輸電量轉換成電流或電壓信號的應用形式，從而使得輸電線路中的電量存儲需求得到較好滿足[11]。總的來說，隨著無人機設備巡檢覆蓋面積的增大，設備結構體自身對于電量信號的處理能力也會逐漸增強。無人直升機自動巡檢如圖1 所示。

圖1 無人直升機自動巡檢

2.2 巡檢數據采集

巡檢數據采集需要在無人機設備的作用下，對輸電線路環境中的電量傳輸信號進行妥善安排，不僅可使線路電阻兩端的物理電壓數值得到有效控制，也可使得輸電線路網絡中的傳輸電流水平快速趨于相對穩定的數值存在狀態[12-13]。在改進RRT 算法的支持下，輸電線路環境中存儲的電信號數值量越大，無人機設備所具備的巡檢飛行能力也就越強。設代表輸電線路環境中的電量信號存儲特征值，由于改進RRT 算法的存在，該項物理量的數值結果越大，輸電線路主機所能采集到的無人機巡檢數據采集量也就越多。在上述物理量的支持下，聯立式（3），可將巡檢數據采集結果表示為：

式中，k表示巡檢電量信號的輸電存儲系數，ξ代表輸電線路網絡中的關鍵電量巡檢處理指標。

2.3 地面數據處理

地面數據處理是輸電線路無人機自動巡檢方法搭建過程中的末尾操作環節，可在已知巡檢數據采集結果的基礎上，對RRT 算法的改進目標進行重新規劃，從而使得無人機設備能夠采集到更多的自動巡檢信息參量[14]。所謂地面數據是指輸電線路環境中，由地表電信號處理元件輸出的傳輸電量數據，在無人機巡檢環境中，地表電信號處理元件負載的處置指令極多，一方面可在改進RRT 算法的作用下，更改無人機設備的原有巡檢飛行形式，另一方面也可實現對傳輸電子量的準確劃分[15-16]。設代表單位時間內地表電信號處理元件輸出的電信號均值量，μ代表基于改進RRT 算法的巡檢任務提取量，在上述物理量的支持下，聯立式（4），可將地面數據處理結果表示為：

其中，ω代表與地表電信號處理元件匹配的巡檢指令處置權限，代表單位時間內的無人機自動巡檢指令特征值。至此，實現各項物理系數指標的計算與處理，在改進RRT 算法的支持下，構建輸電線路無人機自動巡檢模型，其表達式為：

根據上述巡檢模型，獲取輸電線路無人機自動巡檢結果，以完成輸電線路無人機自動巡檢方法的搭建與應用。

3 實驗結果分析

將固定型號的無人機設備放置于圖2 所示的輸電線路環境中，通過人工干預的方法，控制無人機設備的實際飛行方向，多次調試，直至無人機飛行器的行進速率完全趨于穩定。在此情況下，截取大量數據信息參量，以用于后續的實驗研究與分析。其中，實驗組電量主機配置基于改進RRT 的輸電線路無人機自動巡檢方法，對照組主機配置傳統三維巡檢方法。

圖2 無人機輸電巡檢項目

KRS 指標描述了輸電線路主機對于無人機設備自動飛行路徑的處理與規劃能力，在不考慮其他干擾條件的情況下，KRS 指標數值越大，輸電線路主機對于無人機設備自動飛行路徑的規劃能力也就越強。表1 記錄了實驗組、對照組KRS 指標的具體數值情況。

表1 KRS指標數值對比

表1 中，實驗組KRS 指標始終保持不斷上升的數值變化趨勢，但從第35 min 開始，數值指標的上升幅度明顯增大；對照組KRS 指標則保持先上升、再穩定、最后持續下降的數值變化趨勢，且實驗前期的數值上升幅度與實驗后期的數值下降幅度并沒有明顯區別。從極限值的角度來看，實驗組最大值88.4%與對照組最大值48.9%相比，上升了39.5%。

UUT 指標記錄了電力巡檢任務中的實際人力投入量情況，一般來說，UUT 指標的數值水平越小，電力巡檢任務中的人力投入量水平也就越低，反之則越高。表2 記錄了實驗組、對照組UUT 指標的實際數值記錄情況。

表2 UUT指標數值對比

表2 中，實驗組UUT 指標在一段時間的數值波動狀態后，開始逐漸趨于穩定下降的數值變化趨勢。對照組UUT 指標則在連續的數值上升狀態后，開始逐漸呈現小幅波動的數值變化情況。整個實驗過程中，實驗組最大值35.8%與對照組最大值66.7%相比，下降了30.9%。

綜上可知，應用基于改進RRT 的輸電線路無人機自動巡檢方法后，不但可以促進KRS 指標數值的不斷提升，也可在此基礎上，抑制UUT 指標的數值上升趨勢，從主觀方面來講，輸電線路主機對于無人機設備自動飛行路徑的處理與規劃能力增強，能夠帶動電力巡檢任務中人力投入量水平的減小，符合無人機巡檢任務的設置初衷。

4 結束語

與傳統三維巡檢方法相比，輸電線路無人機自動巡檢方法聯合改進RRT 算法，通過設置輸電量目標偏好的方式，建立完整的運動度量函數，再借助已采集的巡檢數據參量，實現對地面數據的準確處理。從實用性角度來看，KRS 指標數值增大、UUT 指標數值減小的同時出現，可在提升輸電線路主機對于無人機設備自動飛行路徑處理與規劃能力的基礎上，控制電力巡檢任務中的人力投入量情況，從而安全、快速地完成各項線路巡檢任務。