彭 赤，楊 磊，周小紅，石書山，陳科羽，謝 春

（1.貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司生產(chǎn)技術(shù)部，貴陽550002；2.貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司 輸電運行檢修分公司，貴陽550002）

引 言

平原地區(qū)地勢平坦，各個桿塔海拔高度相近，可以設(shè)置一等高面進行2維路徑規(guī)劃。而山區(qū)環(huán)境地勢起伏不定，各個桿塔處于不同海拔高度，無人機巡檢路徑應(yīng)為3維路線，故山區(qū)環(huán)境下需要進行無人機3維路徑規(guī)劃。無人機搭載激光傳感器掃描獲得山區(qū)電力走廊空間點云數(shù)據(jù)。在點云數(shù)據(jù)中進行快速路徑規(guī)劃，可以保證無人機山區(qū)環(huán)境巡檢的安全性與準(zhǔn)確有效性。

本文中主要研究內(nèi)容為基于山區(qū)環(huán)境的無人機激光掃描路徑規(guī)劃。研究無人機機載激光傳感器的特性，分析激光傳感器性能參量（包括測量角度θ、最大測量距離d等），針對傳感器特性抽象其測量模型。通過輸入桿塔坐標(biāo)，結(jié)合激光傳感器特性，規(guī)劃生成最優(yōu)路徑，有效提升飛行效率。

1 國內(nèi)外現(xiàn)狀

隨著微機電技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，無人機成本顯著降低。20世紀(jì)80年代以來，計算機技術(shù)不斷成熟，無人機應(yīng)用在西方國家開始普及，例如無人機機載雷達應(yīng)用［1］、無人機托管通信［2］、無人機容錯控制［3］、無人機導(dǎo)航［4］、無人機位置自適應(yīng)調(diào)整［5］、無人機檢測［6］、無人機系統(tǒng)故障自檢［7］、無人機系統(tǒng)識別［8］、無人機搜索救援應(yīng)用［9］等。根據(jù)歐洲無人機研究預(yù)測，在未來30年內(nèi)，無人機市場將在農(nóng)業(yè)、能源、公共安全／保安、電子商務(wù)／交付、移動和運輸?shù)阮I(lǐng)域迅猛發(fā)展。例如，在參考文獻［10］中，提出在室外農(nóng)田運用無人機（unmanned aerial vehicle，UAV），安裝各種傳感器實現(xiàn)自動采集和處理不同的信號。在參考文獻［11］中，介紹了無人機近景攝影的運用以及圖像的處理。在參考文獻［12］中，重點研究利用多旋翼無人機進行基礎(chǔ)設(shè)施檢測的問題。

無人機路徑規(guī)劃問題是無人機系統(tǒng)的重要研究應(yīng)用，目標(biāo)是根據(jù)設(shè)定的性能指標(biāo)，比如航跡代價最小原則，即在規(guī)劃空間中搜索出一條符合性能指標(biāo)的最優(yōu)路徑。20世紀(jì)80年代以來，我國對無人機路徑規(guī)劃開展深入研究，如今在無人機動態(tài)路徑規(guī)劃［13］、無人機技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與法律障礙［14］、無人機發(fā)展趨勢［15］、無人機測繪應(yīng)用［16］、無人機輸電線路巡檢應(yīng)用［17］、無人機3維航跡規(guī)劃研究［18］、無人機軍事與民用領(lǐng)域應(yīng)用［19］、無人機系統(tǒng)研究［20］等領(lǐng)域取得一定突破。南京航空航天大學(xué)的HU博士對無人機靜態(tài)航跡規(guī)劃、突發(fā)威脅下航跡規(guī)劃、無人機多機協(xié)同航跡規(guī)劃及航跡平滑等關(guān)鍵技術(shù)做了較深入的研究［21］。西北工業(yè)大學(xué)的BA博士對航空數(shù)字地圖及在線實時路徑規(guī)劃算法，在線突然威脅回避等領(lǐng)域進行了研究探索［22］。華北電力大學(xué)的YANG教授對有障礙物的2維簡單環(huán)境、3維復(fù)雜環(huán)境兩種情況下的電力桿塔巡檢規(guī)劃問題進行了深入探討［23］。隨著任務(wù)復(fù)雜度不斷增加，我國路徑規(guī)劃技術(shù)向智能化的、可實時在線優(yōu)化的方向發(fā)展，進一步縮小與國外先進水平的差距。

2 飛行環(huán)境的空間約束模型

如圖1所示，設(shè)置桿塔塔高為h，無人機飛行高度hw，傳感器測量最大測量距離為d，安全冗余距離為s，傳感器與地面距離dw，無人機與桿塔連線水平面上垂直距離為w。為保證無人機飛行安全與測量有效性，應(yīng)該滿足以下約束條件：

Fig.1 Constraint space

飛行約束空間并不是靜態(tài)的，而是隨著無人機與山區(qū)環(huán)境的相對高度而變化。飛行約束環(huán)境核心是求取出無人機在此位置下與山區(qū)環(huán)境地面的相對高度，進而利用上述公式求取飛行約束環(huán)境。為了保證無人機飛行軌跡穩(wěn)定，本文中設(shè)置多旋翼無人機飛行相對高度穩(wěn)定為hw。

約束空間建模核心在于使無人機激光掃描區(qū)域與桿塔檢測區(qū)域相重合，需要考慮測量距離、飛行高度、橫向距離等因素，構(gòu)建優(yōu)化約束條件如前面所示。其中測量地面目標(biāo)最大距離dw限定小于傳感器測量最大有效距離d，保證激光掃描能夠收集到地面信息。無人機相對飛行高度hw保持定值，避免無人機飛行過低撞上桿塔的情況。無人機橫向距離w小于當(dāng)前飛行高度對應(yīng)的最大橫向距離，限制無人機飛行的偏移量以優(yōu)化路徑航程大小。

3 無人機山區(qū)環(huán)境激光掃描路徑規(guī)劃

3.1 激光傳感器特性

激光傳感器的測量角度范圍、測量距離、激光波長等參量的不同，無人機搭載激光傳感器的測量范圍與效果也不同［24］，存在一個有效測量區(qū)間。進行無人機激光掃描路徑規(guī)劃，需要保證激光傳感器有效測量區(qū)間與電力走廊空間相重合。因此，本文中研究激光傳感器最大測量距離d與測量角度θ等特性，定義無人機與垂直距離w、無人機測量桿塔的最大距離R作為規(guī)劃路徑限制指標(biāo)（如圖2所示）。

Fig.2 Effective measurement interval of the laser sensor

傳感器最大測量距離d限制無人機與桿塔的垂直距離 w的范圍。本文中設(shè)置（Sx，Sy），（Gx，Gy），（Nx，Ny）分別為兩個桿塔和無人機的xy軸坐標(biāo)。如圖3所示，首先求取無人機與兩個桿塔之間的水平面上的距離l1，l2，以及兩個桿塔之間的距離l3。利用3個邊的關(guān)系可以求得無人機與兩個桿塔連線的垂直距離w：

Fig.3 Horizontal distance

傳感器測量角度θ與最大測量距離d限制無人機測量桿塔的最大距離R的大小，如圖4所示。設(shè)置無人機飛行高度為hw、無人機測量桿塔的最大距離R與傳感器測量角度θ、最大測量距離d關(guān)系如下：

Fig.4 Maximum distance

將無人機測量桿塔的最大距離R作為電線桿塔吸引域的半徑，無人機到達吸引域中任意一點均可保證桿塔檢測有效性，如圖5所示。

Fig.5 Attraction domain of pole tower

本文中研究 Velodyne VLP-16，RS-LiDAR-16，HDL-32E 3種激光傳感器的特性，進行路徑規(guī)劃。激光傳感器如圖6所示，相關(guān)參量如表1所示。

Fig.6 Three kinds of laser sensorsa—Velodyne VLP-16 b—RS-LiDAR-16 c—HDL-32E

Table 1 Laser sensor parameters

3.2 航程約束

無人機路徑規(guī)劃需要考慮無人機的飛行航程問題。為保證無人機安全執(zhí)行巡檢任務(wù)，無人機需要在一定時間內(nèi)完成任務(wù)并返航。定義最大航程lmax，進行無人機路徑規(guī)劃時計算前往下一個目標(biāo)點并開始返航的航程是否超限。如果超限，規(guī)劃無人機從此刻目標(biāo)點立即返航，否則繼續(xù)規(guī)劃前往下一個目標(biāo)點［25］。規(guī)劃軌跡li與最大航程關(guān)系如下所示：

式中，（xi，yi，zi）為當(dāng)前無人機位置坐標(biāo)，（xs，ys，zs）為無人機路徑規(guī)劃起始點。

3.3 路徑代價函數(shù)

路徑代價函數(shù)是無人機路徑規(guī)劃的重要評價指標(biāo)，作用是保證無人機飛行的高效性與安全性。無人機飛行路徑代價與航跡長度、終點距離兩個因素相關(guān)聯(lián)。進行無人機路徑規(guī)劃，既要考慮航跡長度大小，也要考慮與終點距離因素。

設(shè)置第i段無人機飛行路徑代價函數(shù)如下所示：

式中，∑li表示從起始點到第i個位置點的所有軌跡段長度之和；lgoal表示第i個位置點到終點的距離；k為權(quán)重系數(shù)，在（0，1）范圍內(nèi)。

3.4 規(guī)劃算法

結(jié)合激光傳感器特性，使用DIJKSTRA算法與人工勢場法混合算法進行路徑規(guī)劃。DIJKSTRA算法進行全局規(guī)劃，從起始點出發(fā)，逐步生成下一個轉(zhuǎn)移點直至終點，保證路徑經(jīng)過所有桿塔目標(biāo)點。同時使用人工勢場法進行局部優(yōu)化，計算桿塔對無人機的引力作用調(diào)整規(guī)劃路徑。規(guī)劃流程如下所示：（1）加載桿塔目標(biāo)點位置與環(huán)境信息，對山區(qū)環(huán)境離散化；（2）使用DIJKSTRA算法進行全局路徑規(guī)劃，綜合考慮代價函數(shù)最小原則以及無人機與桿塔的垂直距離w的限制；（3）使用人工勢場法按桿塔先后順序進行局部優(yōu)化，計算桿塔吸引域內(nèi)吸引力最小的點作為新的目標(biāo)點；（4）再次使用DIJKSTRA算法進行全局路徑規(guī)劃，更新規(guī)劃路徑；（5）判斷是否優(yōu)化完所有桿塔目標(biāo)點，若未完成則返回第（2）步；（6）輸出最優(yōu)規(guī)劃路徑。

4 實驗驗證

在MATLAB平臺上進行實驗，驗證結(jié)合傳感器測量特性的路徑規(guī)劃方法的有效性與正確性。將實驗分為無人機不結(jié)合傳感器測量特性的路徑規(guī)劃、無人機結(jié)合Velodyne VLP-16激光傳感器特性的路徑規(guī)劃、無人機結(jié)合RS-LiDAR-16激光傳感器特性的路徑規(guī)劃、無人機結(jié)合HDL-32E激光傳感器特性的路徑規(guī)劃4種情況，實驗硬件條件為：Intel i5-7200U CPU與4.00GB RAM。

無人機不結(jié)合傳感器測量特性進行路徑規(guī)劃，規(guī)劃路徑總長度lall＝570.9212m，規(guī)劃路徑如圖7所示。

Velodyne VLP-16激光傳感器最大測量距離d＝100m，最大測量角度 θ＝15°，規(guī)劃路徑總長度 lall＝527.6188m，規(guī)劃路徑如圖8所示。

Fig.7 Planned path without sensora—top vie—side view

Fig.8 Planned path with Velodyne VLP-16 sensora—top vie—side view

RS-LiDAR-16激光傳感器最大測量距離 d＝150m，最大測量角度θ＝15°，規(guī)劃路徑總長度 lall＝507.0738m，規(guī)劃路徑如圖9所示。

HDL-32E激光傳感器最大測量距離d＝100m，最大測量角度θ＝30°，規(guī)劃路徑總長度lall＝494.8212m，規(guī)劃路徑如圖10所示。

4種情況實驗結(jié)果如圖11所示。

Fig.9 Planned path with RS-LiDAR-16 sensora—top vie—side view

Fig.10 Planned path with HDL-32E sensora—top vie—side view

Fig.11 Results of the experiment

由此可知，與未結(jié)合傳感器特性的規(guī)劃路徑長度相比較，結(jié)合Velodyne VLP-16激光傳感器測量特性的規(guī)劃路徑長度減少優(yōu)化了7.58%；結(jié)合RS-LiDAR-16激光傳感器測量特性的規(guī)劃路徑優(yōu)化長度減少了11.18%；結(jié)合HDL-32E激光傳感器測量特性的規(guī)劃路徑優(yōu)化長度減少了13.33%；驗證了山區(qū)激光掃描路徑規(guī)劃方法的有效性和正確性。

5 結(jié) 論

實現(xiàn)了一種結(jié)合傳感器測量特性的路徑規(guī)劃方法。由實驗驗證可得：結(jié)合Velodyne VLP-16，RS-Li-DAR-16，HDL-32E 3種激光傳感器的最大測量距離d以及測量角度θ等特性進行路徑規(guī)劃，規(guī)劃優(yōu)化效果分別達到了7.58%，11.18%，13.33%。在山區(qū)環(huán)境中，根據(jù)桿塔之間豎直方向的相對位置關(guān)系，結(jié)合傳感器測量特性，對桿塔目標(biāo)點的高度改變Δh，規(guī)劃路徑的長度發(fā)生明顯變化。因此，為了進一步提高規(guī)劃優(yōu)化效果，后續(xù)可加入桿塔目標(biāo)點高度變化Δh的影響，將桿塔吸引域優(yōu)化為3維球狀吸引域，從而對桿塔目標(biāo)點進行3維空間內(nèi)的位置優(yōu)化，進一步縮短規(guī)劃路徑長度，提高飛行的效率。