廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院 黃志都 崔志美

近年來，無人機技術(shù)飛速發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域?qū)拸V，在輸電線路巡檢方面運用十分普遍。隨著無人機執(zhí)行任務(wù)環(huán)境的復(fù)雜化、任務(wù)多樣化、任務(wù)范圍擴大化，采用多平臺無人機集群協(xié)同工作成為無人機執(zhí)行任務(wù)的主要形式[1]。

無人機集群協(xié)同執(zhí)行任務(wù)需考慮無人機編隊，對無人機編隊的方法及控制展開研究，無人機編隊執(zhí)行任務(wù)既能提高作業(yè)效果，又能在單機故障時，其他無人機替代其任務(wù)，確保任務(wù)計劃的完成。文獻[2]研究了無人機編隊的航線規(guī)劃，提出了無人機編隊航線規(guī)劃應(yīng)考慮的約束條件，給出了具體的方法。文獻[3]研究實現(xiàn)了基于差分進化算法的無人集群協(xié)同航線規(guī)劃，并確保了航行的安全和任務(wù)的完成。

根據(jù)已有的研究表明：將多架次無人機編組，讓其協(xié)同開展輸電線路巡線任務(wù)，既能降低單架次無人機的損壞概率，同時還能增大多單次巡線的效果及執(zhí)行任務(wù)的時間。因此，無人機組隊聯(lián)合執(zhí)行輸電線路巡線任務(wù)是一個研究的熱門方向。執(zhí)行任務(wù)時，若個別無人機出現(xiàn)故障，其他單機可迅速替代故障無人機機完成預(yù)先設(shè)定的任務(wù)計劃，由此可知，多架次無人機組隊出行執(zhí)行任務(wù)時，對提高系統(tǒng)的魯棒性和容錯性效果明顯，可更好的完成任務(wù)計劃。

隨著科技的發(fā)展，無人機航線規(guī)劃的方法取得重大突破，主要有下述幾種：（1）根據(jù)預(yù)先制定的規(guī)則將自由的空間表示成一個網(wǎng)絡(luò)圖，該網(wǎng)絡(luò)圖由多個一維線段組成，再選用某種搜索算法進行航線規(guī)劃圖形的航線規(guī)劃算法；（2）基于路徑優(yōu)化的航線規(guī)劃算法，因無人機六自由度機動特性和易損毀性的熱電，所規(guī)劃出的航線應(yīng)該滿足空間可行性，因此其求解結(jié)果應(yīng)該是一條曲率滿足無人機性能且平滑路線；（3）基于群智能的航線規(guī)劃算法,該方法目前運用相對較多；（4）基于數(shù)值方法的航線規(guī)劃算法,該方法群智能算法的基礎(chǔ)上考慮了無人機動力學(xué)模型，規(guī)劃結(jié)果可以控制系統(tǒng)的參考指令，降低了控制難度。

文中針對上述研究，針對輸電線路采用無人機巡檢的模式，闡述了輸電線路異地面站無人機集群協(xié)同執(zhí)行任務(wù)航線規(guī)劃的約束條件，在保持異地面控制站無人機航線通信的基礎(chǔ)上，將多約束條件進行轉(zhuǎn)化，采取SaDE算法對航線進行規(guī)劃。

1 概述

無人機航跡規(guī)劃是需要全面考慮、布局、優(yōu)化，在復(fù)雜空間環(huán)境下，綜合各種約束條件，規(guī)劃出無人機飛行的最佳路徑。在執(zhí)行任務(wù)的初期，某編隊無人機群從某一地面控制站起飛，另一編隊無人機群從另一地面控制站起飛，經(jīng)過一段路徑飛行后，安全到達指定任務(wù)區(qū)域執(zhí)行任務(wù)。無人機集群協(xié)同航線規(guī)劃問題，是指兩異地控制站無人機集群以起飛位置為起點，以到達任務(wù)區(qū)域為終點，全面考慮威脅規(guī)避、碰撞沖突、通信連接、到達時間等諸多因素，形成航跡性能達到最優(yōu)的集群航行路徑，從而使集群平臺能夠安全、快速地到達任務(wù)區(qū)域。

2 約束條件

2.1 無人機性能約束[2]

無人機性能約束主要有以下幾點，一是無人機最大飛行距離；二是無人機水平飛行時如何改變航向；三是俯仰角約束，當(dāng)無人機在某空間平面執(zhí)行任務(wù)時，若受所處位置地形或其他障礙物影響時，無人機需要向上或向下調(diào)整姿態(tài)，此時會與地面形成一個夾角，此夾角即為俯仰角，它對于航線的規(guī)劃和無人機飛行安全至關(guān)重要；四是飛行高度的約束，在無人機集群航行時，應(yīng)確保其離地最小距離，以免發(fā)生碰撞，威脅無人機飛行安全。

2.1.1 最大飛行距離

無人機最大飛行距離是根據(jù)電池續(xù)航能力決定，如圖1所示，無人機航線由n個航線點構(gòu)成，在某段航程的里程為Lx，則總的續(xù)航里程L可表達為：

圖1 無人機航線軌跡

2.1.2 俯仰角約束

俯仰角是無人機與地面的夾角，如圖2所示，φmax為最大俯仰角。通常無人機保持在某一水平面航行，若收障礙物或地線約束時，需要向上或向下改變飛行姿態(tài)和高度，為保證無人機的飛行安全，在航線規(guī)劃時必須考慮俯仰角小于最大俯仰角φmax，假設(shè)比鄰兩點航線高度差為|hi－h(huán)i－1|，則俯仰角可表達為：

圖2 俯仰角約束示意圖

2.1.3飛行高度約束

在無人機編隊飛行的過程中，應(yīng)保證無人機與地面最小離地高度，從而避免因飛行過低與地面發(fā)生碰撞。為了保證無人機巡線過程中激光雷達能清晰掃描到被測物，無人機飛行高度也不應(yīng)過高。為保證無人機飛行安全，需要對無人機編隊的飛行高度加以約束。設(shè)hi表示第i段航線的飛行高度，hmin表示最低飛行高度，hmax表示最大飛行高度，該約束表示為：

2.2 威脅約束

2.2.1 碰撞約束

異地面站無人機集群協(xié)同飛行執(zhí)行任務(wù)需要考慮集群在空間域、時間域上的協(xié)同關(guān)系，時間協(xié)同關(guān)系可通過調(diào)度平臺調(diào)度無人機集群同時出發(fā)時間實現(xiàn)，此時再考慮空間域來判斷碰撞沖突、通信保持的約束關(guān)系。對于無人機集群協(xié)同飛行航線的規(guī)劃問題，異地面站平臺之間發(fā)生碰撞的可能極大，因此需要考慮平臺之間的安全半徑。對于碰撞沖突的判斷需要從航行空間、時間耦合角度進行綜合判斷。通過確定到達時間對齊、調(diào)整出發(fā)時間的實時序關(guān)系確保無人機集群的同時到達目的地，再考慮空間碰撞沖突問題，由圖3所示時序關(guān)系圖，結(jié)合文獻[3]的研究可對航線規(guī)劃存在的碰撞沖突進行判斷。

圖3 碰撞檢查時序關(guān)系圖

2.2.2 地理圍欄約束

異地面無人機集群在執(zhí)行任務(wù)時，各控制站平臺無人機幾圈要始終在設(shè)定的航線范圍內(nèi)飛行，禁飛出航線范圍之外的領(lǐng)域，與此同時，還應(yīng)考慮防止飛行至進入禁入地理區(qū)域。文獻[4]闡述了無人機集群平臺的航跡與圓形、多邊形地理圍欄之間的關(guān)系。對于圓形地理圍欄，若想判斷異地面平臺和地理圍欄之間的位置關(guān)系，可通過確認(rèn)點與圓心的距離判斷；對于多邊形地理圍欄，若想判斷異地面平臺和地理圍欄之間的位置關(guān)系，往往是通過已有的經(jīng)典幾何方法來確認(rèn)。

2.2.3 轉(zhuǎn)彎約束

在執(zhí)行輸電線路巡線過程前，對無人機集群航跡規(guī)劃時，還應(yīng)該考慮平臺轉(zhuǎn)彎機動約束，生產(chǎn)的航跡應(yīng)確保滿足滿足平臺的機動特性。如圖4所示，為相鄰的3個路徑點，假如3個路徑點的距離較遠(yuǎn)，航段間的夾角就很大，無人機完成轉(zhuǎn)彎時的半徑就會大于平臺的最小轉(zhuǎn)彎半徑；假如3個路徑點的距離較近，航段間的夾角就很小，無人機完成轉(zhuǎn)彎時的半徑就會小于平臺的最小轉(zhuǎn)彎半徑。由此可以確認(rèn)，無人機轉(zhuǎn)彎半徑對3個路徑點的位置關(guān)系存在約束。

圖4 無人機轉(zhuǎn)彎半徑示意圖

2.2.4 通信約束

輸電線路異地面站無人機集群協(xié)同執(zhí)行任務(wù)的能力需要在可靠的通信網(wǎng)絡(luò)條件下完成，無人機協(xié)同完成任務(wù)的關(guān)鍵條件是彼此之間保持良好的通信連接，在執(zhí)行多任務(wù)、復(fù)雜的航線條件下表現(xiàn)得尤為突出。

異地面控制站無人機集群與單地面控制站集群不同，A地面控制站集群與B地面控制站集群不僅需要保持群內(nèi)之間的通信連接，A、B控制站之間也需保持通信連接，即A、B地面控制站之間保存空間通信鏈接正常。因不同控制站平臺之間的通信能力不同、平臺之間的距離不同，在航跡規(guī)劃時需要考慮不同控制站平臺之間的通信范圍，從而使跨域地面控制站無人機系統(tǒng)通信連接暢通。

3 航線規(guī)劃問題

基于上述約束條件，可以通過SaDE算法對輸電線路異地面控制站無人機集群航線進行優(yōu)化，以生產(chǎn)最優(yōu)的航跡。首先對路徑進行編碼。然后對產(chǎn)生的初始種群進行代數(shù)初始化，根據(jù)地理圍欄約束信息，確定各路徑點的空間，再確定邊界；最后通過計算適應(yīng)度函數(shù)進行進化操作。在優(yōu)化初始階段，需要考慮并尋找符合約束條件、盡可能多的“可行航跡”，變異算子需要設(shè)置足夠大，主要是提高種群的多樣性和防止“早熟”現(xiàn)象的發(fā)生；在優(yōu)化后期，重點是考慮在“可行航跡”中尋求最合理的航跡，此時變異算子應(yīng)設(shè)置較小，以便將精度提高至最優(yōu)。最后通過仿真試驗，確定異地面控制站無人機集群的初始信息，得出航跡規(guī)劃結(jié)果，通過航跡優(yōu)化函數(shù)與迭代次數(shù)關(guān)系曲線、無人機集群航線時序關(guān)系、異地面控制站間最小距離與最大距離隨時間變化的曲線進行驗證分析。

4 結(jié)語

無人機集群協(xié)同執(zhí)行輸電線路巡線任務(wù)約束條件諸多，可通過合理的航跡規(guī)劃能使其安全航行并高效完成任務(wù)。在異地面控制站無人機集群協(xié)同工作時，在考慮文中所述約束條件時，必須引入相關(guān)算法進行優(yōu)化求解，已得到最優(yōu)的航跡。