幸茂仁

（1.東華理工大學(xué)，江西 南昌 330000）

無人機(jī)航跡規(guī)劃的本質(zhì)是路徑規(guī)劃，即尋找適當(dāng)?shù)姆椒?gòu)成連接起點(diǎn)到終點(diǎn)位置的由序列點(diǎn)或曲線組成的路徑，因此用于航跡規(guī)劃的算法實(shí)際上也就是路徑規(guī)劃算法[1-3]。目前國內(nèi)外學(xué)者提出了許多不同的無人機(jī)航跡規(guī)劃算法，劉佳[4]等針對固定翼無人機(jī)航跡規(guī)劃等問題，提出了一種基于滾動時域控制的模糊粒子群優(yōu)化算法與改進(jìn)人工勢場法相結(jié)合的在線航跡規(guī)劃方法；張宇翔[5]針對低空飛行和高空飛行兩種任務(wù)場景提出了對應(yīng)的航跡規(guī)劃方法，分別設(shè)計了基于遺傳算法和Dubins曲線的最短路徑生成方法以及設(shè)計了基于過渡航點(diǎn)的飛行動作庫調(diào)用規(guī)則，并使用航跡樹動態(tài)搜索的方法，對航跡進(jìn)行全局尋優(yōu)。

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

綜上所述，現(xiàn)有的無人機(jī)航跡規(guī)劃方法在應(yīng)用于設(shè)計時依然存在著一些問題。本文在充分考慮了無人機(jī)性能、任務(wù)要求、及傳感器參數(shù)等因素的前提下，提出了一種面向固定翼無人機(jī)電力巡檢航跡布設(shè)優(yōu)化方法，該方法能夠提高固定翼無人機(jī)獲取數(shù)據(jù)質(zhì)量及工作效率，并且在保證電力走廊數(shù)據(jù)完整性的前提下盡可能減少無人機(jī)繞行轉(zhuǎn)彎的次數(shù)。

1 研究方法

1.1 航跡布設(shè)算法思路

考慮到固定翼無人機(jī)無法懸停，因此固定翼無人機(jī)電力巡檢的航線設(shè)計包含兩部分的內(nèi)容：一是任務(wù)航線的布設(shè)，完成目標(biāo)線路的巡檢工作；二是輔助航線的布設(shè)，用于在電力線轉(zhuǎn)彎處無人機(jī)進(jìn)行繞行掉頭，具體航線設(shè)計步驟如圖1所示。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 線路分段

如圖2所示，{N1，N2，N3，N4，…，NX-1，NX}為一組需要進(jìn)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(jù)影像分辨率要求(GSD)，以及相機(jī)的焦距(f)、像元尺寸大小（a）、像素數(shù)（P）等參數(shù)可以計算出固定翼無人機(jī)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(diǎn)，如圖3所示，坐標(biāo)為N1（x1，y1）、N2（x2，y2）、N3（x3，y3）。

圖3 航跡線示意圖

α12，a13，為相應(yīng)方位角，航跡線L1的方位角為α12，a13平均值，各點(diǎn)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(jī)進(jìn)行完整的巡檢，依次判斷后續(xù)電力線基站到該航線最短距離是否符合條件，直至出現(xiàn)則重新對航跡線進(jìn)行規(guī)劃。

3）規(guī)劃新航跡線需加入首次出現(xiàn)不在航攝范圍內(nèi)的電力線基站點(diǎn)的方位角，重新計算當(dāng)前電力線基站方位角的平均值，根據(jù)新方位角規(guī)劃出相應(yīng)的新航跡線L1′。重復(fù)步驟1、2直至新規(guī)劃的航跡線L1′還是不能符合航攝范圍要求此時進(jìn)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(diǎn)A（x，y），以點(diǎn)A為初始點(diǎn)，求出點(diǎn)A到Nx與Nx+1的方位角，取平均值：

規(guī)劃出相應(yīng)的新航跡線L2，后續(xù)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(shè)

1）規(guī)劃好每一段航跡線后固定翼無人機(jī)就可以從一段航跡進(jìn)入下一段航跡，但需要注意的是，當(dāng)兩段航跡線之間角度較小呈一定的夾角度數(shù)，例如設(shè)定閾值θ=135°，若相鄰兩航跡線的夾角α＜θ，此時無人機(jī)不能直接轉(zhuǎn)彎。為保證無人機(jī)不偏離預(yù)先設(shè)置的航跡線則需要設(shè)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(nèi)切，交于A，B兩點(diǎn)，航跡線Lx與Lx+1交與點(diǎn)C，夾角為α，則：

此時判斷BC≥Lmin，同時判斷航跡轉(zhuǎn)彎角是否滿足條件[8]。

Δθmax為當(dāng)前飛行方向與上一飛行方向的最大轉(zhuǎn)彎角[10-15]。

式中，rmin為最小轉(zhuǎn)彎半徑；Lmin為最小飛行步長。當(dāng)上述條件全部滿足時，無人機(jī)從B點(diǎn)開始轉(zhuǎn)彎，從A點(diǎn)回到預(yù)先設(shè)定航跡線上，按照以上步驟對所有不符合閾值的航跡線進(jìn)行處理[15-16]。

3 實(shí)驗(yàn)與分析

為了驗(yàn)證面向固定翼無人機(jī)電力巡檢的分段航跡布設(shè)方法，本實(shí)驗(yàn)采用廣東省清遠(yuǎn)市，電壓等級為220 V的韶林線的部分桿塔作為巡檢目標(biāo)線路，總長2.72 km，編號從1～11號，地形數(shù)據(jù)采用ASTER GDEM 30M的DEM數(shù)據(jù)，選擇的固定翼無人機(jī)起飛及降落坐標(biāo)為113.16°E，24.43°N。

本文在電力巡檢航跡布設(shè)中所使用的固定翼無人機(jī)各類參數(shù)如下所示。

進(jìn)線距離：200 m轉(zhuǎn)彎半徑；500 m分辨率；20 cm閾值設(shè)置135°。

側(cè)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(shí)驗(yàn)段的電力線路走向圖及對應(yīng)的地形數(shù)據(jù)；圖6為傳統(tǒng)無人機(jī)航跡布設(shè)結(jié)果，根據(jù)設(shè)置的最小轉(zhuǎn)彎角度；3號桿塔處航跡線夾角度數(shù)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(shè)定閾值，需要設(shè)置輔助航線進(jìn)行無人機(jī)飛行轉(zhuǎn)彎。圖7為本文所提出的固定翼無人機(jī)電力巡檢航跡布設(shè)優(yōu)化結(jié)果，如圖所示，該航跡線在3號桿塔和9號桿塔處有轉(zhuǎn)折，經(jīng)量測得夾角度數(shù)分別為140.1°和136.1°，符合閾值要求，不需要設(shè)置輔助航線。在7號桿塔附近航跡線夾角為104.1°，小于設(shè)定閾值，故需要設(shè)置輔助航線。實(shí)驗(yàn)結(jié)果經(jīng)由上述關(guān)鍵技術(shù)計算后得出，本文所提出的航跡優(yōu)化方法相比于傳統(tǒng)無人機(jī)航跡布設(shè)方法，所用線路距離短、無人機(jī)轉(zhuǎn)彎次數(shù)少、效率高、獲取數(shù)據(jù)質(zhì)量好，充分滿足了固定翼無人機(jī)電力巡檢航跡布設(shè)的要求，取得了相應(yīng)的預(yù)期效果。

圖5 電力線路走向

圖6 傳統(tǒng)航跡線布設(shè)結(jié)果

圖7 航跡線優(yōu)化布設(shè)結(jié)果

4 結(jié)語

本文基于電力線巡線任務(wù)需求，充分考慮了固定翼無人機(jī)電力線路巡檢時航攝數(shù)據(jù)獲取完整性以及高效性等情況，設(shè)計了一種面向固定翼無人機(jī)電力線路巡檢航跡布設(shè)優(yōu)化方法，并對廣東省清遠(yuǎn)市韶林線路1～11號桿塔的巡檢航線進(jìn)行了設(shè)計實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文的固定翼無人機(jī)電力巡檢航跡布設(shè)優(yōu)化方法在保證電力走廊數(shù)據(jù)完整性的前提下，減少了轉(zhuǎn)彎次數(shù)，提高了數(shù)據(jù)質(zhì)量及工作效率，可以為固定翼無人機(jī)電力巡檢布設(shè)出高效、安全的航跡。關(guān)于遇到電力線交叉干擾能否安全避障以及固定翼無人機(jī)頻繁轉(zhuǎn)彎代價高，耗費(fèi)時間長等問題，將在后續(xù)進(jìn)行研究。