謝曉剛

（江西中電投新能源發(fā)電有限公司，江西南昌 310000）

輸電線(xiàn)路普遍架設(shè)在野外，覆蓋面大、分布較廣，無(wú)人機(jī)在開(kāi)展輸電線(xiàn)路巡檢工作時(shí)，會(huì)受到輸配電線(xiàn)路桿塔、樹(shù)木、建筑等障礙物的影響，無(wú)法有效完成巡檢目標(biāo)[1]。因此，對(duì)輸電線(xiàn)路巡檢路徑進(jìn)行調(diào)度優(yōu)化十分重要。朱程雯等[2]首先構(gòu)建無(wú)人機(jī)巡檢環(huán)境模型，然后通過(guò)蟻群算法獲取巡檢路徑，再運(yùn)用GPS 定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)巡檢路徑的調(diào)度；賀井然等[3]通過(guò)最大最小距離乘積的方法對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將K均值聚類(lèi)方法融入到人工蜂群計(jì)算方法中，獲取到優(yōu)化后的人工蜂群計(jì)算方法，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)路徑的規(guī)劃。上述兩種方法對(duì)巡檢路徑起到了規(guī)劃作用，但在合理性和準(zhǔn)確度上略有不足，為此，該文提出基于機(jī)器視覺(jué)的輸電線(xiàn)路巡檢路徑三維自適應(yīng)調(diào)度模型。

1 輸電線(xiàn)路巡檢路徑三維自適應(yīng)調(diào)度模型

輸電線(xiàn)路巡檢路徑三維自適應(yīng)調(diào)度模型架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 輸電線(xiàn)路巡檢路徑三維自適應(yīng)調(diào)度模型架構(gòu)

1.1 基于機(jī)器視覺(jué)的輸電線(xiàn)路圖像采集和拼接

輸電線(xiàn)路圖像采集和拼接處理步驟如下：

1）采集并提取攝像機(jī)成像圖像特征點(diǎn)。

2）匹配特征點(diǎn)，獲取配準(zhǔn)圖像。圖像配準(zhǔn)可以描述為：

其中，E和F用于描述兩幅信息互不相干的圖像，α(E)以及α(F)分別是E和F的熵，二者間的聯(lián)合熵是α(E,F)。

3）對(duì)圖像配準(zhǔn)重合部分進(jìn)行歸一化處理，具體可以描述為：

式中，BDD(E,F)表示配準(zhǔn)后圖像的歸一化結(jié)果。

4）如果圖像拼接完成，跳至下一步；如果圖像拼接未完成，跳至第二步繼續(xù)進(jìn)行操作。

5）拼接圖像輸出。

1.2 輸電線(xiàn)路三維模型的建立

1.2.1 桿塔及其他輸電設(shè)備模型的建立

建立桿塔及其他輸電設(shè)備模型的步驟如下：1）利用相關(guān)的測(cè)繪軟件工具軟件塑造局部三維實(shí)體模型。2）獲得模型在三維情景里的位置和形態(tài)等空間信息[4-5]?；谠械?D 輸電線(xiàn)路GIS 與DEMs 數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘，如從二維GIS 數(shù)據(jù)里桿塔的二維位置信息(x,y)挖掘出桿塔高程z；運(yùn)用雙線(xiàn)性?xún)?nèi)插法從DEMs 數(shù)據(jù)中獲取桿塔的三維位置（桿塔底部中點(diǎn)）。3）考慮到桿塔會(huì)受到輸電線(xiàn)張力的干擾，采用向量法以二維GIS 數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，求出塔向。具體操作：選擇鄰近桿塔作為起點(diǎn)，確定線(xiàn)路的起點(diǎn)和末端，線(xiàn)路的起點(diǎn)和末端分別僅有一個(gè)向量，根據(jù)電流方向，在起點(diǎn)處繪制一個(gè)指向末端的向量，將該向量的方位角按順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)90°便可得到該線(xiàn)路起點(diǎn)和末端桿塔的塔向。而線(xiàn)路中間的桿塔會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)向量，此時(shí)塔向可分為兩種情況：若兩個(gè)向量為同一方向，則選擇一個(gè)向量的方位角按順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)90°即為塔向；若兩個(gè)向量不是一個(gè)方向，則首先將以該桿塔當(dāng)作終點(diǎn)的向量取相反的方向，再將兩個(gè)向量進(jìn)行求和運(yùn)算，獲取到新的向量，而塔向就是該新向量的方位角。通過(guò)該方式獲取的塔向是桿塔兩端受力的合力方向。

1.2.2 導(dǎo)地線(xiàn)三維模型

輸電線(xiàn)路里的導(dǎo)地線(xiàn)將桿塔當(dāng)作支架，將絕緣子當(dāng)作懸掛點(diǎn)，呈“懸鏈線(xiàn)”形態(tài)懸掛在桿塔上面[6]，所以可以運(yùn)用求解懸鏈線(xiàn)的方式來(lái)獲取導(dǎo)地線(xiàn)弧垂，建立三維模型。

設(shè)定坐標(biāo)點(diǎn)E是位于導(dǎo)地線(xiàn)懸掛點(diǎn)F的弧垂點(diǎn)，最大弧垂可以描述為：

式中，μ、K0分別表示電線(xiàn)比載和水平應(yīng)力，k、q分別表示檔距和高。

把兩個(gè)端點(diǎn)的連線(xiàn)劃分成大量的段，并將一邊的端點(diǎn)作為原點(diǎn)，通過(guò)式（3）算出最大弧垂點(diǎn)，同時(shí)把已獲取的最大弧垂點(diǎn)依次放進(jìn)弧垂點(diǎn)數(shù)組里，之后按順序把所有節(jié)點(diǎn)連接在一起，便可得到導(dǎo)地線(xiàn)的形狀，最后，根據(jù)外徑的大小構(gòu)建出導(dǎo)地線(xiàn)三維模型。

通過(guò)以上方法建立整體的基本輸電線(xiàn)路三維模型。

1.3 輸電線(xiàn)路巡檢自適應(yīng)調(diào)度

1.3.1 輸電線(xiàn)路巡檢路徑規(guī)劃

運(yùn)用無(wú)人機(jī)群對(duì)輸電線(xiàn)路進(jìn)行巡檢，需合理規(guī)劃巡檢路徑[7-9]。以輸電線(xiàn)路的三維模型為基礎(chǔ)，通過(guò)模糊狀態(tài)尋優(yōu)控制算法求得路線(xiàn)最優(yōu)解，同時(shí)也完成了對(duì)調(diào)度參變量的合理判別。

建立輸電線(xiàn)路巡檢路徑智能規(guī)劃模型，獲取視覺(jué)定位的測(cè)量偏差，描述為：

式中，無(wú)人機(jī)的數(shù)量用n來(lái)描述，調(diào)度節(jié)點(diǎn)數(shù)量用M(n)來(lái)描述，融合調(diào)度參數(shù)用U描述，載波頻率用d描述，無(wú)人機(jī)運(yùn)行速度用v描述。

對(duì)輸電線(xiàn)路巡檢路徑調(diào)度空間取樣進(jìn)行建模，運(yùn)用了統(tǒng)計(jì)剖析與優(yōu)化節(jié)點(diǎn)的方式[10-12]，獲取無(wú)人機(jī)群調(diào)度的空間訊息探測(cè)公式為：

式中，eo為通信擴(kuò)散頻率，?為偏航角。

針對(duì)巡檢機(jī)群躲避障礙的問(wèn)題，通過(guò)最小路線(xiàn)尋優(yōu)的方式進(jìn)行解決，從而可獲取巡檢路徑智能規(guī)劃模型為：

式中，? 為機(jī)群航行的區(qū)域訊息，f為訊息取樣的頻域參變量，λ為自適應(yīng)求優(yōu)因數(shù)。通過(guò)融合模糊訊息與擴(kuò)頻信道的操作方式[13-14]，可以獲取無(wú)人機(jī)群調(diào)度的范圍規(guī)劃模型為：

把最小路線(xiàn)當(dāng)作求優(yōu)的目標(biāo)函數(shù)，則無(wú)人機(jī)群在機(jī)器視覺(jué)下的調(diào)度路線(xiàn)規(guī)劃可以描述為：

無(wú)人機(jī)群調(diào)度的模糊融合參變量，可通過(guò)空間范圍重組的方式獲取，用描述，最佳巡檢路線(xiàn)的界限特性可依據(jù)似然估計(jì)運(yùn)算方法來(lái)獲取，由此構(gòu)建巡檢路徑調(diào)度的分地區(qū)規(guī)劃模型，進(jìn)而調(diào)度控制的路徑規(guī)劃模型為：

式中，無(wú)人機(jī)群躲避障礙參變量部署的原始數(shù)值用A(n)描述。

總之，在自適應(yīng)尋優(yōu)算法下，通過(guò)無(wú)人機(jī)群航行路線(xiàn)規(guī)劃模型可以實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)群調(diào)度。

1.3.2 無(wú)人機(jī)群自適應(yīng)調(diào)度優(yōu)化

無(wú)人機(jī)群在對(duì)輸電線(xiàn)路進(jìn)行巡檢過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)不同程度的干擾，這樣通信的連續(xù)性就會(huì)受到影響，因此，將碼間干擾抑制方法引入到模型設(shè)計(jì)中，去除干擾因子來(lái)解決這該問(wèn)題。

假設(shè)通信傳播鏈路相互獨(dú)立，接收端信號(hào)矢量為：

式中，n(t)表示通信干擾信號(hào)，P(t)表示二進(jìn)制數(shù)據(jù)信號(hào)；bn(t)表示第n個(gè)通信信號(hào)延遲。采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行碼間干擾抑制的具體步驟如下：

1）對(duì)輸入的通信信號(hào)進(jìn)行小波分解，干擾信號(hào)主要包含在高頻層中，因此，對(duì)高頻層系數(shù)進(jìn)行閾值量化，對(duì)其他層不做處理，去除大部分干擾，并最大化保留正常的通信數(shù)據(jù)[15-16]；

2）將初步降噪后的通信信號(hào)分解出各層系數(shù)作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，通過(guò)訓(xùn)練得到量化后的高頻層數(shù)j(j=2,3,…,J)，對(duì)分解系數(shù)進(jìn)行閾值量化處理，抑制網(wǎng)絡(luò)信號(hào)中的干擾部分；

3）進(jìn)行信號(hào)重構(gòu)，依據(jù)量化后的分解系數(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行重構(gòu)，其輸出為干擾因子最小值：

式中，a(t)表示通信信道帶寬，Pj表示第j層抑制編碼器的信號(hào)輸出強(qiáng)度，τ0為信號(hào)初始輸出強(qiáng)度。由此可對(duì)大型戶(hù)外傳感網(wǎng)絡(luò)通信碼間的干擾因子進(jìn)行有效的抑制，得到機(jī)群分布間隔為c=λmin/4，再經(jīng)過(guò)空間區(qū)域部署的改進(jìn)，得到無(wú)人機(jī)群調(diào)度的通信連續(xù)性控制，描述為：

式中，a′為通信信道帶寬，d′為取樣頻譜。無(wú)人機(jī)群航行時(shí)，在任意通信區(qū)域中，無(wú)人機(jī)活動(dòng)路線(xiàn)部署可以描述為：

式中，A(n)為調(diào)度模糊域，則改進(jìn)后的無(wú)人機(jī)群自適應(yīng)調(diào)度可以描述為：

式中，δσM為無(wú)人機(jī)群自適應(yīng)調(diào)度的求優(yōu)參變量的導(dǎo)函數(shù)值，通過(guò)求導(dǎo)函數(shù)值，得到極值，從而獲取最優(yōu)的調(diào)度參變量，完成調(diào)度優(yōu)化。

2 實(shí)驗(yàn)分析

以某省的架空輸電線(xiàn)路為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，該輸電線(xiàn)路為交流輸電，橫跨多個(gè)地區(qū)，自然條件惡劣、地貌環(huán)境復(fù)雜，線(xiàn)路全長(zhǎng)約380 km。

實(shí)驗(yàn)對(duì)該省的架空輸電線(xiàn)路一號(hào)線(xiàn)的1-10 號(hào)桿塔的輸電線(xiàn)路進(jìn)行了巡檢，首先利用該文模型對(duì)該巡檢路徑進(jìn)行調(diào)度。為獲取最優(yōu)路徑，需要利用Matlab 的模糊邏輯工具箱和仿真環(huán)境工具箱對(duì)算法進(jìn)行調(diào)制。調(diào)制過(guò)程如下：在Matlab 命令窗口中輸入命令Fuzzy，進(jìn)入圖形用戶(hù)界面（GUI）的FIS 編輯器。在FIS 編輯器中，模糊控制器設(shè)置為mamdani型。添加輸入輸出變量：輸入為單位階躍信號(hào)r、誤差為e、誤差變化量為ed，輸出為y，對(duì)應(yīng)的模糊語(yǔ)言變量為r1、e1、ed1、y1，論域均為[-6，6]。確定變量隸屬度函數(shù)的數(shù)量為5，類(lèi)型為MF type，所有的隸屬函數(shù)都標(biāo)明以后，關(guān)閉隸屬函數(shù)編輯窗口，完成調(diào)試。

基于調(diào)試后的算法獲取最優(yōu)路徑，通過(guò)無(wú)人機(jī)群按照已獲取的最優(yōu)路徑對(duì)輸電線(xiàn)路進(jìn)行巡檢，得出的結(jié)果如圖2 所示。

圖2 輸電線(xiàn)路二維巡檢效果圖

由圖2 可知，無(wú)人機(jī)群按照該文模型獲取的最優(yōu)路徑進(jìn)行巡檢后，得到的圖片非常全面，各個(gè)部位、各個(gè)角度的圖片都有所記錄，且畫(huà)面較為清晰。

為了驗(yàn)證該文模型能實(shí)現(xiàn)輸電線(xiàn)路巡檢路徑的合理規(guī)劃，將輸電線(xiàn)路巡檢區(qū)域設(shè)置為坐標(biāo)系，桿塔由坐標(biāo)系中的坐標(biāo)表示，設(shè)置無(wú)人機(jī)群從標(biāo)定的起點(diǎn)出發(fā)進(jìn)行巡檢，巡檢三維模型效果圖如圖3 所示。

圖3 巡檢三維模型效果圖

巡檢路徑規(guī)劃實(shí)現(xiàn)結(jié)果如圖4 所示。

圖4 輸電線(xiàn)路巡檢路徑規(guī)劃結(jié)果

由圖3、圖4 可知，利用該文模型可有效規(guī)劃出輸電線(xiàn)路的巡檢路徑，且巡檢距離最短，實(shí)現(xiàn)了全局最優(yōu)。

為了驗(yàn)證該文模型的可靠性，從避障效果方面進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，設(shè)定無(wú)人機(jī)群從輸電線(xiàn)路起點(diǎn)A 航行至終點(diǎn)B，得出的測(cè)試結(jié)果如圖5 所示。

圖5 該文模型避障效果圖

由圖5 可知，利用該文模型在對(duì)輸電線(xiàn)路進(jìn)行巡檢時(shí)，無(wú)人機(jī)群完全可以避開(kāi)障礙物，并且選取的巡檢路徑也是最短的。

為了驗(yàn)證該文模型對(duì)于輸電線(xiàn)路巡檢路徑調(diào)度的準(zhǔn)確性，實(shí)驗(yàn)以無(wú)人機(jī)偏航角誤差作為衡量指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖6 所示。

圖6 巡檢無(wú)人機(jī)群偏航角誤差測(cè)試結(jié)果

由圖6 可知，通過(guò)該文模型對(duì)巡檢無(wú)人機(jī)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整產(chǎn)生的偏航角誤差較小，最高值不超過(guò)0.25°，尤其當(dāng)信噪比為3 dB 時(shí)，偏航角誤差已降至0.05°；當(dāng)信噪比為7 dB 時(shí)，偏航角誤差已基本接近0°。由此可以看出，該文模型的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性均較高。

對(duì)輸電線(xiàn)路巡檢路徑三維自適應(yīng)調(diào)度的耗時(shí)進(jìn)行分析，得出的結(jié)果如表1 所示。

表1 輸電線(xiàn)路巡檢路徑自適應(yīng)調(diào)度耗時(shí)

由表1 中的數(shù)據(jù)可知，該文模型在進(jìn)行輸電線(xiàn)路巡檢路徑三維自適應(yīng)調(diào)度時(shí)，平均耗時(shí)為187 s，最長(zhǎng)用時(shí)也未超過(guò)200 s。

3 結(jié)論

該文提出一種基于機(jī)器視覺(jué)的輸電線(xiàn)路巡檢路徑三維自適應(yīng)調(diào)度模型。該模型從機(jī)器視覺(jué)的角度對(duì)輸電線(xiàn)路進(jìn)行三維建模，通過(guò)三維模型對(duì)無(wú)人機(jī)群巡檢路徑進(jìn)行規(guī)劃，從而實(shí)現(xiàn)輸電線(xiàn)路巡檢路徑三維自適應(yīng)調(diào)度，在各項(xiàng)方面都有較好的表現(xiàn)。