无人机线路自主巡检的动态轨迹规划策略

无人机线路自主巡检的动态轨迹规划策略

Summary：基于无人机自主巡检过程中面临的各类威胁，提出借助自动化控制技术、传感器技术和智能化技术构建无人机线路自主巡检系统，对无人机动态轨迹进行合理规划的技术策略。目的是改善当前无人机自主巡检技术的应用缺陷，降低外部因素对巡检效率和巡检质量带来的不利影响，同时也是有效控制无人机巡检安全风险的有利手段。下文主要从无人机自主巡检动态轨迹规划的思路入手，分析动态轨迹规划的策略，并对该项技术的应用成果进行分析。Keys：无人机线路；自主巡检；动态轨迹规划在电力系统建设规模逐渐增大的形式下，对于输电线路的运维压力也随之增大，且一些长距离的输电线路运行环境较为复杂，人工巡检的情况下，不仅无法保障巡检效率，而且会增大巡检成本，存在低效率、高成本和风险大的作业现状。在此种发展背景下，借助无人机巡检措施代替人工巡检成为必然的发展趋势，然而从前期的无人机巡检技术应用情况来看，因输电线路的运行环境较为复杂，且线路偏长，进行无人机巡检时很可能受到外部因素威胁，致使发生无人机撞线等事故，对巡检作业的安全性构成影响。因此，十分有必要研究无人机线路自主巡检动态轨迹规划技术。1.无人机线路自主巡检轨迹规划的思路1.1全局静态轨迹规划全局静态轨迹规划实则上是在不考虑巡检过程中出现的突发状况，仅根据巡检对象和线路进行轨迹规划的过程，即只将前期掌握的地理条件和线路距离作为参考项完成轨迹规划。具体规划步骤如下：1）根据巡检任务对无人机的巡检范围进行明确，之后考虑巡检效率因素对线路巡检顺序进行合理排列，并确定好无人机的起始点；2）在飞行线路明确后，针对区域内的地理条件和相关基础信息进行收集，了解无人机飞行的环境特点；3）根据对输电线路沿线环境特点的分析和各类影响因素，确定出最优巡检轨迹。1.2动静态突发威胁轨迹规划动态突发威胁指的是在无人机航行的过程中，突然出现飞鸟、掉落的树枝和一些未知障碍物等对无人机巡检作业的不利影响。通常情况下，动态突发威胁存在不可确定性，因此对无人机巡检作业安全的威胁较大，需要其具有实时规划的功能，对飞行路线进行快速调整，以躲避突发障碍，这对于无人机轨迹规划的实时性提出了较高的要求。此外，还包括静态突发威胁，即在前期规划路线时，由于对整条输电线路环境的勘查不全面，致使没有发现静态的障碍物，如高大树木和建筑物等，致使对无人机飞行航线产生影响。为能提高无人机的自主巡检能力，则需从静态突发威胁轨迹规划和动态突发威胁轨迹规划两个层面分别入手：1.2.1静态突发威胁轨迹规划静态突发威胁的特点为障碍物处于固定状态，可以通过对无人机所处位置和障碍物位置的关系对无人机巡检航线进行充分划定，使其有效避开障碍物，为达成这一目标，可借助RRT算法完成无人机巡检线路的重新规划工作。具体规划思路如下：1）在确定无人机所处位置和固定障碍物位置的基础上重新划定航迹范围；2）重新确定无人机的起始点位置；3）在无人机自主巡检系统中建立两个根节点，分别为起点和终点；4）对起点进行扩展并将设置的根节点作为随机节点，从中选择一个最接近的叶节点进行扩展，将其扩展至无法扩展的状态，终点的根节点同样采取上述扩展措施，二者扩展完成后进互换，再次进行扩展，使叶节点连接，如已经避开障碍物则对扩展后的节点线进行平滑处理生成新的巡航轨迹即可。1.2.2动态突发威胁轨迹规划因动态突发威胁对轨迹规划的实时性提出了较高的要求，基于RRT算法的轨迹规划方法已经不再适用，可以根据动态突发威胁的特点，运用运动轨迹方程通过获取无人机的巡检轨迹和动态威胁的运动轨迹来重新规划航行路线，实现实时规划路线的目标。考虑到动态威胁存在复杂性的特征，为能保障轨迹规划的实时性，可以将无人机的轨迹看作一个质点行进轨迹，并假设无人机做恒定运动，同样的将突发威胁障碍物作为质点，对其运行轨迹进行判断。具体的轨迹规划思路如下：1）在明确无人机所处位置之后，对动态威胁的范围和速度进行准确判定，之后划分出轨迹重新规划的范围；2）对目标节点进行选取，沿着目标节点扩展搜索树，直至扩展失败，如目标节点方向扩展失败则需利用运动轨迹方程确定取值，以获得有效规避障碍物的节点；3）基于新获取的节点进行扩展，并从水平方向和垂直方向上分别利用运动轨迹方程获取下一个节点，从中选取移动代价最小的节点作为航迹规划节点；4）将所有航迹节点连接后对其进行平滑处理，形成新的航迹线路。2.无人机自主巡检动态轨迹规划的流程与应用2.1无人机自主巡检轨迹规划流程智能化技术、信息技术、传感器技术以及网络技术等的联合应用，实现了对无人机自主巡检轨迹规划系统的开发，其通过对无人机巡检信息的动态获取以及对外部环境的动态监测，了解无人机巡检的状态，该系统的应用可以实时发现巡线中存在的安全隐患，起到提高自主巡检作业可靠性的作用。系统应用流程如下：1）控制系统接收并执行巡检任务，使无人机按预期线路完成自主巡检作业；2）对无人机巡检线路的信息进行实时监测，检查其是否存在脱离航线轨迹的现象，并对航线距离和完成巡检的时间进行预测，同时确定有无与其他航线重合的状况；3）生成具体的航线命令并传达给无人机的控制系统；4）对无人机飞行状态进行重点监测，并对外部气象状态和风向因素进行检查，确保在发生突发威胁时，能够做到对行进航线的重新规划；5）实时监测无人机中各系统组成的运行状态，如动力系统、传感器、定位系统和电池电量等；6）无人机飞行到指定高度后，按照规划航线执行巡检任务，到达航点后及时调整云台，利用镜头拍照记录获得巡检信息，之后继续按航线飞行，全部巡检任务完成后，便可返航；7）无人机返航降落后将获得的巡检数据上传至终端。2.2无人机自主巡检技术的应用成果分析在实际的巡检作业中，无人机巡检技术的应用优势十分明显，代替人工巡检的作业形式下，利用智能技术对各类巡检信息进行智能识别即保障了巡检作业的连续性，也提高了巡检作业的完整度，连续巡检时长在4小时以上，以航空站为中心向四周的覆盖直径可达14km。在实际应用中发现无人机的巡检效率会受到风速的直接影响，因此对无人机的架构进行了重新设计，使得其抗风能力明显提升。相关研究数据显示，经优化后的无人机巡检效率成倍增长，巡检周期也被大大缩短，由原本的每月1次到如今的每周1次。此外，巡检过程中的航线误差也得到了有效控制，有效达成了规避突发威胁的目标。结语：传统的人工巡检技术存在效率低和成本投入大的弊端，且线路巡检的周期较长，很难保障巡检信息的实时性。而无人机自主巡检技术的应用则可有效改善上述问题，实现高效巡检目标，达成减员增效的目的。但也不可忽视外部因素对无人机自主巡检安全的威胁，因此，今后的研究重点应侧重于对无人机自主巡检轨迹规划技术的研究，进一步提升轨迹规划的时效性，为输电线路巡检工作提供可靠的技术支持。Reference：[1]成亮,杨沛,贾