旋翼無人機(jī)巡檢220kV 直線塔的路徑規(guī)劃算法研究

蔡宗琦 李宏杰 陳芝茂 魯 磊 栗 瑞

（太原科技大學(xué)，山西 太原030024）

21 世紀(jì)以來中國經(jīng)濟(jì)出現(xiàn)井噴式增長。作為經(jīng)濟(jì)的晴雨表，社會的用電量也連年增長，導(dǎo)致電力線路被越來越多的架設(shè)。根據(jù)全國電力可靠性年度報告可知，近十年國家電網(wǎng)220千伏輸電線路長度增加了2/3，致使傳統(tǒng)的巡檢方式出現(xiàn)了安全和效率相矛盾的問題。隨著科技的發(fā)展，旋翼無人機(jī)以其優(yōu)秀的性能被應(yīng)用到電力線路巡檢中，本文以電力線路中重要的支持部件——電塔為巡檢對象。電力線路巡檢中最重要的一個環(huán)節(jié)為路徑規(guī)劃，針對上述環(huán)節(jié)，采用蟻群算法來對電塔進(jìn)行精細(xì)化巡檢的路徑規(guī)劃。

1 220kV 直線塔的三維建模

根據(jù)電塔的國家標(biāo)準(zhǔn)及220kV 直線塔設(shè)計圖在3D max 下對電塔進(jìn)行三維建模[1-3]，建模后的220kV 直線塔三維模型如圖1 所示。

圖1 電塔的三維建模圖

2 監(jiān)測點的確定

首先將3D max 下所建的直線塔轉(zhuǎn)化為STL 格式，然后將其導(dǎo)入到MATLAB 中，如圖2 所示，并對其進(jìn)行離散化處理。其次根據(jù)表1 的旋翼無人機(jī)對電塔進(jìn)行巡檢時所需巡檢的內(nèi)容可以確定監(jiān)測點的坐標(biāo)[4]

圖2 電塔的導(dǎo)入圖

表1 架空線路多旋翼無人機(jī)巡檢內(nèi)容一覽表

3 對220kV 直線塔進(jìn)行路徑規(guī)劃

3.1 旅行商問題

電塔巡檢的路徑規(guī)劃問題及為旋翼無人機(jī)需要經(jīng)過每個監(jiān)測點，并且每個監(jiān)測點只經(jīng)過一次，且最后的路徑長度要求最短。因此可以將此問題轉(zhuǎn)化為旅行商問題（Traveling Salesman Problem，TSP）。其數(shù)學(xué)模型為：

其中公式（1）表示TSP 問題的目標(biāo)函數(shù)，要求遍歷m 個城市，每個城市有且僅經(jīng)過一次，并且走過的路程最短；（2）、（3）保證了商人只能經(jīng)過每個城市一次；（4）表示禁止任何子回路解的產(chǎn)生。

3.2 基于蟻群算法的電塔路徑規(guī)劃

蟻群算法（ant colony optimization，ACO）作為仿生算法的一種，可以較好的解決TSP 問題。蟻群算法是受自然界中蟻群在搜索食物時可以在沒有任何提示的情況下找到蟻穴到食物源的最短距離這一現(xiàn)象所啟發(fā)而提出的。其原理為：每只螞蟻會在其走過的道路中留下信息素，其余個體根據(jù)不同道路上的信息素濃度來決定選擇哪條道路。假設(shè)每個螞蟻的速度相同，那么短的道路上所經(jīng)過的螞蟻數(shù)量比長的道路上的多，導(dǎo)致短的道路上的信息素濃度較高，更多的螞蟻選擇這條短的道路，從而使短的道路上的信息素濃度更高，從而形成信息正反饋，以此來尋找最短路徑[5-6]。蟻群選擇下一個要去的地點的概率函數(shù)為：

所有螞蟻完成一次循環(huán)后，信息素強(qiáng)度的更新公式為：

在MATLAB/2019a 環(huán)境下進(jìn)行仿真實驗，得到的仿真圖如圖3 所示。

圖3 旋翼無人機(jī)對電塔巡檢的路徑規(guī)劃

4 結(jié)論

首先通過對220kV 直線塔進(jìn)行三維建模，并轉(zhuǎn)為STL 格式導(dǎo)入到MATLAB 中進(jìn)行離散化處理。其次根據(jù)旋翼無人機(jī)對電塔巡檢的內(nèi)容，確定所需的監(jiān)測點三維坐標(biāo)。最后將旋翼無人機(jī)對電塔巡檢的路徑規(guī)劃問題轉(zhuǎn)化為TSP 問題，并通過ACO 算法進(jìn)行路徑規(guī)劃，從而生成最優(yōu)巡檢路徑。