考慮通信連通性的輸電線路巡檢無人機(jī)群動(dòng)態(tài)調(diào)度方法

張浩

(國網(wǎng)安徽省電力有限公司亳州供電公司，安徽 亳州 236800)

0 引 言

隨著輸電線路網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，輸電線路網(wǎng)絡(luò)空間規(guī)模越來越大，需要構(gòu)建輸電線路巡檢無人機(jī)群動(dòng)態(tài)調(diào)度和空間規(guī)劃模型，結(jié)合人工智能的空間技術(shù)，在視覺導(dǎo)航和雷達(dá)導(dǎo)航環(huán)境下，進(jìn)行輸電線路巡檢無人機(jī)群的動(dòng)態(tài)調(diào)度和路徑規(guī)劃設(shè)計(jì)，提高輸電線路巡檢無人機(jī)群的避障能力和導(dǎo)航控制能力[1]。在通信連通性控制下，構(gòu)建輸電線路巡檢無人機(jī)群的動(dòng)態(tài)調(diào)度和路徑規(guī)劃模型，提高輸電線路巡檢無人機(jī)群的空間智能規(guī)劃能力，相關(guān)的輸電線路巡檢無人機(jī)群動(dòng)態(tài)調(diào)度方法研究受到相關(guān)研究人員的極大重視[2]。

劉壯等[3]提出輸電線路無人機(jī)巡檢安全距離方法，考慮巡檢電磁環(huán)境及通信性能，構(gòu)建±500 kV直流輸電線路無人機(jī)巡檢仿真模型，分析不同巡檢距離下電磁分布情況，進(jìn)行安全距離修正，實(shí)現(xiàn)調(diào)度。蔣碩等[4]針對無人機(jī)協(xié)調(diào)復(fù)雜的情況，提出利用改進(jìn)的階層分級粒子群優(yōu)化算法優(yōu)化調(diào)度問題，劃分三個(gè)種群調(diào)度階層，調(diào)節(jié)分配慣性權(quán)重，平衡分配任務(wù)算法的平衡性，最終實(shí)現(xiàn)無人機(jī)協(xié)同任務(wù)分配。Bolourian等[5]針對巡檢無人機(jī)群調(diào)度耗時(shí)較長的問題，提出了一種基于激光雷達(dá)(LiDAR)掃描儀的無人機(jī)橋梁三維路徑規(guī)劃方法。該方法將遺傳算法和A*算法結(jié)合，考慮到線路缺陷的潛在位置進(jìn)行調(diào)度。該方法計(jì)算與關(guān)鍵性級別相關(guān)的可視性會(huì)導(dǎo)致優(yōu)先考慮覆蓋風(fēng)險(xiǎn)級別較高的區(qū)域。

為進(jìn)一步完善無人機(jī)群調(diào)度規(guī)劃性能，本文提出基于通信連通性的輸電線路巡檢無人機(jī)群動(dòng)態(tài)調(diào)度方法。構(gòu)建輸電線路巡檢無人機(jī)調(diào)度的通信信道傳輸和均衡模型，采用網(wǎng)格分塊區(qū)域規(guī)劃方法進(jìn)行輸電線路巡檢無人機(jī)動(dòng)態(tài)調(diào)度的參數(shù)尋優(yōu)和路徑規(guī)劃。對采集的輸電線路巡檢無人機(jī)群行駛空間數(shù)據(jù)進(jìn)行自適應(yīng)尋優(yōu)控制，建立輸電線路巡檢無人機(jī)群飛行空間的三維空間規(guī)劃模型。采用模糊狀態(tài)尋優(yōu)控制方法進(jìn)行輸電線路巡檢無人機(jī)群路徑規(guī)劃和調(diào)度的參數(shù)識別和路徑尋優(yōu)，構(gòu)建輸電線路巡檢無人機(jī)群調(diào)度的通信連通性參數(shù)分析模型。通過自適應(yīng)尋優(yōu)算法，結(jié)合碼間干擾抑制方法進(jìn)行調(diào)度過程中的抗干擾設(shè)計(jì)和通信連通性設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)輸電線路巡檢無人機(jī)群智能調(diào)度。

1 輸電線路巡檢無人機(jī)群調(diào)度參數(shù)融合及通信信道均衡模型構(gòu)建

1.1 調(diào)度參數(shù)融合

輸電線路巡檢線程復(fù)雜，無人機(jī)群調(diào)度時(shí)接收信號量較多，需在通信均衡前進(jìn)行調(diào)度參數(shù)融合處理。采用網(wǎng)格分塊區(qū)域規(guī)劃方法進(jìn)行輸電線路巡檢無人機(jī)動(dòng)態(tài)調(diào)度的參數(shù)尋優(yōu)和路徑規(guī)劃。將路徑參數(shù)優(yōu)化與模糊度控制相結(jié)合，對輸電線路巡檢無人機(jī)群動(dòng)態(tài)調(diào)度參數(shù)進(jìn)行融合處理。

(1)

采用參量自適應(yīng)調(diào)節(jié)的方法[7]，得到輸電線路巡檢無人機(jī)群動(dòng)態(tài)調(diào)度的空間陣位分布軌跡為xi,yi,zi,Ti,Ui,Vi(i=1,2,…,6)。根據(jù)空間分布軌跡，融合調(diào)度參數(shù)：

R=∑s·|T1+U1+V1|+∑c·|T1+U1+V1|

(2)

式中:s為無人機(jī)群目標(biāo)位置定位誤差參數(shù)；c為無人機(jī)群配置參數(shù)命令編號。根據(jù)參數(shù)融合結(jié)果，進(jìn)行輸電線路巡檢無人機(jī)群動(dòng)態(tài)調(diào)度和通信均衡控制。

1.2 通信信道均衡模型構(gòu)建

無人機(jī)群易受信道衰落特性影響通信傳輸性能，需要均衡無人機(jī)群通信信道。根據(jù)通信連通性設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行輸電線路巡檢無人機(jī)群動(dòng)態(tài)調(diào)度的尋優(yōu)控制，建立飛行路徑的網(wǎng)格模型[8]。采用一個(gè)5元組表示輸電線路巡檢無人機(jī)群動(dòng)態(tài)調(diào)度的飛行區(qū)域分布網(wǎng)格，計(jì)算通信擴(kuò)散頻率，如式(3)所示。

(3)

(4)

2 輸電線路巡檢無人機(jī)群動(dòng)態(tài)調(diào)度優(yōu)化

2.1 無人機(jī)群飛行路徑規(guī)劃

建立輸電線路巡檢無人機(jī)群飛行空間的三維空間規(guī)劃模型，采用模糊狀態(tài)尋優(yōu)控制方法進(jìn)行輸電線路巡檢無人機(jī)群路徑規(guī)劃和調(diào)度的參數(shù)識別和路徑尋優(yōu)[10]。構(gòu)建輸電線路巡檢無人機(jī)群動(dòng)態(tài)調(diào)度路徑的智能規(guī)劃模型，得到視覺定位的測量誤差為：

(5)

式中：N(t)為t個(gè)無人機(jī)調(diào)度節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)。在優(yōu)化控制律下，輸電線路巡檢無人機(jī)群的動(dòng)態(tài)調(diào)度路徑控制問題轉(zhuǎn)化為n個(gè)決策變量尋優(yōu)問題，計(jì)算公式為：

(6)

建立輸電線路巡檢無人機(jī)群動(dòng)態(tài)調(diào)度的空間采樣模型，通過統(tǒng)計(jì)分析和節(jié)點(diǎn)規(guī)劃方法，得到輸電線路巡檢無人機(jī)群動(dòng)態(tài)調(diào)度的空間信息測量方程為：

Ki=cosθ+∑s·to

(7)

式中：θ為偏航角。采用最短路徑尋優(yōu)方法，進(jìn)行輸電線路巡檢無人機(jī)群動(dòng)態(tài)避障處理，得到巡檢無人機(jī)群的空間規(guī)劃模型，表示為：

(8)

式中：τ為輸電線路巡檢無人機(jī)群飛行的位置信息；f為信息采樣的頻域參數(shù)；g為輸電線路巡檢無人機(jī)群的自適應(yīng)尋優(yōu)系數(shù)。采用模糊信息融合和信道擴(kuò)頻處理的方法[11]，得到無人機(jī)群動(dòng)態(tài)調(diào)度的區(qū)域規(guī)劃模型為：

(9)

以最短路徑為尋優(yōu)目標(biāo)函數(shù)，計(jì)算視覺導(dǎo)航下輸電線路巡檢無人機(jī)群動(dòng)態(tài)調(diào)度路徑規(guī)劃公式，如式(10)所示。

G=z(a)+Q·l

(10)

(11)

式中：A(t)為輸電線路巡檢無人機(jī)群動(dòng)態(tài)避障參數(shù)分布初始值。

綜上所述，根據(jù)飛行路徑規(guī)劃模型，通過自適應(yīng)尋優(yōu)算法，動(dòng)態(tài)調(diào)度巡檢無人機(jī)群。

2.2 無人機(jī)群動(dòng)態(tài)調(diào)度

結(jié)合碼間干擾抑制方法進(jìn)行調(diào)度過程中的抗干擾設(shè)計(jì)和通信連通性設(shè)計(jì)[13]，得到輸電線路巡檢無人機(jī)群動(dòng)態(tài)調(diào)度的機(jī)群分布間隔為d=λmin/4，通過空間位置優(yōu)化分布，則輸電線路巡檢無人機(jī)群動(dòng)態(tài)調(diào)度的通信連通性控制公式為：

j(a)=a2·d+c1

(12)

式中：a2與c1為輸電線路巡檢無人機(jī)群調(diào)度通信傳輸信道的帶寬和采樣頻譜。輸電線路巡檢無人機(jī)群飛行過程中[14]，獲取任意通信范圍內(nèi)，計(jì)算無人機(jī)群動(dòng)態(tài)軌跡分布如式(13)所示。

ct=j(a)+A(t)·a2

(13)

式中：A(t)為輸電線路巡檢無人機(jī)群動(dòng)態(tài)調(diào)度的模糊域[15]。令A(yù)∈Cn×n(n×n維復(fù)數(shù)空間)則優(yōu)化的無人機(jī)動(dòng)態(tài)調(diào)度計(jì)算公式為：

(14)

式中: ?vN(x)為無人機(jī)群動(dòng)態(tài)調(diào)度的尋優(yōu)參數(shù)的導(dǎo)數(shù)。根據(jù)導(dǎo)數(shù)求極值，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)解調(diào)度參數(shù)。

3 仿真試驗(yàn)與結(jié)果分析

為了驗(yàn)證本文方法在實(shí)現(xiàn)輸電線路巡檢無人機(jī)群動(dòng)態(tài)調(diào)度的性能，在MATLAB2017b平臺(tái)進(jìn)行仿真測試。給出輸電線路巡檢無人機(jī)群的個(gè)數(shù)為30，尋優(yōu)迭代步數(shù)為120，初始無人機(jī)X軸與Y軸位置為(0,-150)。根據(jù)上述參數(shù)設(shè)定，得到輸電線路巡檢無人機(jī)群動(dòng)態(tài)調(diào)度的網(wǎng)格區(qū)域及障礙物分布，如圖1所示。

圖1 輸電線路巡檢無人機(jī)群動(dòng)態(tài)調(diào)度的網(wǎng)格區(qū)域及障礙物分布

根據(jù)圖1的機(jī)群動(dòng)態(tài)調(diào)度的空間規(guī)劃分布設(shè)計(jì)，進(jìn)行輸電線路巡檢無人機(jī)群動(dòng)態(tài)調(diào)度試驗(yàn)，得到優(yōu)化調(diào)度路徑，如圖2所示。

分析圖2可知，本文方法可以在嚴(yán)格(severe)、適度(moderate)、輕微(slight)及無限制(free)的四種飛行路徑控制條件下，能夠有效實(shí)現(xiàn)輸電線路巡檢無人機(jī)群動(dòng)態(tài)調(diào)度，輸出的空間規(guī)劃能力較好。

為進(jìn)一步驗(yàn)證本文方法無人機(jī)群調(diào)度的準(zhǔn)確性，以無人機(jī)偏航角誤差作為試驗(yàn)指標(biāo)，驗(yàn)證動(dòng)態(tài)調(diào)度的準(zhǔn)確性，得到對比結(jié)果如圖3所示。

圖2 輸電線路巡檢無人機(jī)群動(dòng)態(tài)調(diào)度路徑

圖3 輸電線路巡檢無人機(jī)群偏航角誤差對比

分析圖3可知，采用本文方法進(jìn)行輸電線路巡檢無人機(jī)群動(dòng)態(tài)調(diào)度的偏航角誤差較小。兩種場景下偏航角誤差均低于0.6°，準(zhǔn)確性較高，抗干擾能力較強(qiáng)。

為進(jìn)一步驗(yàn)證本文方法中無人機(jī)調(diào)度的性能，測試輸電線路巡檢無人機(jī)群動(dòng)態(tài)調(diào)度的輸出誤碼率，將±500 kV直流輸電線路直線塔無人機(jī)巡檢安全距離仿真與試驗(yàn)(文獻(xiàn)[3]方法)、改進(jìn)PSO算法在多無人機(jī)協(xié)同任務(wù)分配中的應(yīng)用(文獻(xiàn)[4]方法)得到如圖4所示的結(jié)果。

分析圖4得知:本文方法進(jìn)行輸電線路巡檢無人機(jī)群動(dòng)態(tài)調(diào)度和通信的誤碼率較低，最低誤碼率為3.3%，說明抗干擾性和穩(wěn)定性較高。因?yàn)楸疚姆椒?gòu)建了輸電線路巡檢無人機(jī)群動(dòng)態(tài)調(diào)度路徑的規(guī)劃模型，預(yù)先進(jìn)行路徑規(guī)劃，降低了調(diào)度輸出誤碼率。

圖4 輸出誤碼率測試

4 結(jié)束語

構(gòu)建輸電線路巡檢無人機(jī)群的動(dòng)態(tài)調(diào)度和路徑規(guī)劃模型，提高輸電線路巡檢無人機(jī)群的空間智能規(guī)劃能力，本文提出基于通信連通性的輸電線路巡檢無人機(jī)群動(dòng)態(tài)調(diào)度方法。采用無標(biāo)定視覺伺服控制方法，建立輸電線路巡檢無人機(jī)群動(dòng)態(tài)調(diào)度路徑的位置參數(shù)融合模型，根據(jù)通信連通性設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行輸電線路巡檢無人機(jī)群動(dòng)態(tài)調(diào)度的尋優(yōu)控制，建立輸電線路巡檢無人機(jī)群飛行空間的三維空間規(guī)劃模型，通過統(tǒng)計(jì)分析和節(jié)點(diǎn)規(guī)劃方法，得到輸電線路巡檢無人機(jī)群動(dòng)態(tài)調(diào)度的空間信息測量模型，根據(jù)導(dǎo)數(shù)求極值，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)解參數(shù)解析和調(diào)度。分析得知，本文方法進(jìn)行輸電線路巡檢無人機(jī)群動(dòng)態(tài)調(diào)度的規(guī)劃能力較好，輸出誤碼率較低。