基于改進(jìn)RRT 的輸電線路無(wú)人機(jī)自動(dòng)巡檢方法

甘鵬，方 博，李 博，張凱林，劉堯華

（中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司培訓(xùn)與評(píng)價(jià)中心，廣東廣州 510000）

RRT 算法是以填量處理為基礎(chǔ)建立的隨機(jī)采樣型運(yùn)動(dòng)規(guī)劃算法，可借助隨機(jī)目標(biāo)點(diǎn)向外擴(kuò)散鄰近節(jié)點(diǎn)，從而完成對(duì)整個(gè)路徑空間的探索。該算法在運(yùn)算過(guò)程中優(yōu)先考慮因微分約束條件產(chǎn)生的多維度問(wèn)題，基本不會(huì)出現(xiàn)與傳統(tǒng)規(guī)劃算法類似的維度災(zāi)難情況，一方面可有效規(guī)劃運(yùn)動(dòng)物體的行進(jìn)路徑，另一方面也可實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)體行進(jìn)狀態(tài)的合理調(diào)節(jié)[1-2]。大多數(shù)情況下，經(jīng)過(guò)RRT 算法處理后的運(yùn)動(dòng)路徑可直接應(yīng)用于各類巡檢系統(tǒng)中，為電力巡檢任務(wù)的開(kāi)展提供了便捷。

電力巡檢通過(guò)故障點(diǎn)排查的方式，排除了電力系統(tǒng)的潛在隱患，從而保障了輸電線路的安全運(yùn)行能力。在無(wú)人機(jī)技術(shù)的支持下，電力巡檢的人力投入量得到了有效控制，且各項(xiàng)線路任務(wù)也可得到快速、安全地執(zhí)行。傳統(tǒng)三維巡檢方法依靠三維模型，收集監(jiān)控設(shè)備回傳的即時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)，再通過(guò)電力專業(yè)分析，計(jì)算得到弧垂變化量等關(guān)鍵指標(biāo)參量。然而此方法對(duì)于無(wú)人機(jī)設(shè)備自動(dòng)飛行路徑的規(guī)劃能力有限，很難在預(yù)定時(shí)間內(nèi)完成各項(xiàng)線路巡檢任務(wù)。為解決上述問(wèn)題，提出基于改進(jìn)RRT 的輸電線路無(wú)人機(jī)自動(dòng)巡檢方法，借助運(yùn)動(dòng)度量函數(shù)，分析無(wú)人機(jī)設(shè)備的飛行特性，再通過(guò)巡檢數(shù)據(jù)采集的方式，得到最終的地面數(shù)據(jù)處理結(jié)果。

1 基于改進(jìn)RRT的無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃

基于改進(jìn)RRT 算法的無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃包含目標(biāo)偏好設(shè)置、局部極小值計(jì)算、運(yùn)動(dòng)度量函數(shù)建立三個(gè)處理環(huán)節(jié)，具體分析方法如下。

1.1 目標(biāo)偏好設(shè)置

在RRT 算法的擴(kuò)展過(guò)程中，輸電線路目標(biāo)偏好是指?jìng)鬏旊娮訉?duì)于電流、電壓等電信號(hào)的控制需求，通常情況下，為適應(yīng)無(wú)人機(jī)設(shè)備的自動(dòng)巡檢需求，電流、電壓等電信號(hào)的物理數(shù)值水平越高，輸電線路目標(biāo)偏好的指向性也就越明顯[3-4]。在不考慮其他干擾條件的情況下，輸電線路目標(biāo)偏好設(shè)置結(jié)果受到巡檢區(qū)域、電信號(hào)傳輸速率兩項(xiàng)物理量的直接影響。巡檢區(qū)域由上限參量en、下限參量e0兩部分共同組成，其中n表示單位時(shí)間內(nèi)的無(wú)人機(jī)飛行旋轉(zhuǎn)次數(shù)。電信號(hào)傳輸速率可表示為f，在RRT 算法作用下，該項(xiàng)物理指標(biāo)的數(shù)值量越大，最終所得的目標(biāo)偏好指令也就越符合實(shí)際應(yīng)用需求。聯(lián)立上述物理量，可將基于改進(jìn)RRT 算法的輸電線路目標(biāo)偏好設(shè)置結(jié)果表示為：

其中，u1、u2分別代表兩個(gè)不同的輸電量特征值，代表既定的輸電量限制條件。

1.2 局部極小值計(jì)算

局部極小值是一個(gè)相對(duì)籠統(tǒng)的物理概念，在輸電線路環(huán)境中，受到無(wú)人機(jī)巡檢飛行能力的影響，原有RRT 算法的改進(jìn)趨勢(shì)越發(fā)明顯，與無(wú)人機(jī)設(shè)備相關(guān)的巡檢處置范圍也就越廣泛[5-6]。規(guī)定在一個(gè)完整的自動(dòng)巡檢飛行周期內(nèi)，無(wú)人機(jī)設(shè)備的起始巡檢位置為r0、終止巡檢位置為rn，兩者之間存在無(wú)數(shù)的巡檢障礙物，且隨著飛行速度的不斷加快，原始RRT 算法的改進(jìn)能力也在逐漸增強(qiáng)。在此情況下，輸電線路中的感應(yīng)電子量能夠連續(xù)保持長(zhǎng)時(shí)間的自主傳輸狀態(tài)，且位于不同信道之間的電子感應(yīng)能力也不會(huì)互相干擾。在上述物理量的支持下，聯(lián)立式（1），可將無(wú)人機(jī)輸電線路的局部極小值定義為：

其中，H代表原始RRT 算法的改進(jìn)應(yīng)用系數(shù)，ΔT代表無(wú)人機(jī)設(shè)備的單位巡檢時(shí)長(zhǎng)，α代表冪次項(xiàng)拆分系數(shù)，代表單位時(shí)間內(nèi)的無(wú)人機(jī)巡檢速率均值。

1.3 運(yùn)動(dòng)度量函數(shù)建立

運(yùn)動(dòng)度量函數(shù)可在局部極小值的基礎(chǔ)上，對(duì)無(wú)人機(jī)設(shè)備在輸電線路中的巡檢飛行能力進(jìn)行限定，一方面滿足電量主機(jī)對(duì)于電壓、電流等電子信號(hào)的控制需求，另一方面也可使得RRT 算法的改進(jìn)執(zhí)行壓力得到較好緩解。從宏觀角度來(lái)看，運(yùn)動(dòng)量函數(shù)能夠覆蓋整個(gè)無(wú)人機(jī)自動(dòng)巡檢飛行空間，且隨著飛行速度的加快，運(yùn)動(dòng)量函數(shù)的應(yīng)用能力也會(huì)逐漸增強(qiáng)，直至將所有電量信號(hào)全部轉(zhuǎn)存于輸電線路結(jié)構(gòu)體中[7-8]。設(shè)β代表既定的巡檢系數(shù)項(xiàng)，由于RRT 改進(jìn)算法的存在，一般情況下，該項(xiàng)物理量的數(shù)值水平越高，最終計(jì)算所得的運(yùn)動(dòng)度量函數(shù)值也就越小。聯(lián)立式（2），可將無(wú)人機(jī)自動(dòng)巡檢過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)度量函數(shù)定義為：

其中，代表電子信號(hào)的傳輸均值量，g代既定的巡檢量系數(shù)特征值，代表關(guān)鍵的電量傳輸系數(shù)。

2 輸電線路無(wú)人機(jī)自動(dòng)巡檢方法

在改進(jìn)RRT 算法的支持下，按照無(wú)人機(jī)特性分析、巡檢數(shù)據(jù)采集、地面數(shù)據(jù)處理的操作流程，完成輸電線路無(wú)人機(jī)自動(dòng)巡檢方法的搭建與設(shè)計(jì)。

2.1 無(wú)人機(jī)特性分析

無(wú)人機(jī)是以無(wú)線遙控程序?yàn)閷?dǎo)航系統(tǒng)的飛行器設(shè)備，由于結(jié)構(gòu)形式的不同，不同類型無(wú)人機(jī)設(shè)備所具備的飛行能力也有所不同。在自動(dòng)巡檢任務(wù)的執(zhí)行過(guò)程中，單翼螺旋槳可提供無(wú)人機(jī)設(shè)備所需的電量動(dòng)力，并可使設(shè)備結(jié)構(gòu)體按照預(yù)設(shè)軟件程序完成常規(guī)巡檢任務(wù)[9-10]。受到改進(jìn)RRT 算法的影響，無(wú)人機(jī)設(shè)備在輸電線路中具備較長(zhǎng)時(shí)間的續(xù)航能力，且可在執(zhí)行巡檢任務(wù)的同時(shí)，將傳輸電量轉(zhuǎn)換成電流或電壓信號(hào)的應(yīng)用形式，從而使得輸電線路中的電量存儲(chǔ)需求得到較好滿足[11]?？偟膩?lái)說(shuō)，隨著無(wú)人機(jī)設(shè)備巡檢覆蓋面積的增大，設(shè)備結(jié)構(gòu)體自身對(duì)于電量信號(hào)的處理能力也會(huì)逐漸增強(qiáng)。無(wú)人直升機(jī)自動(dòng)巡檢如圖1 所示。

圖1 無(wú)人直升機(jī)自動(dòng)巡檢

2.2 巡檢數(shù)據(jù)采集

巡檢數(shù)據(jù)采集需要在無(wú)人機(jī)設(shè)備的作用下，對(duì)輸電線路環(huán)境中的電量傳輸信號(hào)進(jìn)行妥善安排，不僅可使線路電阻兩端的物理電壓數(shù)值得到有效控制，也可使得輸電線路網(wǎng)絡(luò)中的傳輸電流水平快速趨于相對(duì)穩(wěn)定的數(shù)值存在狀態(tài)[12-13]。在改進(jìn)RRT 算法的支持下，輸電線路環(huán)境中存儲(chǔ)的電信號(hào)數(shù)值量越大，無(wú)人機(jī)設(shè)備所具備的巡檢飛行能力也就越強(qiáng)。設(shè)代表輸電線路環(huán)境中的電量信號(hào)存儲(chǔ)特征值，由于改進(jìn)RRT 算法的存在，該項(xiàng)物理量的數(shù)值結(jié)果越大，輸電線路主機(jī)所能采集到的無(wú)人機(jī)巡檢數(shù)據(jù)采集量也就越多。在上述物理量的支持下，聯(lián)立式（3），可將巡檢數(shù)據(jù)采集結(jié)果表示為：

式中，k表示巡檢電量信號(hào)的輸電存儲(chǔ)系數(shù)，ξ代表輸電線路網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵電量巡檢處理指標(biāo)。

2.3 地面數(shù)據(jù)處理

地面數(shù)據(jù)處理是輸電線路無(wú)人機(jī)自動(dòng)巡檢方法搭建過(guò)程中的末尾操作環(huán)節(jié)，可在已知巡檢數(shù)據(jù)采集結(jié)果的基礎(chǔ)上，對(duì)RRT 算法的改進(jìn)目標(biāo)進(jìn)行重新規(guī)劃，從而使得無(wú)人機(jī)設(shè)備能夠采集到更多的自動(dòng)巡檢信息參量[14]。所謂地面數(shù)據(jù)是指輸電線路環(huán)境中，由地表電信號(hào)處理元件輸出的傳輸電量數(shù)據(jù)，在無(wú)人機(jī)巡檢環(huán)境中，地表電信號(hào)處理元件負(fù)載的處置指令極多，一方面可在改進(jìn)RRT 算法的作用下，更改無(wú)人機(jī)設(shè)備的原有巡檢飛行形式，另一方面也可實(shí)現(xiàn)對(duì)傳輸電子量的準(zhǔn)確劃分[15-16]。設(shè)代表單位時(shí)間內(nèi)地表電信號(hào)處理元件輸出的電信號(hào)均值量，μ代表基于改進(jìn)RRT 算法的巡檢任務(wù)提取量，在上述物理量的支持下，聯(lián)立式（4），可將地面數(shù)據(jù)處理結(jié)果表示為：

其中，ω代表與地表電信號(hào)處理元件匹配的巡檢指令處置權(quán)限，代表單位時(shí)間內(nèi)的無(wú)人機(jī)自動(dòng)巡檢指令特征值。至此，實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)物理系數(shù)指標(biāo)的計(jì)算與處理，在改進(jìn)RRT 算法的支持下，構(gòu)建輸電線路無(wú)人機(jī)自動(dòng)巡檢模型，其表達(dá)式為：

根據(jù)上述巡檢模型，獲取輸電線路無(wú)人機(jī)自動(dòng)巡檢結(jié)果，以完成輸電線路無(wú)人機(jī)自動(dòng)巡檢方法的搭建與應(yīng)用。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

將固定型號(hào)的無(wú)人機(jī)設(shè)備放置于圖2 所示的輸電線路環(huán)境中，通過(guò)人工干預(yù)的方法，控制無(wú)人機(jī)設(shè)備的實(shí)際飛行方向，多次調(diào)試，直至無(wú)人機(jī)飛行器的行進(jìn)速率完全趨于穩(wěn)定。在此情況下，截取大量數(shù)據(jù)信息參量，以用于后續(xù)的實(shí)驗(yàn)研究與分析。其中，實(shí)驗(yàn)組電量主機(jī)配置基于改進(jìn)RRT 的輸電線路無(wú)人機(jī)自動(dòng)巡檢方法，對(duì)照組主機(jī)配置傳統(tǒng)三維巡檢方法。

圖2 無(wú)人機(jī)輸電巡檢項(xiàng)目

KRS 指標(biāo)描述了輸電線路主機(jī)對(duì)于無(wú)人機(jī)設(shè)備自動(dòng)飛行路徑的處理與規(guī)劃能力，在不考慮其他干擾條件的情況下，KRS 指標(biāo)數(shù)值越大，輸電線路主機(jī)對(duì)于無(wú)人機(jī)設(shè)備自動(dòng)飛行路徑的規(guī)劃能力也就越強(qiáng)。表1 記錄了實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組KRS 指標(biāo)的具體數(shù)值情況。

表1 KRS指標(biāo)數(shù)值對(duì)比

表1 中，實(shí)驗(yàn)組KRS 指標(biāo)始終保持不斷上升的數(shù)值變化趨勢(shì)，但從第35 min 開(kāi)始，數(shù)值指標(biāo)的上升幅度明顯增大；對(duì)照組KRS 指標(biāo)則保持先上升、再穩(wěn)定、最后持續(xù)下降的數(shù)值變化趨勢(shì)，且實(shí)驗(yàn)前期的數(shù)值上升幅度與實(shí)驗(yàn)后期的數(shù)值下降幅度并沒(méi)有明顯區(qū)別。從極限值的角度來(lái)看，實(shí)驗(yàn)組最大值88.4%與對(duì)照組最大值48.9%相比，上升了39.5%。

UUT 指標(biāo)記錄了電力巡檢任務(wù)中的實(shí)際人力投入量情況，一般來(lái)說(shuō)，UUT 指標(biāo)的數(shù)值水平越小，電力巡檢任務(wù)中的人力投入量水平也就越低，反之則越高。表2 記錄了實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組UUT 指標(biāo)的實(shí)際數(shù)值記錄情況。

表2 UUT指標(biāo)數(shù)值對(duì)比

表2 中，實(shí)驗(yàn)組UUT 指標(biāo)在一段時(shí)間的數(shù)值波動(dòng)狀態(tài)后，開(kāi)始逐漸趨于穩(wěn)定下降的數(shù)值變化趨勢(shì)。對(duì)照組UUT 指標(biāo)則在連續(xù)的數(shù)值上升狀態(tài)后，開(kāi)始逐漸呈現(xiàn)小幅波動(dòng)的數(shù)值變化情況。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)組最大值35.8%與對(duì)照組最大值66.7%相比，下降了30.9%。

綜上可知，應(yīng)用基于改進(jìn)RRT 的輸電線路無(wú)人機(jī)自動(dòng)巡檢方法后，不但可以促進(jìn)KRS 指標(biāo)數(shù)值的不斷提升，也可在此基礎(chǔ)上，抑制UUT 指標(biāo)的數(shù)值上升趨勢(shì)，從主觀方面來(lái)講，輸電線路主機(jī)對(duì)于無(wú)人機(jī)設(shè)備自動(dòng)飛行路徑的處理與規(guī)劃能力增強(qiáng)，能夠帶動(dòng)電力巡檢任務(wù)中人力投入量水平的減小，符合無(wú)人機(jī)巡檢任務(wù)的設(shè)置初衷。

4 結(jié)束語(yǔ)

與傳統(tǒng)三維巡檢方法相比，輸電線路無(wú)人機(jī)自動(dòng)巡檢方法聯(lián)合改進(jìn)RRT 算法，通過(guò)設(shè)置輸電量目標(biāo)偏好的方式，建立完整的運(yùn)動(dòng)度量函數(shù)，再借助已采集的巡檢數(shù)據(jù)參量，實(shí)現(xiàn)對(duì)地面數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確處理。從實(shí)用性角度來(lái)看，KRS 指標(biāo)數(shù)值增大、UUT 指標(biāo)數(shù)值減小的同時(shí)出現(xiàn)，可在提升輸電線路主機(jī)對(duì)于無(wú)人機(jī)設(shè)備自動(dòng)飛行路徑處理與規(guī)劃能力的基礎(chǔ)上，控制電力巡檢任務(wù)中的人力投入量情況，從而安全、快速地完成各項(xiàng)線路巡檢任務(wù)。