改進(jìn)蟻群算法的輸電線巡檢機(jī)器人避障路徑規(guī)劃

王言軍

（國(guó)網(wǎng)黑龍江省電力有限公司大慶供電公司，大慶 163458）

電力行業(yè)是國(guó)家的能源支柱行業(yè)之一，掌握著國(guó)家的經(jīng)濟(jì)命脈，電力設(shè)備是否安全直接關(guān)系著國(guó)家的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展，同時(shí)也會(huì)影響人們的正常生產(chǎn)及其生活，由此可見(jiàn)，保障電力設(shè)備的安全至關(guān)重要[1]。電力設(shè)備種類較多，運(yùn)行環(huán)境較為復(fù)雜，尤其是輸電線，其長(zhǎng)期暴露在野外，天氣環(huán)境變化無(wú)常，再加之輸電線分布廣泛，跨越自然環(huán)境較多，例如原始森林、高山、湖泊、冰雪覆蓋區(qū)、災(zāi)害多發(fā)區(qū)等，在自然因素、老化因素、人類活動(dòng)因素等的影響下，輸電線設(shè)備使用年限會(huì)受到極大的不利影響，其故障率也遠(yuǎn)高于其他電力設(shè)備[2]。若是沒(méi)有及時(shí)發(fā)現(xiàn)輸電線故障隱患，隨著時(shí)間的累積，隱患就會(huì)變成大故障，輕者造成所在線路停電，重則城市供電系統(tǒng)癱瘓。為了防止上述現(xiàn)象的發(fā)生，需要實(shí)時(shí)對(duì)輸電線進(jìn)行巡視檢查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并消除輸電線故障隱患，以此來(lái)防止輸電線故障事件發(fā)生，保障輸電線的穩(wěn)定運(yùn)行。

傳統(tǒng)輸電線巡檢采用人工方式，受到自然環(huán)境、主觀思想、電力知識(shí)等多方面的限制，導(dǎo)致巡檢效果較差。巡檢機(jī)器人的出現(xiàn)，使得輸電線巡檢向著智能化、信息化方向發(fā)展，不但能夠有效提升輸電線巡檢的效率，也能夠獲取更精準(zhǔn)的巡檢效果[3]。但是，在巡檢機(jī)器人作業(yè)過(guò)程中會(huì)存在障礙物，如果無(wú)法有效避開(kāi)障礙物，巡檢機(jī)器人就會(huì)出現(xiàn)碰撞現(xiàn)象，造成損壞、報(bào)廢等結(jié)果，是制約巡檢機(jī)器人發(fā)展與應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題之一。因此，提出改進(jìn)蟻群算法的輸電線巡檢機(jī)器人避障路徑規(guī)劃方法研究，希望通過(guò)改進(jìn)蟻群算法的應(yīng)用，提升巡檢機(jī)器人避障能力，保障巡檢機(jī)器人的安全作業(yè)。

1 輸電線巡檢機(jī)器人避障路徑規(guī)劃方法研究

1.1 障礙物體檢測(cè)與建模

在輸電線巡檢機(jī)器人作業(yè)開(kāi)始起，應(yīng)用激光傳感器對(duì)周圍環(huán)境中障礙物體表面信息進(jìn)行獲取，通過(guò)激光發(fā)射確定障礙物體信息點(diǎn)（采用極坐標(biāo)表示），設(shè)置安全閾值，當(dāng)巡檢機(jī)器人與障礙物體信息點(diǎn)之間的距離小于安全閾值時(shí)，認(rèn)定其為一個(gè)障礙物體，并對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的建模，方便后續(xù)巡檢機(jī)器人避障算法的推出[4]。設(shè)置障礙物體信息點(diǎn)集為O=｛O1，O2，…，Ok｝，采用包圍盒算法計(jì)算覆蓋全部障礙物體信息點(diǎn)的最小圓Dk，為障礙物體建模與躲避提供便利?；诎鼑兴惴ㄇ蠼獍鼑c(diǎn)集O=｛O1，O2，…，Ok｝的最小圓，步驟如下所示：

步驟1：依據(jù)O=｛O1，O2，…，Ok｝的實(shí)際分布情況，制定相應(yīng)的包圍盒，并在包圍盒四邊尋找4 個(gè)邊界點(diǎn)，具體如圖1所示。圖1中，W 表示的是包圍盒的寬度，H 表示的是包圍盒的高度。當(dāng)W≥H 時(shí)，選取空心球?qū)?yīng)的O1與O2點(diǎn)；當(dāng)W＜H 時(shí)，選取實(shí)心球?qū)?yīng)的O1與O2點(diǎn)。將選取的信息點(diǎn)O1與O2作為最小包圍圓確定的依據(jù)。

圖1 點(diǎn)集包圍盒示意圖Fig.1 Schematic diagram of point set bounding box

步驟2：依據(jù)O1與O2構(gòu)造最小圓，記為D1。在剩余障礙物體信息點(diǎn)中尋找到最遠(yuǎn)點(diǎn)Os，判斷其是否在D1內(nèi)部。如果Os∈D1，說(shuō)明D1是最小圓；如果Os?D1，說(shuō)明D1不是最小圓，轉(zhuǎn)至步驟3。

步驟3： 重新尋找3 個(gè)障礙物體信息點(diǎn)構(gòu)建最小圓，計(jì)算圓心，計(jì)算公式為

式中：（x，y）表示的是構(gòu)建最小圓的圓心坐標(biāo)；（xa，ya），（xb，yb）與（xc，yc）分別表示的是3 個(gè)障礙物體信息點(diǎn)的坐標(biāo)。

重復(fù)進(jìn)行步驟2 與步驟3，直至滿足終止條件為止，輸出覆蓋全部障礙物體信息點(diǎn)的最小圓，記為Dk，完成了障礙物體的檢測(cè)[5]。

為了使巡檢機(jī)器人能夠更安全地躲避開(kāi)障礙物體，將障礙物體進(jìn)行適當(dāng)?shù)臄U(kuò)大化[6]。在障礙物體直徑的基礎(chǔ)上加上巡檢機(jī)器人的寬度，障礙物體擴(kuò)大化示例如圖2所示。

圖2 障礙物體表示示例圖Fig.2 Example diagram of obstacle object representation

上述過(guò)程完成了障礙物體的檢測(cè)與建模，為后續(xù)巡檢機(jī)器人安全躲避障礙物體奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1.2 巡檢機(jī)器人避障算法推出

以上述檢測(cè)到的障礙物體為基礎(chǔ)，確定巡檢機(jī)器人與障礙物體之間的位姿關(guān)系，制定巡檢機(jī)器人避障算法，完成巡檢機(jī)器人的避障功能[7]。設(shè)定巡檢機(jī)器人時(shí)刻t 的全局坐標(biāo)信息為（xt，yt，θt），激光傳感器檢測(cè)到的障礙物體坐標(biāo)信息為 （dxt，dyt）[8]。但是，巡檢機(jī)器人坐標(biāo)系為全局坐標(biāo)系，障礙物體坐標(biāo)系為當(dāng)前坐標(biāo)系，無(wú)法直接顯示兩者之間的位姿關(guān)系[9]。因此，需要對(duì)障礙物體坐標(biāo)信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換，表達(dá)式為

式中：（xk，yk） 表示的是全局坐標(biāo)系下障礙物體的坐標(biāo)信息。

以上述獲得的巡檢機(jī)器人與障礙物體位姿關(guān)系為基礎(chǔ)，根據(jù)兩者之間的距離預(yù)測(cè)巡檢機(jī)器人的避障相關(guān)信息，制定科學(xué)合理的巡檢機(jī)器人避障算法，具體如圖3所示。按照?qǐng)D3所示流程，即可實(shí)現(xiàn)巡檢機(jī)器人避障功能，為巡檢機(jī)器人的安全作業(yè)提供有力的保障。

圖3 巡檢機(jī)器人避障算法流程Fig.3 Flow chart of obstacle avoidance algorithm of inspection robot

1.3 巡檢機(jī)器人避障路徑規(guī)劃目標(biāo)確定

以上述障礙物體檢測(cè)結(jié)果與巡檢機(jī)器人避障算法為依據(jù)，確定巡檢機(jī)器人的避障路徑規(guī)劃目標(biāo)，為后續(xù)避障路徑規(guī)劃實(shí)現(xiàn)做好充足的準(zhǔn)備[10]。為了獲取最佳巡檢機(jī)器人避障路徑，確定避障路徑必須滿足如下條件：①避障路徑長(zhǎng)度最短；②每個(gè)桿塔只能經(jīng)過(guò)1 次；③將風(fēng)險(xiǎn)較高的桿塔設(shè)置為優(yōu)先級(jí)。

在滿足上述條件的基礎(chǔ)上，通過(guò)蟻群算法尋找最佳巡檢機(jī)器人避障路徑很容易陷入局部最優(yōu)，收斂速度也較慢，是現(xiàn)今巡檢機(jī)器人避障路徑規(guī)劃的最大阻礙因素之一。因此，此研究對(duì)蟻群算法進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)，尋找避障、長(zhǎng)度最短的巡檢機(jī)器人運(yùn)行路徑[11]。

上述過(guò)程闡述了巡檢機(jī)器人避障路徑規(guī)劃目標(biāo)，并給出了避障路徑求解的算法，為后續(xù)最佳避障路徑獲取提供支撐。

1.4 巡檢機(jī)器人避障路徑規(guī)劃實(shí)現(xiàn)

以上述確定的避障路徑規(guī)劃目標(biāo)為基礎(chǔ)，基于狼群分配原則與中心點(diǎn)平滑方法改進(jìn)蟻群算法，以此來(lái)獲取最佳避障路徑規(guī)劃結(jié)果[12]。蟻群算法應(yīng)用過(guò)程中，信息素更新方式至關(guān)重要，決定著是否能夠快速地尋找到最佳避障路徑[13]。因此基于狼群分配原則對(duì)信息素更新方式進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)，改進(jìn)后信息素更新公式為

式中：τij（t+1）與τij（t）表示時(shí)刻t+1 與時(shí)刻避障路徑上的信息素濃度；ρ 表示信息素的揮發(fā)系數(shù)；表示第α 只螞蟻留在避障路徑上的信息素濃度；m 表示螞蟻的總數(shù)量；Δ*τij與Δ**τij分別表示局部最優(yōu)與最差避障路徑上的信息素濃度，兩者計(jì)算公式為

式中：δ 與ω 分別表示尋找到局部最優(yōu)與最差避障路徑需要的螞蟻數(shù)量；Q 表示全部路徑長(zhǎng)度；L* 與L**分別表示局部最優(yōu)與最差避障路徑的長(zhǎng)度[14]。

中心點(diǎn)平滑方法主要是對(duì)巡檢機(jī)器人路徑中出現(xiàn)的尖銳轉(zhuǎn)角進(jìn)行平滑處理，以此來(lái)加強(qiáng)巡檢機(jī)器人作業(yè)的安全性。中心點(diǎn)平滑方法原理如圖4所示。

圖4 中心點(diǎn)平滑方法原理示意圖Fig.4 Schematic diagram of center point smoothing method

依據(jù)上述改進(jìn)蟻群算法，制定巡檢機(jī)器人避障路徑規(guī)劃流程，具體如下：

步驟1：將巡檢機(jī)器人作業(yè)環(huán)境信息轉(zhuǎn)換為矩陣形式，內(nèi)部元素?cái)?shù)值為0 或者1，0 代表正常環(huán)境，1 代表障礙物體。

步驟2：初始化處理改進(jìn)蟻群算法的相關(guān)參數(shù)，例如最大迭代次數(shù)、信息素?fù)]發(fā)系數(shù)等。

步驟3：螞蟻從起始點(diǎn)出發(fā)，開(kāi)始尋找避障路徑。

步驟4：對(duì)路徑進(jìn)行相應(yīng)的判斷，若下一個(gè)路徑存在障礙物體，則尋找其他路徑；若下一個(gè)路徑通暢并未到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)，則巡檢機(jī)器人繼續(xù)行進(jìn)；若下一個(gè)路徑終點(diǎn)為目標(biāo)點(diǎn)，則停止尋找避障路徑。

步驟5：依據(jù)式（3）對(duì)信息素濃度數(shù)值進(jìn)行更新。

步驟6：判斷迭代次數(shù)是否達(dá)到最大迭代次數(shù)，如果達(dá)到，應(yīng)用中心點(diǎn)平滑方法處理避障路徑；反之，轉(zhuǎn)至步驟4。

步驟7：輸出最佳巡檢機(jī)器人避障路徑規(guī)劃結(jié)果。

通過(guò)上述過(guò)程實(shí)現(xiàn)了輸電線巡檢機(jī)器人避障路徑的規(guī)劃，為巡檢機(jī)器人的穩(wěn)定作業(yè)提供有效的方法支撐。

2 測(cè)試與結(jié)果分析

選取1 種機(jī)器人工作區(qū)域協(xié)同搜索避障巡檢策略作為對(duì)比方法，設(shè)計(jì)對(duì)比測(cè)試，以此來(lái)驗(yàn)證提出方法的應(yīng)用性能。

2.1 測(cè)試環(huán)境搭建

選取某區(qū)域輸電線與某型號(hào)巡檢機(jī)器人作為測(cè)試對(duì)象，測(cè)試環(huán)境如圖5所示。需要注意的是，巡檢機(jī)器人上還搭載著激光傳感器、攝像頭與IMU，用于障礙物體信息獲取與距離測(cè)量，方便巡檢機(jī)器人避障功能的實(shí)現(xiàn)。

圖5 測(cè)試環(huán)境示例圖Fig.5 Example of test environment

為了方便測(cè)試的進(jìn)行，需要將巡檢機(jī)器人及其搭載硬件坐標(biāo)系進(jìn)行統(tǒng)一，具體如圖6所示。

圖6 統(tǒng)一坐標(biāo)系示意圖Fig.6 Schematic diagram of unified coordinate system

上述過(guò)程完成了測(cè)試環(huán)境的展示與坐標(biāo)系的統(tǒng)一，為后續(xù)測(cè)試的順利進(jìn)行提供便利。

2.2 測(cè)試工況設(shè)置

為了測(cè)試提出方法的普遍適用性，設(shè)置10 種測(cè)試工況，具體如表1所示。從表1可知，障礙物體分布沒(méi)有規(guī)律性，并不是一個(gè)障礙物體占據(jù)一條路徑，這樣使得測(cè)試工況更加復(fù)雜，能夠提升測(cè)試結(jié)論的準(zhǔn)確性。

表1 測(cè)試工況表Tab.1 Test conditions

2.3 測(cè)試結(jié)果分析

以上述搭建的測(cè)試環(huán)境，設(shè)置的測(cè)試工況為依據(jù)，進(jìn)行輸電線巡檢機(jī)器人避障路徑規(guī)劃測(cè)試。為了直接顯示提出方法的應(yīng)用性能，選取規(guī)劃路徑避障成功率與最佳避障路徑規(guī)劃迭代次數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，輸電線巡檢機(jī)器人避障路徑規(guī)劃測(cè)試結(jié)果，如圖7所示。從圖7數(shù)據(jù)可知，相較于對(duì)比方法來(lái)看，應(yīng)用提出方法獲得的規(guī)劃路徑避障成功率較大，最大值為96%，最佳避障路徑規(guī)劃迭代次數(shù)較少，最小值為11 次，充分證實(shí)了提出方法具備較好的避障路徑規(guī)劃效果。

圖7 測(cè)試結(jié)果示意圖Fig.7 Schematic diagram of test results

3 結(jié)語(yǔ)

輸電線是電力能源輸送的關(guān)鍵電力設(shè)備之一，是否能夠正常運(yùn)行直接關(guān)系著電能供應(yīng)狀態(tài)。傳統(tǒng)巡檢方式效果較差，巡檢機(jī)器人的發(fā)明不但提升了巡檢效率及其精度，也降低了電力人員的工作量。但是，巡檢機(jī)器人路徑規(guī)劃仍然存在著較多的問(wèn)題，故引入改進(jìn)蟻群算法設(shè)計(jì)新的輸電線巡檢機(jī)器人避障路徑規(guī)劃方法，極大地提升了規(guī)劃路徑避障成功率，減少了最佳避障路徑規(guī)劃迭代次數(shù)，能夠?yàn)檠矙z機(jī)器人作業(yè)提供更有效的方法支撐，也為避障路徑規(guī)劃相關(guān)研究提供一定的借鑒。