無人機技術(shù)在公共交通領(lǐng)域的研究

摘 要：針對無人機執(zhí)行電力巡線任務(wù)時需要進行人工飛行操控，且無人機控制過程繁瑣，巡線效率不高的問題，本文無人機應(yīng)用在公共交通領(lǐng)域，研究無人機巡線航跡規(guī)劃方法及其系統(tǒng)，實現(xiàn)無人機自動巡線。本文闡述的無人機巡線航跡規(guī)劃方法及其系統(tǒng)，效果較好，可以對無人機巡線過程中的飛行軌跡進行自動規(guī)劃，無需人工進行飛行操控，進而可以大幅度提高電力設(shè)施巡線任務(wù)的工作效率，降低執(zhí)行該任務(wù)的人員成本。巡線航跡規(guī)劃方法能夠?qū)ρ惨曔^程中不同類型的電力設(shè)施采用不同的巡視策略。實現(xiàn)對目標區(qū)域內(nèi)所有電力設(shè)施的全覆蓋，準確全面完成所有目標區(qū)域的巡視任務(wù)，對所有電力設(shè)備進行全方位巡查和準確采像，不留監(jiān)視死角。規(guī)劃的路徑不僅實現(xiàn)了對整個目標巡線區(qū)域的全方位巡視，還設(shè)計出了最佳的飛行路徑，飛行路徑的航程較短，這樣可以有效縮短巡視時間，提高巡線效率，也具有更好的節(jié)能環(huán)保效益。

關(guān)鍵詞：無人機 巡線 航跡規(guī)劃 交通

0 引言

電力設(shè)備在使用過程中需要進行定期巡查，及時發(fā)現(xiàn)可能存在的安全隱患，進而排除隱患保障電力用戶的用電穩(wěn)定性。現(xiàn)有的電力設(shè)備巡線任務(wù)主要由人工完成，管理人員對各自轄區(qū)內(nèi)的所有電力設(shè)施進行巡視。隨著無人機技術(shù)的發(fā)展，無人機被越來越多地應(yīng)用到公共交通領(lǐng)域，本文以無人機應(yīng)用到電力巡線中進行研究，通過無人機對轄區(qū)內(nèi)的所有電力設(shè)施進行巡視時，管理人員只需要操控相關(guān)的無人機按照需要巡視路徑進行飛行即可，無需實際進入到轄區(qū)內(nèi)的各個位置，這大大降低了管理人員的工作負擔。此外，無人機相對管理人員而言，可以從上部的俯視角度巡視電力設(shè)施，因此安全性更高，觀察的效果更好。

但是在現(xiàn)有技術(shù)條件下，無人機執(zhí)行電力巡線任務(wù)時，需要配置相關(guān)的飛行操控人員。而且由于無人機的操控距離有限，在進行大區(qū)域巡視時，容易出現(xiàn)無人機飛出控制范圍之外的情況，因此操控人員也需要進行位置移動。此外，考慮到無人機的電量有限，巡航距離也受到限制，因此還需要在飛行過程中頻繁進行返航更換電池，非常麻煩。基于此，有必要針對無人機執(zhí)行電力巡線任務(wù)時需要進行人工飛行操控，且無人機控制過程繁瑣，巡線效率不高，研究無人機巡線航跡規(guī)劃方法及其系統(tǒng)，實現(xiàn)無人機自動巡線。

1 無人機巡線航跡規(guī)劃方法及步驟

S1：為無人機劃分目標巡線區(qū)域，目標巡線區(qū)域為整個待執(zhí)行巡線任務(wù)區(qū)域的子區(qū)域。

S2：獲取當前無人機的目標巡線區(qū)域的地圖，并查詢地圖中包含的所有電力設(shè)施和無人機換電站的位置坐標。定義電力設(shè)施中的各個零星電力設(shè)備為點目標，定義穿越目標巡線區(qū)域的電力架空線路為線目標，定義包含多個集中的電力設(shè)備的電力設(shè)施站點為面目標。

S3：生成包含目標巡線區(qū)域內(nèi)所有電力設(shè)施的第一軌跡點。其中，點目標以其中心處的位置坐標為第一軌跡點，線目標以其兩端點的位置坐標為第一軌跡點；面目標以其邊界上的任意一點的位置坐標為第一軌跡點。

S4：生成包含目標巡線區(qū)域內(nèi)所有電力設(shè)施的第二軌跡點。其中，點目標以其第一軌跡點為第二軌跡點，線目標以其包含的各個電力桿塔的位置坐標為第二軌跡點；面目標以其中預(yù)設(shè)的各個航路點為第二軌跡點。

S5：生成包含目標巡線區(qū)域內(nèi)無人機換電站的補給點，補給點為無人機換電站中心處的位置坐標。

S6：獲取當前目標巡線區(qū)域內(nèi)的所有第一軌跡點，以與無人機當前位置最接近的第一軌跡點為起始點，生成一條包含所有第一軌跡點的預(yù)設(shè)路徑。其中，預(yù)設(shè)路徑中經(jīng)過線目標時，路徑方向為從其中的一個第一軌跡點運動至另一個第一軌跡點。預(yù)設(shè)路徑中經(jīng)過面目標時，路徑方向為從其中的一個航路點出發(fā)，遍歷面目標中的所有航路點。

S7：對預(yù)設(shè)路徑進行調(diào)整，調(diào)整方法包括：在經(jīng)過每一個第二軌跡點時分別獲?。?/p>

（1）無人機的當前剩余航程K。

（2）當前第二軌跡點a對應(yīng)的下一第二軌跡點b的位置，以及當前第二軌跡點a與下一第二軌跡點b之間的距離L1。

（3）與當前第二軌跡點a最接近的補給點n的位置。

（4）與下一軌跡點b最接近的補給點m的位置，以及下一軌跡點b與補給點m之間的距離L2。

然后根據(jù)獲取的數(shù)據(jù)作出如下判斷和決策：

（i）當K＞L1+L2時，無人機繼續(xù)飛行至下一第二軌跡點b；

（ii）當K≤L1+L2時，無人機飛行至補給點n；并在完成電池更換后回到當前第二軌跡點a，然后繼續(xù)飛行至下一第二軌跡點b。

在預(yù)設(shè)路徑中，無人機經(jīng)過線目標時，先到達與前一個第一軌跡點距離最接近的線目標的其中一個第一軌跡點處，然后沿著架空線路的方向依次經(jīng)過線目標中的所有第二軌跡點，最后達到線目標中的另外一個第一軌跡點處。該巡線航跡規(guī)劃方法是一種自的規(guī)劃方法，能夠?qū)δ繕诉x線區(qū)域內(nèi)的所有電力設(shè)施達到全方位覆蓋，且生成一條航程較短的最佳路徑。同時可以根據(jù)需要在飛行路徑中增加動力補給的路徑，有效提高巡線任務(wù)的覆蓋范圍。面目標中的航路點的生成方法如下：

（1）通過面目標的地圖獲取面目標的輪廓及其區(qū)域。

（2）定義無人機在固定巡線高度狀態(tài)下對面目標巡線區(qū)域的視野直徑長度為ｄ，以 為網(wǎng)格寬度對面目標的區(qū)域進行網(wǎng)格化處理。

（3）獲取位于面目標的輪廓內(nèi)的網(wǎng)格的所有頂點，以上頂點的位置即為所需的航路點。

無人機遍歷航路點的路徑通過歐拉路徑算法獲取，預(yù)設(shè)路徑的生成方法如下：

（1）建立一個軌跡點集，軌跡點集在初始狀態(tài)下包含當前目標巡線區(qū)域內(nèi)的所有第一軌跡點。

（2）建立一個完成點集，完成點集在初始狀態(tài)下為空集。

（3）確定預(yù)設(shè)路徑的起始點后，將起始點對應(yīng)的第一軌跡點從軌跡點集中移除，并添加到完成點集中。

（4）然后判斷起始點是否為某個線目標中的第一軌跡點。

（?。┦莿t確定線目標中的另一個第一軌跡點為下一第一軌跡點。

（ⅱ）否則將軌跡點集中與起始點位置最接近第一軌跡點作為下一軌跡點。

（5）將上步驟確定的下一軌跡點作為起始點，并返回執(zhí)行步驟（3）-（4），直到軌跡點集中的所有第一軌跡點均被移除變?yōu)榭占?/p>

（6）記錄軌跡點集變?yōu)榭占^程中各個第一軌跡點的移除順序，得到一個第一軌跡點隊列。對第一軌跡點隊列中的相鄰兩個第一軌跡點的空間位置進行連線，得到的路徑即為預(yù)設(shè)路徑。

無人機換電站均勻分布在待執(zhí)行巡線任務(wù)的所有區(qū)域內(nèi)；無人機換電站內(nèi)的管理人員為進入站點內(nèi)的無人機更換電池。無人機在飛行過程中根據(jù)一個預(yù)設(shè)高度對自身的飛行高度進行調(diào)節(jié)，并保持無人機與下方的電力設(shè)備的高度差保持在預(yù)設(shè)高度的誤差范圍內(nèi)。無人機巡線航跡規(guī)劃系統(tǒng)采用前述的無人機巡線航跡規(guī)劃方法生成自身的飛行路徑，規(guī)劃系統(tǒng)包括：地圖獲取模塊，第一軌跡點生成模塊，第二軌跡點生成模塊，預(yù)設(shè)路徑生成模塊，換電判別模塊，以及真實路徑控制模塊。地圖獲取模塊用于獲取無人機負責巡視的目標巡線區(qū)域的地圖，地圖中包含目標巡線區(qū)域內(nèi)的所有電力設(shè)施和無人機換電站的位置坐標。第一軌跡點生成模塊用于獲取目標巡線區(qū)域內(nèi)的所有第一軌跡點，定義電力設(shè)施中的各個零星電力設(shè)備為點目標，定義穿越目標巡線區(qū)域的電力架空線路為線目標，定義包含多個集中的電力設(shè)備的電力設(shè)施站點為面目標。其中，目標巡線區(qū)域內(nèi)的第一軌跡點包括：所有點目標中心處的位置坐標點，所有線目標的兩端點處的位置坐標點，表征各個面目標位置的一個位置坐標點。第二軌跡點生成模塊用于獲取目標巡線區(qū)域內(nèi)的所有第二軌跡點，第二軌跡點包括：所有點目標的第一軌跡點，所有線目標中包含的各個電力塔桿的位置坐標，所有面目標中包含的各個航路點。預(yù)設(shè)路徑生成模塊用于根據(jù)獲取的各個第一軌跡點生成一個預(yù)設(shè)的飛行路徑，預(yù)設(shè)路徑為遍歷目標巡線區(qū)域內(nèi)所有電力設(shè)施的最佳飛行路徑，預(yù)設(shè)路徑的生成方法如下。

（1）建立一個軌跡點集，軌跡點集在初始狀態(tài)下包含當前目標巡線區(qū)域內(nèi)的所有第一軌跡點。

（2）建立一個完成點集，完成點集在初始狀態(tài)下為空集。

（3）確定預(yù)設(shè)路徑的起始點后，將起始點對應(yīng)的第一軌跡點從軌跡點集中移除，并FtGxo6i1n6SYErnSgGJ1MquoEUDlKBF37abKc48kZOg=添加到完成點集中。

（4）然后判斷起始點是否為某個線目標中的第一軌跡點：是則確定線目標中的另一個第一軌跡點為下一第一軌跡點，否則將軌跡點集中與起始點位置最接近第一軌跡點作為下一軌跡點。

（5）將上步驟確定的下一軌跡點作為起始點，并返回執(zhí)行步驟（3）-（4），直到軌跡點集中的所有第一軌跡點均被移除變?yōu)榭占?/p>

（6）記錄軌跡點集變?yōu)榭占^程中各個第一軌跡點的移除順序，得到一個第一軌跡點隊列，對第一軌跡點隊列中的相鄰兩個第一軌跡點的空間位置進行連線，得到的路徑即為預(yù)設(shè)路徑。

換電判別模塊，其用于在無人機到達任意一個第二軌跡點時判定無人機是否需要進行電池更換：是則到達最近的無人機換電站，否則飛往下一個第二軌跡點。

真實路徑控制模塊用于控制無人機的飛行路徑，真實路徑控制模塊的控制方法如下。

（1）獲取預(yù)設(shè)路徑生成模塊生成的預(yù)設(shè)路徑。

（2）將預(yù)設(shè)路徑中的各個線目標的路徑替換為依次經(jīng)過相應(yīng)線目標中的所有第二軌跡點的路徑。

（3）在預(yù)設(shè)路徑中的各個面目標處，增加遍歷面目標中所有第二軌跡點的路徑。

（4）控制無人機按照（3）中調(diào)整后的路徑進行飛行，并在飛行路徑到達任意一個第二軌跡點時，獲取換電判別模塊的判定結(jié)果，對當前飛行路徑進行調(diào)整。（圖1、圖2）

3 結(jié)論

本文闡述的無人機巡線航跡規(guī)劃方法及其系統(tǒng)可以對無人機巡線過程中的飛行軌跡進行自動規(guī)劃，無需人工進行飛行操控，進而可以大幅度提高電力設(shè)施巡線任務(wù)的工作效率，降低執(zhí)行該任務(wù)的人員成本。巡線航跡規(guī)劃方法能夠?qū)ρ惨曔^程中不同類型的電力設(shè)施采用不同的巡視策略。實現(xiàn)對目標區(qū)域內(nèi)所有電力設(shè)施的全覆蓋，準確全面完成所有目標區(qū)域的巡視任務(wù)，對所有電力設(shè)備進行全方位巡查和準確采像，不留監(jiān)視死角。規(guī)劃的路徑不僅實現(xiàn)了對整個目標巡線區(qū)域的全方位巡視，還設(shè)計出了最佳的飛行路徑，飛行路徑的航程較短，這樣可以有效縮短巡視時間，提高巡線效率，也具有更好的節(jié)能環(huán)保效益。

基金項目：鄂爾多斯職業(yè)學(xué)院產(chǎn)教融合協(xié)同育人創(chuàng)新團隊；鄂爾多斯職業(yè)學(xué)院汽車技術(shù)教科研創(chuàng)新團隊。

參考文獻

[1] Kamrani F. Using on-line simulation in UAV path planning[D]. Stockholm： Sweden Royal Institute of Technology，2007.

[2] Beard R W， Mclain T W， Goodrich M A， Anderson E P.Coordinated target assignment and intercept for unmanned air vehicles[J].IEEE Transactions on Robotics and Automation， 2002，18（6）：911-922.

[3] Deb K. An efficient constraint handling method for genetic algorithms[J]. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering， 2000，186（2-4）：311-338.

[4] Besada-Portas E， de la Torre L， de la Cruz J M， de Andre?s-Toro B. Evolutionary trajectory planner for multiple UAVs in realistic scenario[J] . IEEE Transactions on Robotics，2010，26（4）：619-634.

[5]霍霄華.多UCAV動態(tài)協(xié)同任務(wù)規(guī)劃建模與滾動優(yōu)化方法研究[D].長沙：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2008.

[6] Camponogara E， Jia D， Krogh B H， et al. Distributed model predictive control[J]. IEEE Control Systems Magazine，2002，22（1）：44-52.

[7]葉文，朱愛紅，范洪達.低空突防航路規(guī)劃算法綜述[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報，2007，19（10）：2357-2361.

[8]邱敏，王公寶，楊佳潤，張朋濤.戰(zhàn)時偵察車最優(yōu)路徑規(guī)劃算法[J].火力與指揮控制，2011，36（4）：144-149.

[9]徐華東.無人機電力巡線智能避障方法研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2014.

[10]蔣暢，陳鳳翔，謝皓凌，等.5G無人機自動巡線技術(shù)在電力輸電線路巡檢的實現(xiàn)策略[J].無線互聯(lián)科技，2022，19（5）：2.