無人機(jī)不停機(jī)巡檢路線規(guī)劃方法

摘 要：傳統(tǒng)的無人機(jī)風(fēng)機(jī)巡檢路線規(guī)劃方法只能采用固定飛行速度，導(dǎo)致無法準(zhǔn)確巡檢所有監(jiān)測點(diǎn)，因此本文設(shè)計(jì)一種不停機(jī)巡檢的無人機(jī)風(fēng)機(jī)巡檢路線規(guī)劃方法。設(shè)置相應(yīng)的約束條件，包括無人機(jī)的最大航程、最小步長和最大路徑偏移角。在滿足這些約束條件的情況下，提高無人機(jī)的飛行速度，構(gòu)建無人機(jī)風(fēng)機(jī)巡檢模型，模擬無人機(jī)在風(fēng)機(jī)間的巡檢過程。采用極坐標(biāo)編碼來表示無人機(jī)風(fēng)機(jī)巡檢路線，對風(fēng)機(jī)巡檢路線進(jìn)行優(yōu)化。試驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的不停機(jī)巡檢的無人機(jī)風(fēng)機(jī)巡檢路線規(guī)劃方法在5次試驗(yàn)中均巡檢13個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，準(zhǔn)確性和應(yīng)用價(jià)值更高。

關(guān)鍵詞：不停機(jī)；巡檢；無人機(jī)；風(fēng)機(jī)；巡檢路線

中圖分類號：TM 63" " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著能源行業(yè)快速發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組已成為全球范圍內(nèi)廣泛使用的清潔能源設(shè)備。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)行環(huán)境惡劣，因此對其進(jìn)行高效地巡檢和維護(hù)十分重要[1-2]。無人機(jī)風(fēng)機(jī)巡檢是一種新型巡檢方式，其具有高效、靈活和安全等優(yōu)點(diǎn)[3]，為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的巡檢和維護(hù)提供了新的解決方案。不停機(jī)巡檢是無人機(jī)風(fēng)機(jī)巡檢的核心要求，其能夠在短時(shí)間內(nèi)完成大量風(fēng)機(jī)的巡檢任務(wù)，同時(shí)避免影響風(fēng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)[4]。為了實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，需要開發(fā)一種高效的無人機(jī)巡檢路線規(guī)劃方法。本文詳細(xì)介紹了不停機(jī)巡檢無人機(jī)風(fēng)機(jī)巡檢路線規(guī)劃方法的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。通過分析和比較現(xiàn)有無人機(jī)巡檢方法，提出一種無人機(jī)巡檢路線規(guī)劃方法，旨在提高無人機(jī)巡檢的效率和精度。與現(xiàn)有的無人機(jī)巡檢路線規(guī)劃方法進(jìn)行對比，證明該方法在提高無人機(jī)巡檢效率和精度方面具備優(yōu)勢。本文探討了該方法在實(shí)際應(yīng)用中可能遇到的問題和解決方案。該方法理論意義重大，實(shí)踐價(jià)值很高，為能源行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供新的技術(shù)支持和推動(dòng)力。

1 不停機(jī)巡檢的無人機(jī)風(fēng)機(jī)巡檢路線規(guī)劃方法設(shè)計(jì)

1.1 無人機(jī)風(fēng)機(jī)巡檢路徑規(guī)劃約束分析

在巡檢過程中，無人機(jī)有巡檢任務(wù)、UAV性能等諸多制約，無法尋找安全、可行和有效的巡檢渠道[5]。在無人機(jī)巡檢路線的建設(shè)過程中，應(yīng)當(dāng)關(guān)注的約束條件包括最大航程、最小步長和最大路徑偏角，下面對其進(jìn)行分析。

當(dāng)巡檢時(shí)，假設(shè)無人機(jī)的最高飛行高度為Vmax，在一條航路中有n個(gè)觀測站，其第i個(gè)觀測站的最高飛行路線高度為vi，該飛行路線的平均航程V如公式（1）所示。

（1）

式中：i為觀測站數(shù)目，其范圍為（1，n）。

最大路徑偏轉(zhuǎn)角如圖1所示。在飛行過程中，為了克服慣性，無人機(jī)必須計(jì)算直線飛行的最小步長Lmin。

從圖1可知，受機(jī)動(dòng)性約束，無人機(jī)風(fēng)機(jī)的路徑偏轉(zhuǎn)角度需要滿足-?ψmax≤-?ψi≤?ψmax的條件，則?ψmax如公式（2）、公式（3）所示。

（2）

（3）

式中：rmin為無人機(jī)行駛的最小轉(zhuǎn)彎半徑；nmax為無人機(jī)行駛的最大法向過載；v為無人機(jī)的當(dāng)前飛行速度；g為重力加速度。

航跡規(guī)劃是指在給定的空間內(nèi)，利用直線連接2個(gè)相鄰的路徑結(jié)點(diǎn)，得到1條滿足約束的航線。每條巡檢路徑可以由1組S，D1，D2，…， Dn-1序列點(diǎn)來表示（如圖2所示）。

在該基礎(chǔ)上，設(shè)1條包括n+1個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的巡檢路線，pi為該路徑第 i 個(gè)線段的長度，以該起止點(diǎn)作為無人飛行器巡檢作業(yè)的起止點(diǎn)。約束條件的目標(biāo)函數(shù)如公式（4）所示。

（4）

式中：min f為最小目標(biāo)函數(shù)；h為懲罰函數(shù)。

綜上所述，設(shè)置無人機(jī)風(fēng)機(jī)巡檢路徑規(guī)劃約束條件，使無人機(jī)能夠安全地完成巡檢任務(wù)。

1.2 優(yōu)化無人機(jī)風(fēng)機(jī)飛行速度

為避免風(fēng)對軌跡規(guī)劃的影響本文設(shè)置2種特定飛行速度，即最大耐力速度vme和最大航程速度vmr。

1.2.1 最大耐力速度

無人機(jī)風(fēng)機(jī)的飛行能耗主要包括推進(jìn)能量和引力勢能2個(gè)部分。在低速飛行的情況下，無人機(jī)須耗時(shí)很久才能抵達(dá)目標(biāo)地點(diǎn)。當(dāng)風(fēng)速較大時(shí)，在風(fēng)力作用下，推進(jìn)器的能量消耗會(huì)以幾何倍數(shù)增長。為提升無人機(jī)飛行的效率，給定風(fēng)速為vw，最大耐力速度如公式（5）所示。

（5）

飛行能耗EP、無人機(jī)相對地面速度vu的導(dǎo)數(shù)如公式（6）所示。

（6）

式中：m為無人機(jī)風(fēng)機(jī)巡檢效率；s為無人機(jī)風(fēng)機(jī)巡檢時(shí)間。令，可以得到vme。

1.2.2 最大航程速度（vmr）

最大航程速度為使無人機(jī)飛行距離最大化的航程速度。給定的無人機(jī)電池容量為EU，無人機(jī)飛行距離為Ep，每1 m的能耗如公式（7）所示。

（7）

式中：vu為飛行速度。

為了擴(kuò)大無人機(jī)探測范圍，根據(jù)公式（6），給定風(fēng)速為vw，最佳磁流變速度。計(jì)算飛行能耗p（v）、無人機(jī)相對飛行速度vu的導(dǎo)數(shù)，如公式（8）所示。

（8）

1.3 構(gòu)建無人機(jī)風(fēng)機(jī)巡檢模型

在上述研究的基礎(chǔ)上構(gòu)建無人機(jī)風(fēng)機(jī)巡檢模型。首先，根據(jù)無人機(jī)的飛行速度、飛行高度和續(xù)航能力等參數(shù)，對無人機(jī)的性能進(jìn)行建模。這些參數(shù)將直接影響無人機(jī)的巡檢能力，例如拍攝質(zhì)量和覆蓋范圍等。其次，根據(jù)風(fēng)機(jī)的位置、形狀和高度等參數(shù)，對風(fēng)機(jī)布局進(jìn)行建模。最后，在無人機(jī)風(fēng)機(jī)巡檢過程中，拍攝質(zhì)量十分重要，因此，須根據(jù)拍攝角度、分辨率和光照等參數(shù)，對拍攝質(zhì)量進(jìn)行建模。將相關(guān)參數(shù)進(jìn)行加權(quán)歸一化處理，以構(gòu)建一個(gè)完善的無人機(jī)風(fēng)機(jī)巡檢模型，如公式（9）所示。

G=[Za，xa，ya，I，di，k] " " " （9）

式中：G為無人機(jī)風(fēng)機(jī)巡檢模型表達(dá)式；xa、ya分別為在水平坐標(biāo)系中的橫向和縱向位置；Za為無人機(jī)路徑規(guī)劃模型；I為拍攝質(zhì)量評估模型；di為避障模型；k為通信模型。

綜上所述，基于無人機(jī)的性能、風(fēng)機(jī)的布局、拍攝質(zhì)量要求以及環(huán)境條件等構(gòu)建無人機(jī)風(fēng)機(jī)巡檢模型。該模型可以模擬無人機(jī)在風(fēng)機(jī)間的巡檢過程，并為路徑規(guī)劃和避障策略提供有力支持。

1.4 確定無人機(jī)風(fēng)機(jī)巡檢路線極坐標(biāo)編碼

采用在無人機(jī)巡檢過程中對路徑點(diǎn)進(jìn)行編碼的方法，對巡檢路徑極坐標(biāo)進(jìn)行編碼，巡檢路徑極坐標(biāo)如圖3所示。以檢測軌跡的起點(diǎn)為原點(diǎn)，以端點(diǎn)與起點(diǎn)的連線為極軸，起點(diǎn)和終點(diǎn)的坐標(biāo)為（0，0）、（ρT，θT），在該基礎(chǔ)上，將巡檢軌跡根據(jù)Lmin劃分為 N個(gè)區(qū)段。在選擇過程中，初始圓的半徑ρ0gt;Lmin，ρT為起始點(diǎn)至終點(diǎn)的距離，則N=。

路徑初始偏移角為?φ1，第一軌跡分段（0→1），?φ1為路徑段（i-1→i）偏離路徑段（i-2→i-1）的偏轉(zhuǎn)角，?φi∈[-?φmax，?φmax]。

根據(jù)巡檢道偏轉(zhuǎn)角調(diào)節(jié)比例?φc的倍數(shù)來對巡檢路徑極坐標(biāo)進(jìn)行編碼，ρ0以極角半徑為單位，路徑點(diǎn)（1，2，3，…，n-1）的極徑依次為（L1，L2，L3，…，Ln-1）。如果無人機(jī)巡檢路徑的第i個(gè)路徑段基因的值為K，那么路徑段（i-1，i）偏離路徑段（i-2，i-1）的偏角為?φi=gi?φ0。無人機(jī)飛行路徑基因位gi的范圍如公式（10）所示。

（10）

式中：Δφmax為最長偏離路徑；Δφ0為坐標(biāo)0處的偏轉(zhuǎn)角度。

每個(gè)路徑點(diǎn)在坐標(biāo)系下極坐標(biāo)編碼（xi，yi）如公式（11）、公式（12）所示。

xi=i×Lcosθi （11）

yi=i×Lsinθi （12）

式中：xi為每個(gè)路徑點(diǎn)在橫坐標(biāo)上的極坐標(biāo)編碼；yi為每個(gè)路徑點(diǎn)在縱坐標(biāo)上的極坐標(biāo)編碼；L為偏離路徑長度；θi為巡視道偏轉(zhuǎn)角。

綜上所述，確定無人機(jī)巡視過程路徑點(diǎn)極坐標(biāo)編碼，規(guī)劃巡檢路徑。

2 試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

本次測試采用飛行性能和負(fù)載能力出色的無人機(jī)設(shè)備，以評估其性能。測試選用相機(jī)、GPS和IMU等多種傳感器設(shè)備，用于拍攝風(fēng)機(jī)葉片影像以及記錄位置信息等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。計(jì)算機(jī)設(shè)備用于數(shù)據(jù)處理和控制無人機(jī)。風(fēng)機(jī)位置數(shù)據(jù)可提供試驗(yàn)風(fēng)場中各風(fēng)機(jī)的精確位置信息。環(huán)境數(shù)據(jù)（包括氣候和地理信息等）用于評估環(huán)境對巡檢路線的影響。綜合運(yùn)用以上設(shè)備和數(shù)據(jù)，全面評估無人機(jī)在風(fēng)機(jī)巡檢中的應(yīng)用潛力。無人機(jī)飛行參數(shù)見表1。

在試驗(yàn)過程中有以下6個(gè)注意事項(xiàng)。1） 試驗(yàn)環(huán)境。保障試驗(yàn)環(huán)境安全、可靠。選擇一個(gè)相對開闊、無障礙物的場地進(jìn)行試驗(yàn)，以避免無人機(jī)在巡檢過程中遇到障礙物并發(fā)生意外。2）試驗(yàn)設(shè)備。在試驗(yàn)前，須對試驗(yàn)設(shè)備（例如無人機(jī)、攝像頭和電池等）進(jìn)行充分測試和校準(zhǔn)，以驗(yàn)證設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性，保證試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確。3）路線規(guī)劃。根據(jù)實(shí)際情況，選擇合適的路線進(jìn)行試驗(yàn)。在規(guī)劃路線的過程中，應(yīng)考慮無人機(jī)的性能、風(fēng)機(jī)的布局和拍攝質(zhì)量要求等因素，以保證無人機(jī)能夠順利完成巡檢任務(wù)。4）操作人員。關(guān)注無人機(jī)的飛行狀態(tài)和周圍環(huán)境，當(dāng)遇到異常情況時(shí)，無人機(jī)能夠及時(shí)采取措施。5）數(shù)據(jù)收集與分析。在試驗(yàn)過程中，應(yīng)收集并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，例如飛行時(shí)間、拍攝質(zhì)量合格率、拍攝點(diǎn)數(shù)量、路徑長度以及能耗等。深入分析數(shù)據(jù)，評估不停機(jī)巡檢方法的實(shí)際效果，為后續(xù)優(yōu)化提供參考。6）安全性。在試驗(yàn)過程中，應(yīng)始終將安全性放在首位。應(yīng)提前評估風(fēng)險(xiǎn)，預(yù)防可能存在的安全隱患。例如，當(dāng)遇到惡劣天氣或復(fù)雜環(huán)境時(shí)，應(yīng)及時(shí)停止試驗(yàn)以保障安全。

2.2 試驗(yàn)說明

假設(shè)在無人機(jī)風(fēng)機(jī)巡檢線路中一共有13個(gè)要測站點(diǎn)，起飛點(diǎn)坐標(biāo)為（0，0），降落點(diǎn)坐標(biāo)為（34.0，10.0）。具體待監(jiān)測點(diǎn)的坐標(biāo)方位信息見表2。

為測試本文設(shè)計(jì)的無人機(jī)不停機(jī)巡檢路線規(guī)劃方法的精度，將其與文獻(xiàn)[1]（方法一）、文獻(xiàn)[2]（方法二）進(jìn)行對比，分別判斷3種方法的性能，每隔15 min試驗(yàn)1次，共試驗(yàn)5次，記錄無人機(jī)巡檢了多少個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，得到對比結(jié)果，見表3。

從表3可以看出，方法一和方法二不能巡檢至所有監(jiān)測點(diǎn)，并且方法一巡檢不穩(wěn)定，而本文方法5次試驗(yàn)均巡檢至13個(gè)監(jiān)測點(diǎn)。由此可證明，本文方法準(zhǔn)確率和應(yīng)用價(jià)值更高。

3 結(jié)語

在不停機(jī)巡檢中，無人機(jī)風(fēng)機(jī)巡檢是一項(xiàng)關(guān)鍵任務(wù)，旨在保證風(fēng)力發(fā)電設(shè)備正常運(yùn)行。本文提出一種規(guī)劃方法，構(gòu)建風(fēng)機(jī)模型，定義巡檢路徑和避障規(guī)則，使無人機(jī)在風(fēng)機(jī)間進(jìn)行智能巡檢。未來將繼續(xù)優(yōu)化該方法，以適應(yīng)更復(fù)雜的風(fēng)場環(huán)境，滿足更多樣的巡檢需求。

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