基于遺傳算法的輸電線路無人機巡檢路徑規(guī)劃

　　摘要：隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國電力行業(yè)技術(shù)也在飛速提升，雖然現(xiàn)下輸電線路的巡檢還是人工為主，但是我國地域遼闊，自然環(huán)境非常復(fù)雜，單純的靠人工已經(jīng)不能滿足當(dāng)下的輸電線路巡檢的要求。無人機由于其特殊的巡檢手段，在線路巡檢中應(yīng)用越來越廣泛。目前常用的巡檢路徑規(guī)劃方法是操作人員逐點計算飛行路徑點，然后將這些數(shù)據(jù)手動輸入無人機的導(dǎo)航系統(tǒng)中，計算要求極為精確，計算中出現(xiàn)差錯則會帶來安全隱患。遺傳算法對于無人機巡檢路徑具有良好的全局搜索能力，可以快速地從路徑空間中將無人機最優(yōu)巡檢路徑搜索出來�；�于此，本文將對無人機巡檢輸電線路的路徑規(guī)劃算法研究，希望給行業(yè)內(nèi)人士以借鑒和啟發(fā)。

　　關(guān)鍵詞：無人機;遺傳算法;輸電線路巡檢;路徑規(guī)劃;染色體編碼

　　引言

　　當(dāng)前輸電線路檢驗手段主要分為人工檢驗和機器檢驗兩類，人工檢驗面臨龐大的工作量和惡劣的工作環(huán)境。機器檢驗主要依賴先進(jìn)的機器進(jìn)行排查，在檢驗過程中，機器的工作效率決定檢查效率。目前，使用無人機進(jìn)行輸電線路巡檢的方法逐漸興起，使用無人機巡檢輸電線路要提前規(guī)劃巡檢路徑，其巡檢路徑包括:作業(yè)起飛點、降落點以及巡檢作業(yè)目標(biāo)點經(jīng)緯度位置信息等�？傊�，使用無人機可以做到自主巡檢，極大的提升工作效率。

　　1輸電線路無人機巡檢技術(shù)

　　使用無人機巡檢輸電線路可以提升工作效率，目前巡檢過程中常用的無人機為四旋翼無人機。四旋翼無人機有點突出，空載重量小，僅為9千克;續(xù)航時間長，達(dá)到2小時左右，超過其他類無人機;負(fù)重大，可負(fù)重20斤，是目前負(fù)重量最大的無人機類型;巡航速度快巡航速度最快達(dá)到60千米/時，升限高度達(dá)到5千米。

　　2無人機巡檢路徑規(guī)劃約束條件

　　固定翼無人機進(jìn)行輸電線路巡檢時，其路徑規(guī)劃受到包括巡檢任務(wù)和無人機性能參數(shù)等多種約束條件，這些約束條件使得尋找安全、合適、有效的輸電線路無人機巡檢路徑變得極為困難。輸電線路無人機巡檢路徑規(guī)劃中需要考慮的約束條件主要有最大航程、最小步長、最大路徑偏移角。

　　3遺傳算法基本原理

　　遺傳算法從隨機生成的初始群體出發(fā)，初始群體由一定數(shù)目的個體組成，在無人機飛行的起點S到終點E之間，用一系列隨機連續(xù)折線連接S和E。每個個體代表一條路徑，把選擇、交叉和變異作為基本的算子，選擇操作讓父代個體(優(yōu)化后的路徑)以很大概率被子代繼承，優(yōu)化后的路徑在交叉與變異操作中以一定的概率交換路徑信息，從而改變巡檢路徑的基本信息，使得巡檢路徑在操作過程中變得更合適。當(dāng)進(jìn)化過程結(jié)束后，最優(yōu)最大適應(yīng)度值的路徑就是無人機飛行路徑最優(yōu)解。

　　4無人機巡檢路徑規(guī)劃問題描述

　　4.1飛行姿態(tài)

　　輸電線路的狀態(tài)是靜止的，如要高效率完成線路巡檢工作，無人機的飛行姿態(tài)極其重要。正確的飛行姿態(tài)可以順利采集圖像。干擾無人機飛行姿態(tài)的主要因素有:氣流、風(fēng)向、操作能力等。如要保證正確的飛行姿態(tài)，控制人員要做到精確控制，可以應(yīng)對多種突發(fā)情況。

　　4.2圖像預(yù)處理和優(yōu)化技術(shù)

　　無人機巡檢技術(shù)的核心是通過無人機攜帶的圖像設(shè)備收集輸電線路的狀態(tài)通過傳輸設(shè)備傳回控制中心，控制中心再進(jìn)行排查和處理。在整體過程中，如何收集高質(zhì)量的圖像，并對圖像進(jìn)行預(yù)處理是保障巡檢成功的關(guān)鍵因素。造成圖像拍攝模糊的因素眾多，如傳回圖像數(shù)據(jù)模糊，則有可能遺漏故障。因此，分析和判斷無人機采集圖像信息的時候應(yīng)用合理的處理圖像方式十分重要。

　　5輸電線路無人機巡檢關(guān)鍵技術(shù)

　　無人機巡檢系統(tǒng)是一個復(fù)雜的一體化系統(tǒng),包含電子通信、跨航空、地理信息、導(dǎo)航定位、圖像識別等多個學(xué)科,無人機巡檢系統(tǒng)主要可分為六個部分:飛行平臺、地面監(jiān)控系統(tǒng)、信息傳輸系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)、檢測系統(tǒng),飛行平臺包括機體、動力系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、云臺及其他保證飛行平臺正常工作的設(shè)備和部件;飛行控制系統(tǒng)主要包括GPS接收機、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、氣壓傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器等部件;地面監(jiān)控系統(tǒng)主要分為圖像監(jiān)視系統(tǒng)和飛行數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)兩部分;檢測系統(tǒng)也稱為任務(wù)設(shè)備,用于存儲和獲取輸電線路巡檢資料;信息傳輸系統(tǒng)負(fù)責(zé)實時傳輸飛行數(shù)據(jù)和發(fā)送控制指令,可以實時傳輸無人機監(jiān)控和巡檢圖像;保障系統(tǒng)包括作業(yè)工具儀器和保障車輛。

　　5.1無人機飛行姿態(tài)控制

　　無人機巡線時為了保證采集到的圖像效果,需要對線路和桿塔進(jìn)行近距離拍攝,而且在巡線過程中容易受到不穩(wěn)定氣流和風(fēng)向的影響。為了保證無人機巡線的安全,必須精確穩(wěn)定的控制無人機飛行姿態(tài)。李迪,陳向堅等提出基于區(qū)間二型模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別的增益自適應(yīng)模糊控制器,用于解決無人機姿態(tài)角引起的系統(tǒng)不穩(wěn)定性和外界干擾等問題,仿真結(jié)果表明,相對于傳統(tǒng)的基于一型模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識的控制器和增益自適應(yīng)滑�？刂破�,該方法優(yōu)勢具有較為明顯,不僅穩(wěn)定誤差小,跟蹤精度高,而且對系統(tǒng)的不確定性得外界干擾因素具有較強的魯棒性。

　　5.2無線通訊技術(shù)及其抗干擾性

　　輸電線路和桿塔周圍存在強電磁場,這會對信號的傳輸帶來影響。無線傳輸模塊需要完成無人機和地面基站直接雙向數(shù)據(jù)傳輸。包括地面基站和操作人員發(fā)出的各種飛行控制和動作指令,無人機位置信息確定以及拍攝的實時視頻、圖像的數(shù)據(jù)的傳輸,要求具有傳輸速度快,距離遠(yuǎn),較強的抗干擾能力等特點。

　　5.3圖像數(shù)據(jù)預(yù)處理與優(yōu)化

　　為了實現(xiàn)對線路和桿塔零部件的狀態(tài)檢測,需要采集高質(zhì)量的影像信息。在進(jìn)行輸電線路圖像和視頻信息采集過程中,輸電線路的故障診斷和定位會因為無人機成像設(shè)備或者機身抖動容易造成圖像模糊。所以,必不可少的一個重要環(huán)節(jié)之一是模糊圖像的復(fù)原。但是輸電線路走廊地貌不斷變化,環(huán)境復(fù)雜,這種背景變化復(fù)雜多變性使目標(biāo)圖像和背景之間差異小,加大圖像識別難度。此外,通過肉眼識別圖像中出現(xiàn)的故障,工作人員還會漏掉部分故障,而且這種方式不僅效率低。所以采用合適的圖像處理方法用于配合人工對無人機采集的圖像信息進(jìn)行分析判斷也是極為關(guān)鍵的一項技術(shù)。

　　6遺傳算法的運算流程

　　使用選擇、交叉和變異三種遺傳算子遺傳算法主要操作流程如下:(1)編碼:編碼是從表現(xiàn)型到基因型的映射。遺傳算法在進(jìn)行搜索之前先讓遺傳空間的基因型串結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)由解空間的數(shù)據(jù)來表示,這些串結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的不同組合可以形成不同的點。(2)初始群體的生成:隨機產(chǎn)生N個初始串結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù),也就是N個個體,并由它們構(gòu)成一個群體。遺傳算法以這N個個體構(gòu)成初始群體P(0)。(3)適應(yīng)度值評價檢測:個體或解的優(yōu)劣性由適應(yīng)度函數(shù)來體現(xiàn)。適應(yīng)度函數(shù)根據(jù)不同的問題其定義方式不同。群體P(t)中各個個體的適應(yīng)度需要結(jié)合具體問題來計算。(4)選擇:將選擇算子作用于群體。(5)交叉:將交叉算子作用于群體。(6)變異:將變異算子作用于群體。

　　結(jié)語

　　本文通過建立巡檢路徑數(shù)學(xué)模型，采用遺傳算法進(jìn)行無人機巡檢路徑規(guī)劃，，為無人機規(guī)劃了較為合理的飛行路徑。實現(xiàn)了無人機輸電線路巡檢路徑的規(guī)劃，并經(jīng)過仿真驗證該算法的有效性，計算出的路徑可以提高巡檢質(zhì)量和效率，保證巡檢安全，具有較高的實用價值

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]蘭長俊.架空輸電線路鐵塔結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)設(shè)計要點研究[J].低碳世界，2014(07).

　　[2]王振華，黃宵寧，梁焜，李少斌，楊忠.基于四旋翼無人機的輸電線路巡檢系統(tǒng)研究[J].中國電力，2012(10).

　　作者：趙登

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