基于遺傳算法的輸電線路無(wú)人機(jī)巡檢路徑規(guī)劃

　　摘要：隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)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(guó)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(wú)人機(jī)由于其特殊的巡檢手段，在線路巡檢中應(yīng)用越來(lái)越廣泛。目前常用的巡檢路徑規(guī)劃方法是操作人員逐點(diǎn)計(jì)算飛行路徑點(diǎn)，然后將這些數(shù)據(jù)手動(dòng)輸入無(wú)人機(jī)的導(dǎo)航系統(tǒng)中，計(jì)算要求極為精確，計(jì)算中出現(xiàn)差錯(cuò)則會(huì)帶來(lái)安全隱患。遺傳算法對(duì)于無(wú)人機(jī)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(wú)人機(jī)最優(yōu)巡檢路徑搜索出來(lái)�；�于此，本文將對(duì)無(wú)人機(jī)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(wú)人機(jī);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(yàn)手段主要分為人工檢驗(yàn)和機(jī)器檢驗(yàn)兩類，人工檢驗(yàn)面臨龐大的工作量和惡劣的工作環(huán)境。機(jī)器檢驗(yàn)主要依賴先進(jìn)的機(jī)器進(jìn)行排查，在檢驗(yàn)過(guò)程中，機(jī)器的工作效率決定檢查效率。目前，使用無(wú)人機(jī)進(jìn)行輸電線路巡檢的方法逐漸興起，使用無(wú)人機(jī)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(diǎn)、降落點(diǎn)以及巡檢作業(yè)目標(biāo)點(diǎn)經(jīng)緯度位置信息等�？傊�，使用無(wú)人機(jī)可以做到自主巡檢，極大的提升工作效率。

　　1輸電線路無(wú)人機(jī)巡檢技術(shù)

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

　　2無(wú)人機(jī)巡檢路徑規(guī)劃約束條件

　　固定翼無(wú)人機(jī)進(jìn)行輸電線路巡檢時(shí)，其路徑規(guī)劃受到包括巡檢任務(wù)和無(wú)人機(jī)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(wú)人機(jī)巡檢路徑變得極為困難。輸電線路無(wú)人機(jī)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(zhǎng)、最大路徑偏移角。

　　3遺傳算法基本原理

　　遺傳算法從隨機(jī)生成的初始群體出發(fā)，初始群體由一定數(shù)目的個(gè)體組成，在無(wú)人機(jī)飛行的起點(diǎn)S到終點(diǎn)E之間，用一系列隨機(jī)連續(xù)折線連接S和E。每個(gè)個(gè)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(gè)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(guò)程中變得更合適。當(dāng)進(jìn)化過(guò)程結(jié)束后，最優(yōu)最大適應(yīng)度值的路徑就是無(wú)人機(jī)飛行路徑最優(yōu)解。

　　4無(wú)人機(jī)巡檢路徑規(guī)劃問(wèn)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(wú)人機(jī)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(wú)人機(jī)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(duì)多種突發(fā)情況。

　　4.2圖像預(yù)處理和優(yōu)化技術(shù)

　　無(wú)人機(jī)巡檢技術(shù)的核心是通過(guò)無(wú)人機(jī)攜帶的圖像設(shè)備收集輸電線路的狀態(tài)通過(guò)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(guò)程中，如何收集高質(zhì)量的圖像，并對(duì)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(wú)人機(jī)采集圖像信息的時(shí)候應(yīng)用合理的處理圖像方式十分重要。

　　5輸電線路無(wú)人機(jī)巡檢關(guān)鍵技術(shù)

　　無(wú)人機(jī)巡檢系統(tǒng)是一個(gè)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(shí)別等多個(gè)學(xué)科,無(wú)人機(jī)巡檢系統(tǒng)主要可分為六個(gè)部分:飛行平臺(tái)、地面監(jiān)控系統(tǒng)、信息傳輸系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng),飛行平臺(tái)包括機(jī)體、動(dòng)力系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、云臺(tái)及其他保證飛行平臺(tái)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(jī)、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(cè)系統(tǒng)也稱為任務(wù)設(shè)備,用于存儲(chǔ)和獲取輸電線路巡檢資料;信息傳輸系統(tǒng)負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)傳輸飛行數(shù)據(jù)和發(fā)送控制指令,可以實(shí)時(shí)傳輸無(wú)人機(jī)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(wú)人機(jī)飛行姿態(tài)控制

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

　　5.2無(wú)線通訊技術(shù)及其抗干擾性

　　輸電線路和桿塔周圍存在強(qiáng)電磁場(chǎng),這會(huì)對(duì)信號(hào)的傳輸帶來(lái)影響。無(wú)線傳輸模塊需要完成無(wú)人機(jī)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(dòng)作指令,無(wú)人機(jī)位置信息確定以及拍攝的實(shí)時(shí)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(qiáng)的抗干擾能力等特點(diǎn)。

　　5.3圖像數(shù)據(jù)預(yù)處理與優(yōu)化

　　為了實(shí)現(xiàn)對(duì)線路和桿塔零部件的狀態(tài)檢測(cè),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(guò)程中,輸電線路的故障診斷和定位會(huì)因?yàn)闊o(wú)人機(jī)成像設(shè)備或者機(jī)身抖動(dòng)容易造成圖像模糊。所以,必不可少的一個(gè)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(shí)別難度。此外,通過(guò)肉眼識(shí)別圖像中出現(xiàn)的故障,工作人員還會(huì)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(duì)無(wú)人機(jī)采集的圖像信息進(jìn)行分析判斷也是極為關(guān)鍵的一項(xiàng)技術(shù)。

　　6遺傳算法的運(yùn)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(lái)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(diǎn)。(2)初始群體的生成:隨機(jī)產(chǎn)生N個(gè)初始串結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù),也就是N個(gè)個(gè)體,并由它們構(gòu)成一個(gè)群體。遺傳算法以這N個(gè)個(gè)體構(gòu)成初始群體P(0)。(3)適應(yīng)度值評(píng)價(jià)檢測(cè):個(gè)體或解的優(yōu)劣性由適應(yīng)度函數(shù)來(lái)體現(xiàn)。適應(yīng)度函數(shù)根據(jù)不同的問(wèn)題其定義方式不同。群體P(t)中各個(gè)個(gè)體的適應(yīng)度需要結(jié)合具體問(wèn)題來(lái)計(jì)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(yǔ)

　　本文通過(guò)建立巡檢路徑數(shù)學(xué)模型，采用遺傳算法進(jìn)行無(wú)人機(jī)巡檢路徑規(guī)劃，，為無(wú)人機(jī)規(guī)劃了較為合理的飛行路徑。實(shí)現(xiàn)了無(wú)人機(jī)輸電線路巡檢路徑的規(guī)劃，并經(jīng)過(guò)仿真驗(yàn)證該算法的有效性，計(jì)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(shí)用價(jià)值

　　參考文獻(xiàn)

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　　作者：趙登

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