基于遺傳算法的輸電線路無人機巡檢路徑規劃

　　摘要：隨著我國經濟的發展，我國電力行業技術也在飛速提升，雖然現下輸電線路的巡檢還是人工為主，但是我國地域遼闊，自然環境非常復雜，單純的靠人工已經不能滿足當下的輸電線路巡檢的要求。無人機由于其特殊的巡檢手段，在線路巡檢中應用越來越廣泛。目前常用的巡檢路徑規劃方法是操作人員逐點計算飛行路徑點，然后將這些數據手動輸入無人機的導航系統中，計算要求極為精確，計算中出現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巡檢路徑搜索出來。基于此，本文將對無人機巡檢輸電線路的路徑規劃算法研究，希望給行業內人士以借鑒和啟發。

　　關鍵詞：無人機;遺傳算法;輸電線路巡檢;路徑規劃;染色體編碼

　　引言

　　當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境。機器檢驗主要依賴先進的機器進行排查，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劃巡檢路徑，其巡檢路徑包括:作業起飛點、降落點以及巡檢作業目標點經緯度位置信息等。總之，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

　　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;續航時間長，達到2小時左右，超過其他類無人機;負重大，可負重20斤，是目前負重量最大的無人機類型;巡航速度快巡航速度最快達到60千米/時，升限高度達到5千米。

　　2無人機巡檢路徑規劃約束條件

　　固定翼無人機進行輸電線路巡檢時，其路徑規劃受到包括巡檢任務和無人機性能參數等多種約束條件，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，初始群體由一定數目的個體組成，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(優化后的路徑)以很大概率被子代繼承，優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。當進化過程結束后，最優最大適應度值的路徑就是無人機飛行路徑最優解。

　　4無人機巡檢路徑規劃問題描述

　　4.1飛行姿態

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

　　4.2圖像預處理和優化技術

　　無人機巡檢技術的核心是通過無人機攜帶的圖像設備收集輸電線路的狀態通過傳輸設備傳回控制中心，控制中心再進行排查和處理。在整體過程中，如何收集高質量的圖像，并對圖像進行預處理是保障巡檢成功的關鍵因素。造成圖像拍攝模糊的因素眾多，如傳回圖像數據模糊，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鍵技術

　　無人機巡檢系統是一個復雜的一體化系統,包含電子通信、跨航空、地理信息、導航定位、圖像識別等多個學科,無人機巡檢系統主要可分為六個部分:飛行平臺、地面監控系統、信息傳輸系統、飛行控制系統、檢測系統,飛行平臺包括機體、動力系統、電氣系統、云臺及其他保證飛行平臺正常工作的設備和部件;飛行控制系統主要包括GPS接收機、慣性導航系統、氣壓傳感器、轉速傳感器等部件;地面監控系統主要分為圖像監視系統和飛行數據監控系統兩部分;檢測系統也稱為任務設備,用于存儲和獲取輸電線路巡檢資料;信息傳輸系統負責實時傳輸飛行數據和發送控制指令,可以實時傳輸無人機監控和巡檢圖像;保障系統包括作業工具儀器和保障車輛。

　　5.1無人機飛行姿態控制

　　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行近距離拍攝,而且在巡線過程中容易受到不穩定氣流和風向的影響。為了保證無人機巡線的安全,必須精確穩定的控制無人機飛行姿態。李迪,陳向堅等提出基于區間二型模糊神經網絡識別的增益自適應模糊控制器,用于解決無人機姿態角引起的系統不穩定性和外界干擾等問題,仿真結果表明,相對于傳統的基于一型模糊神經網絡辨識的控制器和增益自適應滑模控制器,該方法優勢具有較為明顯,不僅穩定誤差小,跟蹤精度高,而且對系統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據傳輸。包括地面基站和操作人員發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、圖像的數據的傳輸,要求具有傳輸速度快,距離遠,較強的抗干擾能力等特點。

　　5.3圖像數據預處理與優化

　　為了實現對線路和桿塔零部件的狀態檢測,需要采集高質量的影像信息。在進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節之一是模糊圖像的復原。但是輸電線路走廊地貌不斷變化,環境復雜,這種背景變化復雜多變性使目標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行分析判斷也是極為關鍵的一項技術。

　　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:編碼是從表現型到基因型的映射。遺傳算法在進行搜索之前先讓遺傳空間的基因型串結構數據由解空間的數據來表示,這些串結構數據的不同組合可以形成不同的點。(2)初始群體的生成:隨機產生N個初始串結構數據,也就是N個個體,并由它們構成一個群體。遺傳算法以這N個個體構成初始群體P(0)。(3)適應度值評價檢測:個體或解的優劣性由適應度函數來體現。適應度函數根據不同的問題其定義方式不同。群體P(t)中各個個體的適應度需要結合具體問題來計算。(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。

　　結語

　　本文通過建立巡檢路徑數學模型，采用遺傳算法進行無人機巡檢路徑規劃，，為無人機規劃了較為合理的飛行路徑。實現了無人機輸電線路巡檢路徑的規劃，并經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量和效率，保證巡檢安全，具有較高的實用價值

　　參考文獻

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　　[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研究[J].中國電力，2012(10).

　　作者：趙登

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