輸電線路異地面站無人機集群航線規劃條件約束

廣西電網有限責任公司電力科學研究院 黃志都 崔志美

近年來，無人機技術飛速發展，應用領域寬廣，在輸電線路巡檢方面運用十分普遍。隨著無人機執行任務環境的復雜化、任務多樣化、任務范圍擴大化，采用多平臺無人機集群協同工作成為無人機執行任務的主要形式[1]。

無人機集群協同執行任務需考慮無人機編隊，對無人機編隊的方法及控制展開研究，無人機編隊執行任務既能提高作業效果，又能在單機故障時，其他無人機替代其任務，確保任務計劃的完成。文獻[2]研究了無人機編隊的航線規劃，提出了無人機編隊航線規劃應考慮的約束條件，給出了具體的方法。文獻[3]研究實現了基于差分進化算法的無人集群協同航線規劃，并確保了航行的安全和任務的完成。

根據已有的研究表明：將多架次無人機編組，讓其協同開展輸電線路巡線任務，既能降低單架次無人機的損壞概率，同時還能增大多單次巡線的效果及執行任務的時間。因此，無人機組隊聯合執行輸電線路巡線任務是一個研究的熱門方向。執行任務時，若個別無人機出現故障，其他單機可迅速替代故障無人機機完成預先設定的任務計劃，由此可知，多架次無人機組隊出行執行任務時，對提高系統的魯棒性和容錯性效果明顯，可更好的完成任務計劃。

隨著科技的發展，無人機航線規劃的方法取得重大突破，主要有下述幾種：（1）根據預先制定的規則將自由的空間表示成一個網絡圖，該網絡圖由多個一維線段組成，再選用某種搜索算法進行航線規劃圖形的航線規劃算法；（2）基于路徑優化的航線規劃算法，因無人機六自由度機動特性和易損毀性的熱電，所規劃出的航線應該滿足空間可行性，因此其求解結果應該是一條曲率滿足無人機性能且平滑路線；（3）基于群智能的航線規劃算法,該方法目前運用相對較多；（4）基于數值方法的航線規劃算法,該方法群智能算法的基礎上考慮了無人機動力學模型，規劃結果可以控制系統的參考指令，降低了控制難度。

文中針對上述研究，針對輸電線路采用無人機巡檢的模式，闡述了輸電線路異地面站無人機集群協同執行任務航線規劃的約束條件，在保持異地面控制站無人機航線通信的基礎上，將多約束條件進行轉化，采取SaDE算法對航線進行規劃。

1 概述

無人機航跡規劃是需要全面考慮、布局、優化，在復雜空間環境下，綜合各種約束條件，規劃出無人機飛行的最佳路徑。在執行任務的初期，某編隊無人機群從某一地面控制站起飛，另一編隊無人機群從另一地面控制站起飛，經過一段路徑飛行后，安全到達指定任務區域執行任務。無人機集群協同航線規劃問題，是指兩異地控制站無人機集群以起飛位置為起點，以到達任務區域為終點，全面考慮威脅規避、碰撞沖突、通信連接、到達時間等諸多因素，形成航跡性能達到最優的集群航行路徑，從而使集群平臺能夠安全、快速地到達任務區域。

2 約束條件

2.1 無人機性能約束[2]

無人機性能約束主要有以下幾點，一是無人機最大飛行距離；二是無人機水平飛行時如何改變航向；三是俯仰角約束，當無人機在某空間平面執行任務時，若受所處位置地形或其他障礙物影響時，無人機需要向上或向下調整姿態，此時會與地面形成一個夾角，此夾角即為俯仰角，它對于航線的規劃和無人機飛行安全至關重要；四是飛行高度的約束，在無人機集群航行時，應確保其離地最小距離，以免發生碰撞，威脅無人機飛行安全。

2.1.1 最大飛行距離

無人機最大飛行距離是根據電池續航能力決定，如圖1所示，無人機航線由n個航線點構成，在某段航程的里程為Lx，則總的續航里程L可表達為：

圖1 無人機航線軌跡

2.1.2 俯仰角約束

俯仰角是無人機與地面的夾角，如圖2所示，φmax為最大俯仰角。通常無人機保持在某一水平面航行，若收障礙物或地線約束時，需要向上或向下改變飛行姿態和高度，為保證無人機的飛行安全，在航線規劃時必須考慮俯仰角小于最大俯仰角φmax，假設比鄰兩點航線高度差為|hi－hi－1|，則俯仰角可表達為：

圖2 俯仰角約束示意圖

2.1.3飛行高度約束

在無人機編隊飛行的過程中，應保證無人機與地面最小離地高度，從而避免因飛行過低與地面發生碰撞。為了保證無人機巡線過程中激光雷達能清晰掃描到被測物，無人機飛行高度也不應過高。為保證無人機飛行安全，需要對無人機編隊的飛行高度加以約束。設hi表示第i段航線的飛行高度，hmin表示最低飛行高度，hmax表示最大飛行高度，該約束表示為：

2.2 威脅約束

2.2.1 碰撞約束

異地面站無人機集群協同飛行執行任務需要考慮集群在空間域、時間域上的協同關系，時間協同關系可通過調度平臺調度無人機集群同時出發時間實現，此時再考慮空間域來判斷碰撞沖突、通信保持的約束關系。對于無人機集群協同飛行航線的規劃問題，異地面站平臺之間發生碰撞的可能極大，因此需要考慮平臺之間的安全半徑。對于碰撞沖突的判斷需要從航行空間、時間耦合角度進行綜合判斷。通過確定到達時間對齊、調整出發時間的實時序關系確保無人機集群的同時到達目的地，再考慮空間碰撞沖突問題，由圖3所示時序關系圖，結合文獻[3]的研究可對航線規劃存在的碰撞沖突進行判斷。

圖3 碰撞檢查時序關系圖

2.2.2 地理圍欄約束

異地面無人機集群在執行任務時，各控制站平臺無人機幾圈要始終在設定的航線范圍內飛行，禁飛出航線范圍之外的領域，與此同時，還應考慮防止飛行至進入禁入地理區域。文獻[4]闡述了無人機集群平臺的航跡與圓形、多邊形地理圍欄之間的關系。對于圓形地理圍欄，若想判斷異地面平臺和地理圍欄之間的位置關系，可通過確認點與圓心的距離判斷；對于多邊形地理圍欄，若想判斷異地面平臺和地理圍欄之間的位置關系，往往是通過已有的經典幾何方法來確認。

2.2.3 轉彎約束

在執行輸電線路巡線過程前，對無人機集群航跡規劃時，還應該考慮平臺轉彎機動約束，生產的航跡應確保滿足滿足平臺的機動特性。如圖4所示，為相鄰的3個路徑點，假如3個路徑點的距離較遠，航段間的夾角就很大，無人機完成轉彎時的半徑就會大于平臺的最小轉彎半徑；假如3個路徑點的距離較近，航段間的夾角就很小，無人機完成轉彎時的半徑就會小于平臺的最小轉彎半徑。由此可以確認，無人機轉彎半徑對3個路徑點的位置關系存在約束。

圖4 無人機轉彎半徑示意圖

2.2.4 通信約束

輸電線路異地面站無人機集群協同執行任務的能力需要在可靠的通信網絡條件下完成，無人機協同完成任務的關鍵條件是彼此之間保持良好的通信連接，在執行多任務、復雜的航線條件下表現得尤為突出。

異地面控制站無人機集群與單地面控制站集群不同，A地面控制站集群與B地面控制站集群不僅需要保持群內之間的通信連接，A、B控制站之間也需保持通信連接，即A、B地面控制站之間保存空間通信鏈接正常。因不同控制站平臺之間的通信能力不同、平臺之間的距離不同，在航跡規劃時需要考慮不同控制站平臺之間的通信范圍，從而使跨域地面控制站無人機系統通信連接暢通。

3 航線規劃問題

基于上述約束條件，可以通過SaDE算法對輸電線路異地面控制站無人機集群航線進行優化，以生產最優的航跡。首先對路徑進行編碼。然后對產生的初始種群進行代數初始化，根據地理圍欄約束信息，確定各路徑點的空間，再確定邊界；最后通過計算適應度函數進行進化操作。在優化初始階段，需要考慮并尋找符合約束條件、盡可能多的“可行航跡”，變異算子需要設置足夠大，主要是提高種群的多樣性和防止“早熟”現象的發生；在優化后期，重點是考慮在“可行航跡”中尋求最合理的航跡，此時變異算子應設置較小，以便將精度提高至最優。最后通過仿真試驗，確定異地面控制站無人機集群的初始信息，得出航跡規劃結果，通過航跡優化函數與迭代次數關系曲線、無人機集群航線時序關系、異地面控制站間最小距離與最大距離隨時間變化的曲線進行驗證分析。

4 結語

無人機集群協同執行輸電線路巡線任務約束條件諸多，可通過合理的航跡規劃能使其安全航行并高效完成任務。在異地面控制站無人機集群協同工作時，在考慮文中所述約束條件時，必須引入相關算法進行優化求解，已得到最優的航跡。