基于PID算法的輸電線路無人機巡檢路徑智能自動規(guī)劃技術

李波, 楊炯, 李寧, 陳煒, 羅宏洋

(寧夏超高壓電力工程有限公司, 寧夏, 銀川 750011)

0 引言

航空技術的逐漸成熟促使無人機被廣泛應用于輸電線路巡檢工作,無人機具有重量輕、體積小、靈活性好等優(yōu)勢,并且能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的自動記錄和保密傳輸[1-2],通常采用人工操控方式或依據(jù)固定航線完成輸電線路巡檢任務[3-4],對巡檢人員全面、及時掌握輸電線路狀態(tài)以及減少輸電線路故障造成的人員傷亡和經(jīng)濟損失具有重要作用。輸電線路無人機巡檢路徑規(guī)劃是提高無人機巡檢效率的有效手段[5],同時對保證無人機安全飛行和有效處理突發(fā)問題也發(fā)揮著不可估量的作用,因此輸電線路無人機巡檢路徑智能自動規(guī)劃技術成為國內(nèi)外研究的熱點課題。

目前很多專家均在該課題的研究上取得了重大突破,例如朱程雯等[6]利用ACO技術完成輸電線路無人機巡檢路徑規(guī)劃,該技術能大幅度縮短巡檢路徑,但對于復雜地形下的規(guī)劃效果不甚理想;黃鶴等[7]利用改進飛蛾撲火算法完成輸電線路無人機巡檢路徑規(guī)劃,該技術避障導航的成功率較高,但較大的計算代價無法滿足巡檢路徑實時規(guī)劃需求。

PID算法是集比例、積分和微分于一身的過程控制方法,具有參數(shù)整定簡單和結(jié)構(gòu)靈活等特點,因此本文提出基于PID算法的輸電線路無人機巡檢路徑智能自動規(guī)劃技術,利用PID算法控制無人機運動狀態(tài),使其能夠依據(jù)規(guī)劃的路徑順利完成輸電線路巡檢任務,進而全面提升無人機在輸電線路巡檢領域的自動化及智能化應用水平。

1 輸電線路無人機巡檢路徑智能自動規(guī)劃

1.1 輸電線路無人機巡檢標志點定位

采用數(shù)據(jù)傳輸鏈路將獲取的信息傳送給移動站接收機,移動站依據(jù)觀測值,通過差分定位方法計算自身相對于基準站的坐標,并依據(jù)基準站坐標計算自身坐標。

輸電線路無人機巡檢標志點的載波整周模糊度,可使用式(1)所示線性組合模型進行計算:

(1)

式(1)中,對于基準站,它的實時位置及其與基準位置的偏差分別用ΔX、ΔY表示,兩者的系數(shù)分別用a、b表示。通過最小二乘平差法計算2個系數(shù),能夠獲得移動站的載波整周模糊度[8],將其代入式(2),即可實現(xiàn)載波側(cè)相偽距觀測:

λφi(t)=ρi(t)-I+i(t)+Ti(t)+

C[dti(t)-dti-1(t)]-λNi+Mi(t)+εi(t)

(2)

式(2)中,相位波長用λ表示,相位觀測標志點的模糊位置用φ表示,載波側(cè)的整周模糊度用N表示,模糊誤差用t表示,各標志點間的幾何距離用ρ表示,接收機的鐘差和噪聲分別用dti、εi表示,對流層誤差用T表示,電離層誤差用I表示,光速用C表示,多路徑的效應誤差用M表示。

利用上式可獲得對輸電線路無人機巡檢標志點定位的模糊數(shù)據(jù),依據(jù)該數(shù)據(jù)通過式(3)所示三邊定位方法完成標志點的坐標定位:

(3)

式(3)中,節(jié)點A位置用(x,y)表示,B、C和D3個節(jié)點的位置分別用(x1,y1)、(x2,y2)和(x3,y3)表示,三者間的距離分別為λ1、λ2、λ3。將該式轉(zhuǎn)換為式(4)所示線性矩陣方程,對其進行求解[9-11],所得結(jié)果即為輸電線路無人機巡檢標志點位置信息。

(4)

1.2 輸電線路無人機巡檢路徑智能自動規(guī)劃實現(xiàn)

1.2.1 輸電線路無人機動力學模型創(chuàng)建

根據(jù)PID參數(shù)創(chuàng)建包含無人機高度和姿態(tài)兩部分的動力學模型,可以更清晰地反映無人機的運動狀態(tài)。通過牛頓-歐拉理論能得到式(5)所示的輸電線路無人機運動規(guī)律:

(5)

G(s)=K/(Ts+1)

(6)

式(6)中,時間常數(shù)用T表示,當轉(zhuǎn)速階躍響應達到0.63倍穩(wěn)態(tài)值時,相應的時間即為T,增益用K表示,其獲取方式為對無人機的螺旋槳升力進行測試,則無人機電機的傳遞函數(shù)為將所得T、K代入式(6)獲得的結(jié)果。

針對無人機高度控制模型,令X、Y軸保持不變,僅考量Z軸的變化,則依據(jù)式(5)可以得到下式所示Z軸誤差值計算過程:

ez=Zref-Z>0

(7)

(8)

同時能得到式(9)所示PID的傳遞函數(shù):

L(s)=ρTγ(s)

(9)

針對無人機姿態(tài)控制模型,偏航角、俯仰角和橫滾角對其具有較大影響,根據(jù)式(5)采用拉普拉斯變換可獲得下式描述的各姿態(tài)角的傳遞函數(shù):

(10)

式(10)中,無人機質(zhì)心和旋翼中心之間的距離用L表示。

式(11)為PID算法對各姿態(tài)角進行控制的誤差計算過程:

(11)

式(12)中,各姿態(tài)角控制的理想值用θref、φref、φref表示,各姿態(tài)角輸入值用θ、φ、φ表示。則各姿態(tài)角閉環(huán)傳遞函數(shù)如式(12):

(12)

1.2.2 基于PID算法的路徑規(guī)劃跟蹤控制器

PID算法通過比例、積分和微分系數(shù)的調(diào)整,可以有效抑制外部干擾對無人機的影響,從而使輸電線路無人機巡檢運動跟蹤控制達到較好的穩(wěn)定性。根據(jù)1.2.1創(chuàng)建的輸電線路無人機動力學模型,采用內(nèi)外環(huán)控制方案,得到如圖1所示的無人機的PID跟蹤控制器框圖。

圖1 PID跟蹤控制器框圖

圖1中,期望值用下標c表示,螺旋槳期望轉(zhuǎn)速用Ωc,i表示,油門指令用σc,i表示,無人機測量出的三維坐標與速度分別用P、dv表示,無人機測量出的姿態(tài)角與角速度分別用Θ、bω表示。在PID跟蹤控制器中,內(nèi)環(huán)用于控制無人機姿態(tài),外環(huán)用于控制無人機位置,使用下式描述PID跟蹤控制器結(jié)構(gòu):

(13)

式(13)中,PID跟蹤控制器的輸入與輸出分別用e、u表示,積分和微分系數(shù)分別用kI和kD表示,積分與微分時間常數(shù)分別用TI、TD表示,比例系數(shù)用kp表示。

1.2.3 輸電線路無人機巡檢路徑智能自動生成

假設無人機中心位置及其和障礙物的距離,分別用lOA、lOD表示,則使用下式描述任意方向上無人機巡檢飛行的安全距離:

(14)

式(14)中,無人機的自由度用m表示,無人機和障礙物的安全距離最大系數(shù)用λ表示。通過該式確定lOA、lOD后,利用下述過程完成輸電線路無人機巡檢路徑規(guī)劃。

(15)

P={Ps,p1(x1,z1),p2(x1,z1),…,pn-1(xn-1,zn-1),Pt}

(16)

2 結(jié)果分析

將某輸電線路巡檢區(qū)域作為實驗對象,其為同塔雙回線路,一路在運行,另外一路停電檢修狀態(tài),線路長度為7.433 km,導線型號為2×LGJ-630/45,試驗前確保線路全線貫通,平均設置10個待巡檢標志點,分別對應現(xiàn)場電源、接地、線路等具體情況。在使用Simulink搭建的仿真環(huán)境中,利用本文技術控制無人機采集該區(qū)域的環(huán)境圖像信息,并完成無人機巡檢路徑智能自動規(guī)劃,進而驅(qū)動無人機按照規(guī)劃的路徑到各標志點完成輸電線路巡檢任務。

通過本文技術對輸電線路無人機巡檢區(qū)域的各標志點進行定位,所得結(jié)果如表1所示。

表1 輸電線路待巡檢標志點定位結(jié)果

從表1可以看出,在X、Y、Z方向的標志點定位誤差皆低于0.25,可保證定位準確性,說明本文技術具有較好的定位效果,有助于提升后續(xù)路徑規(guī)劃精度和推動輸電線路無人機巡檢任務的順利執(zhí)行。

假設輸電線路無人機巡檢時的飛行姿態(tài)包含向前直行、倒退、懸停、左轉(zhuǎn)45°、左轉(zhuǎn)90°、右轉(zhuǎn)45°和右轉(zhuǎn)90° 7種,分別用字母A～G表示,測試本文技術使用前后,無人機完成各飛行姿態(tài)后的抖動范圍,結(jié)果如圖2所示。

圖2 無人機完成各飛行姿態(tài)后的抖動范圍

從圖2可以發(fā)現(xiàn),本文技術使用前,輸電線路無人機完成各飛行姿態(tài)后的抖動范圍在12°～16°之間,本文技術使用后,抖動范圍大幅度縮小,始終保持在2°～4°之間,這是因為在初始狀態(tài)時,設定了各姿態(tài)角控制的理想值,內(nèi)外環(huán)共同控制下的PID控制參數(shù)應用性能得到優(yōu)化,增加飛行姿態(tài)控制效果,縮小抖動范圍。

從輸電線路無人機巡檢區(qū)域選擇大小為160 km×180 km的子區(qū)域進行仿真分析,在其內(nèi)設置5個障礙物和2個禁飛區(qū),分別用編號A1～A7表示,P點代表無人機起始點,Q點代表無人機目標點,使用本文技術規(guī)劃的輸電線路無人機巡檢路徑以及無人機實際飛行路徑,用圖3描述。

圖3 無人機巡檢路徑規(guī)劃結(jié)果及實際飛行結(jié)果

分析圖3可以看出,在復雜環(huán)境條件下,本文技術規(guī)劃的輸電線路無人機巡檢路徑能夠避開全部障礙物和禁飛區(qū),且規(guī)劃的路徑接近一條直線,總航程較短;無人機實際飛行路徑與本文技術規(guī)劃的路徑基本重合,且在A6和A7兩個分布十分密集的禁飛區(qū)之間仍能順利通過。因此表明,本文技術具有較理想的輸電線路無人機巡檢路徑智能自動規(guī)劃效果,且避障能力較為優(yōu)異,同時本文技術可以穩(wěn)定地控制無人機按照規(guī)劃的路徑進行輸電線路巡檢。

測試本文技術使用后,無人機在輸電線路巡檢區(qū)域完成巡檢任務過程中的飛行路徑,具體用圖4描述,其中實心圓點代表各待巡檢標志點。

圖4 無人機完成輸電線路巡檢時的飛行路徑

由圖4可得,本文技術的輸電線路無人機巡檢路徑智能自動規(guī)劃效果較優(yōu)良,能夠?qū)崿F(xiàn)輸電線路巡檢任務的全面覆蓋,有利于保證輸電線路運行安全。

3 總結(jié)

為全面提升無人機完成巡檢任務時的效率,研究基于PID算法的輸電線路無人機巡檢路徑智能自動規(guī)劃技術,規(guī)劃出總航程較短的巡檢路徑,具備較優(yōu)異的避障能力,且該技術引入PID算法能在有效保證無人機飛行穩(wěn)定性的同時,控制無人機依據(jù)規(guī)劃的路徑順利抵達目標點完成全部巡檢任務,以期為無人機安全運行和順利完成既定任務提供保障。