無人機不停機巡檢路線規劃方法

摘 要：傳統的無人機風機巡檢路線規劃方法只能采用固定飛行速度，導致無法準確巡檢所有監測點，因此本文設計一種不停機巡檢的無人機風機巡檢路線規劃方法。設置相應的約束條件，包括無人機的最大航程、最小步長和最大路徑偏移角。在滿足這些約束條件的情況下，提高無人機的飛行速度，構建無人機風機巡檢模型，模擬無人機在風機間的巡檢過程。采用極坐標編碼來表示無人機風機巡檢路線，對風機巡檢路線進行優化。試驗結果表明，本文設計的不停機巡檢的無人機風機巡檢路線規劃方法在5次試驗中均巡檢13個監測點，準確性和應用價值更高。

關鍵詞：不停機；巡檢；無人機；風機；巡檢路線

中圖分類號：TM 63" " " " 文獻標志碼：A

隨著能源行業快速發展，風力發電機組已成為全球范圍內廣泛使用的清潔能源設備。由于風力發電機組結構復雜，運行環境惡劣，因此對其進行高效地巡檢和維護十分重要[1-2]。無人機風機巡檢是一種新型巡檢方式，其具有高效、靈活和安全等優點[3]，為風力發電機組的巡檢和維護提供了新的解決方案。不停機巡檢是無人機風機巡檢的核心要求，其能夠在短時間內完成大量風機的巡檢任務，同時避免影響風機正常運轉[4]。為了實現該目標，需要開發一種高效的無人機巡檢路線規劃方法。本文詳細介紹了不停機巡檢無人機風機巡檢路線規劃方法的研究現狀和發展趨勢。通過分析和比較現有無人機巡檢方法，提出一種無人機巡檢路線規劃方法，旨在提高無人機巡檢的效率和精度。與現有的無人機巡檢路線規劃方法進行對比，證明該方法在提高無人機巡檢效率和精度方面具備優勢。本文探討了該方法在實際應用中可能遇到的問題和解決方案。該方法理論意義重大，實踐價值很高，為能源行業的可持續發展提供新的技術支持和推動力。

1 不停機巡檢的無人機風機巡檢路線規劃方法設計

1.1 無人機風機巡檢路徑規劃約束分析

在巡檢過程中，無人機有巡檢任務、UAV性能等諸多制約，無法尋找安全、可行和有效的巡檢渠道[5]。在無人機巡檢路線的建設過程中，應當關注的約束條件包括最大航程、最小步長和最大路徑偏角，下面對其進行分析。

當巡檢時，假設無人機的最高飛行高度為Vmax，在一條航路中有n個觀測站，其第i個觀測站的最高飛行路線高度為vi，該飛行路線的平均航程V如公式（1）所示。

（1）

式中：i為觀測站數目，其范圍為（1，n）。

最大路徑偏轉角如圖1所示。在飛行過程中，為了克服慣性，無人機必須計算直線飛行的最小步長Lmin。

從圖1可知，受機動性約束，無人機風機的路徑偏轉角度需要滿足-?ψmax≤-?ψi≤?ψmax的條件，則?ψmax如公式（2）、公式（3）所示。

（2）

（3）

式中：rmin為無人機行駛的最小轉彎半徑；nmax為無人機行駛的最大法向過載；v為無人機的當前飛行速度；g為重力加速度。

航跡規劃是指在給定的空間內，利用直線連接2個相鄰的路徑結點，得到1條滿足約束的航線。每條巡檢路徑可以由1組S，D1，D2，…， Dn-1序列點來表示（如圖2所示）。

在該基礎上，設1條包括n+1個目標點的巡檢路線，pi為該路徑第 i 個線段的長度，以該起止點作為無人飛行器巡檢作業的起止點。約束條件的目標函數如公式（4）所示。

（4）

式中：min f為最小目標函數；h為懲罰函數。

綜上所述，設置無人機風機巡檢路徑規劃約束條件，使無人機能夠安全地完成巡檢任務。

1.2 優化無人機風機飛行速度

為避免風對軌跡規劃的影響本文設置2種特定飛行速度，即最大耐力速度vme和最大航程速度vmr。

1.2.1 最大耐力速度

無人機風機的飛行能耗主要包括推進能量和引力勢能2個部分。在低速飛行的情況下，無人機須耗時很久才能抵達目標地點。當風速較大時，在風力作用下，推進器的能量消耗會以幾何倍數增長。為提升無人機飛行的效率，給定風速為vw，最大耐力速度如公式（5）所示。

（5）

飛行能耗EP、無人機相對地面速度vu的導數如公式（6）所示。

（6）

式中：m為無人機風機巡檢效率；s為無人機風機巡檢時間。令，可以得到vme。

1.2.2 最大航程速度（vmr）

最大航程速度為使無人機飛行距離最大化的航程速度。給定的無人機電池容量為EU，無人機飛行距離為Ep，每1 m的能耗如公式（7）所示。

（7）

式中：vu為飛行速度。

為了擴大無人機探測范圍，根據公式（6），給定風速為vw，最佳磁流變速度。計算飛行能耗p（v）、無人機相對飛行速度vu的導數，如公式（8）所示。

（8）

1.3 構建無人機風機巡檢模型

在上述研究的基礎上構建無人機風機巡檢模型。首先，根據無人機的飛行速度、飛行高度和續航能力等參數，對無人機的性能進行建模。這些參數將直接影響無人機的巡檢能力，例如拍攝質量和覆蓋范圍等。其次，根據風機的位置、形狀和高度等參數，對風機布局進行建模。最后，在無人機風機巡檢過程中，拍攝質量十分重要，因此，須根據拍攝角度、分辨率和光照等參數，對拍攝質量進行建模。將相關參數進行加權歸一化處理，以構建一個完善的無人機風機巡檢模型，如公式（9）所示。

G=[Za，xa，ya，I，di，k] " " " （9）

式中：G為無人機風機巡檢模型表達式；xa、ya分別為在水平坐標系中的橫向和縱向位置；Za為無人機路徑規劃模型；I為拍攝質量評估模型；di為避障模型；k為通信模型。

綜上所述，基于無人機的性能、風機的布局、拍攝質量要求以及環境條件等構建無人機風機巡檢模型。該模型可以模擬無人機在風機間的巡檢過程，并為路徑規劃和避障策略提供有力支持。

1.4 確定無人機風機巡檢路線極坐標編碼

采用在無人機巡檢過程中對路徑點進行編碼的方法，對巡檢路徑極坐標進行編碼，巡檢路徑極坐標如圖3所示。以檢測軌跡的起點為原點，以端點與起點的連線為極軸，起點和終點的坐標為（0，0）、（ρT，θT），在該基礎上，將巡檢軌跡根據Lmin劃分為 N個區段。在選擇過程中，初始圓的半徑ρ0gt;Lmin，ρT為起始點至終點的距離，則N=。

路徑初始偏移角為?φ1，第一軌跡分段（0→1），?φ1為路徑段（i-1→i）偏離路徑段（i-2→i-1）的偏轉角，?φi∈[-?φmax，?φmax]。

根據巡檢道偏轉角調節比例?φc的倍數來對巡檢路徑極坐標進行編碼，ρ0以極角半徑為單位，路徑點（1，2，3，…，n-1）的極徑依次為（L1，L2，L3，…，Ln-1）。如果無人機巡檢路徑的第i個路徑段基因的值為K，那么路徑段（i-1，i）偏離路徑段（i-2，i-1）的偏角為?φi=gi?φ0。無人機飛行路徑基因位gi的范圍如公式（10）所示。

（10）

式中：Δφmax為最長偏離路徑；Δφ0為坐標0處的偏轉角度。

每個路徑點在坐標系下極坐標編碼（xi，yi）如公式（11）、公式（12）所示。

xi=i×Lcosθi （11）

yi=i×Lsinθi （12）

式中：xi為每個路徑點在橫坐標上的極坐標編碼；yi為每個路徑點在縱坐標上的極坐標編碼；L為偏離路徑長度；θi為巡視道偏轉角。

綜上所述，確定無人機巡視過程路徑點極坐標編碼，規劃巡檢路徑。

2 試驗

2.1 試驗準備

本次測試采用飛行性能和負載能力出色的無人機設備，以評估其性能。測試選用相機、GPS和IMU等多種傳感器設備，用于拍攝風機葉片影像以及記錄位置信息等關鍵數據。計算機設備用于數據處理和控制無人機。風機位置數據可提供試驗風場中各風機的精確位置信息。環境數據（包括氣候和地理信息等）用于評估環境對巡檢路線的影響。綜合運用以上設備和數據，全面評估無人機在風機巡檢中的應用潛力。無人機飛行參數見表1。

在試驗過程中有以下6個注意事項。1） 試驗環境。保障試驗環境安全、可靠。選擇一個相對開闊、無障礙物的場地進行試驗，以避免無人機在巡檢過程中遇到障礙物并發生意外。2）試驗設備。在試驗前，須對試驗設備（例如無人機、攝像頭和電池等）進行充分測試和校準，以驗證設備的可靠性和穩定性，保證試驗結果準確。3）路線規劃。根據實際情況，選擇合適的路線進行試驗。在規劃路線的過程中，應考慮無人機的性能、風機的布局和拍攝質量要求等因素，以保證無人機能夠順利完成巡檢任務。4）操作人員。關注無人機的飛行狀態和周圍環境，當遇到異常情況時，無人機能夠及時采取措施。5）數據收集與分析。在試驗過程中，應收集并記錄相關數據，例如飛行時間、拍攝質量合格率、拍攝點數量、路徑長度以及能耗等。深入分析數據，評估不停機巡檢方法的實際效果，為后續優化提供參考。6）安全性。在試驗過程中，應始終將安全性放在首位。應提前評估風險，預防可能存在的安全隱患。例如，當遇到惡劣天氣或復雜環境時，應及時停止試驗以保障安全。

2.2 試驗說明

假設在無人機風機巡檢線路中一共有13個要測站點，起飛點坐標為（0，0），降落點坐標為（34.0，10.0）。具體待監測點的坐標方位信息見表2。

為測試本文設計的無人機不停機巡檢路線規劃方法的精度，將其與文獻[1]（方法一）、文獻[2]（方法二）進行對比，分別判斷3種方法的性能，每隔15 min試驗1次，共試驗5次，記錄無人機巡檢了多少個監測點，得到對比結果，見表3。

從表3可以看出，方法一和方法二不能巡檢至所有監測點，并且方法一巡檢不穩定，而本文方法5次試驗均巡檢至13個監測點。由此可證明，本文方法準確率和應用價值更高。

3 結語

在不停機巡檢中，無人機風機巡檢是一項關鍵任務，旨在保證風力發電設備正常運行。本文提出一種規劃方法，構建風機模型，定義巡檢路徑和避障規則，使無人機在風機間進行智能巡檢。未來將繼續優化該方法，以適應更復雜的風場環境，滿足更多樣的巡檢需求。

參考文獻

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