面向铁路巡检的无人机飞行路径规划方法

武岳龙　钟凡　高月

摘要：在之前的铁路路线巡检中，大多采用人工检测方法，不但费时费力，而且效率低下，对于那些地质灾害区域，不能对铁路线路予以有效检测。因此，在铁路巡检时，必须创新巡检方式，运用无人机实现对铁路的巡检，这样既能改进人工检测方法的不足，还能对铁路实况进行展示，提升巡检效率。

关键词：铁路巡检  无人机  飞行路径

前言

近几年，国内铁路交通得到快速发展，致使铁路运营安全也开始受到重视，但当前铁路巡检很多都是通过工作人员进行完成，从铁路特点可知，有的线路跨度较大，而有的线路身处相对恶劣环境下，不仅给巡检工作带来难度，还制约了铁路运行安全。在这个过程中，如果能采用无人机完成巡检工作，既能增强铁路线路巡检整体效率，还能让铁路系统变得更为安全，使其高效运行。

一、铁路巡检无人机飞行路径概述

无人机路径对于铁路巡检有着重要作用，其不但关乎铁路能否实现自动巡航，还影响到巡检质量，所以，应该做好巡检路径有关规划工作，这样既能确保无人机得以安全飞行，而且能让其可以沿着铁路线路稳定飞行。其中在无人机路径方面，很多学者都提出各自观点，并进行了多次尝试，例如，有的学者提出通过轨道跟踪方法，并借助无人机摄像头有效获取图像，了解两条轨道有关信息，同时对铁路线路进行计算，以此确定飞行方向，尽管此种方法有着良好仿真效果，却没有得到实际验证。再如，有的学者运用遗传算法达到对巡检路径的有效规划，并通过极坐标编码这种方式来建构模型，不仅设计了具有巡检路径规划有关遗传算子，而且该种方法相对可靠。

其中要想对铁路沿线各方面实况视频数据进行获取，必须改进巡检效率，在此期间，应该搭建起巡检平台，一般情况下，铁路巡检平台大多由无人机以及RTK等构成。其一，无人机应该是其他设备能否稳定飞行的重要载体，不仅搭载着与其他设备间的联系，而且能让设备有效沿着铁路各线路安全飞行。在这个过程中，无人机飞行往往由专用控制设备进行控制，因此，为了让飞行路径可以与铁路线路有效贴合，必须做好飞行路径规划工作，同时将已经规划好的各路径有机导入到设备中，实现对无人机的指导，进而达到自动巡航目的。其二，RTK属于巡检平台较为高的定位部件，其大致可分成天空端以及地面端，例如，在地面端时，应该把地面视为参考点，并借助卫星信号有效接收信息，从而确定卫星坐标位置，进而把位置信息有效传送到天空端。其三，云台应该是无人机以及相机间的重要连接部件，首先，工作人员应把相机有效固定到无人机中，这样既能确保相机稳定，而且能扩大相机整体拍摄范围。需要注意的是，相机属于采集铁路数据的重要部件，其不但能运用俯视视角完成对铁路实况的准确拍摄，还能为线路故障判断做出良好准备，提供某些参考数据，确保铁路线路安全。

二、无人机飞行路径模型

（一）模型构成

对于无人机来说，其在飞行时，往往通过RTK来获取大地坐标，并把其作为参考，这样在对实际位置进行计算的同时，可以了解其与预设飞行路径相差的有关数值，从而对飞行偏差进行调整。在此期间，要想让无人机达到沿线路飞行这一目的，应该提前构建路径模型，把其用在无人机飞行中。首先，路径模型应该由海拔函数以及路径经度甚至纬度函数构成。例如，海拔函数需要工作人员对铁路线路坡度进行确定，同时了解现场障碍物有关高度，然后运用三次样条插值这种方法进行求取。其中该种方法需要对方程组进行求解，并算出样条曲线处有关数值，确保区间次数全都不高于3。在这个过程中，出于对线路拐弯半径的有关考虑，需要半径大于300米，这样既能让拐弯处曲率相对平缓，而且能提升拐弯处平顺性，从而通过三次样条曲线有效表达出铁路线路状况，进而展现各函数关系。

（二）无人机飞行海拔

在确定飞行路径时，需要对线路运输能力进行考虑，同时还要考察其牵引质量，因此应该确保铁路坡度小于3%，这样才能把铁路面看成是水平面。所以，在对路径模型进行建立时，应该提前对铁路现场予以有效考察，了解障碍物高度，这样结合RTK地面端不但能对地面海拔信息进行确定，还能了解无人机飞行大致海拔。其中，如果海拔高度设定是H0，则把障碍物高度设为H，从而得出公式：。此外，為了进一步掌握路径经度以及纬度间关系，应该对巡检路段各数值进行获取，了解各坐标值，然后运用三次样条函数进行演示，从而确定其关系。

三、无人机飞行路径规划方法

（一）规划算法

从路径规划方面来看，需要对飞行规划方法予以确定，其中规划算法需要对飞行路径科学确定，然后对最长飞行路径进行选取，把其视为等长路径，接着利用插入路径点这种方法有效延长飞行路径，使其达到协同要求，这样既能对最优解进行确定，还能改善巡检效果。与此同时，还能借助协同规划问题的相关解决方法进行层次分解，其不但能让规划难度发生降低，而且能提升路径规划速度。其中遗传算法也属于路径规划中某一方法，其可以对备选路径有效选择，让无人机得到优化处理，并从中选择相关路径，得到相应的规划解决，进而满足协同要求。需要注意的是，备选路径规模很难对其确定，如果集合规模相对较大，会让计算量发生增加，一旦遇到突发威胁时，则无法达到实时性要求，相反，如果集合规模比较小，将不能满足协同要求。因此，应该借助协同代价函数有效处理，进而实现对路径的系统规划，确保规划方法合理性。

（二）实验操作

首先，实验准备。在实验开始前，应该对实验场地进行选取，本文主要选择某个车辆相对较少的路段，其中实验环境大致为：线路长度在1千米左右，轨距为1440mm，同时障碍物高度大约为8米，主要拍摄目标有岩石以及纸箱甚至行人等，通过对铁路线路的有效布置，不仅能实现对线路的科学模拟，还能对异常情况予以了解。在这个过程中，还应构建路径模型，这样既能让无人机飞行有关路径得到生成，还能对相关数值有效读取，进而达到对无人机控制这一目的。其次，实验过程。在做好路径规划准备后，需要获取一些路径原始数据，从而为实验操作提供准确数值。在此期间，需要工作人员手动操控，同时对巡检平台进行搭建，接着运用RTK对各坐标点实时记录，如下图。这样既能对路径准确演示，还能了解其与线路贴合情况，如果生成飞行路径相对光滑，则意味着与线路有着较高贴合度。最后，实验结果。根据路径模型情况，把海拔高度有效设为64米，同时借助巡检平台对其有效测试，最终得到偏差数值为3米左右，并且采集画面有着较高清晰度，进而证明该方法有效。

四、结语

为了让现阶段铁路巡检效率得到改善，可以满足桥梁以及悬崖等一些特殊条件巡检要求，必须运用无人机来搭建巡检平台，同时建立数学模型，这样既能达到自动巡航要求，而且能让巡航变得安全。

参考文献

[1]彭赤，杨磊，周小红，石书山（1.贵州电网有限责任公司生产技术部，陈科羽，谢春.无人机山区环境激光扫描路径规划方法研究[J/OL].激光技术：1-11.

[2]凌健，杨洁，史俊祎.基于多旋翼无人机的500kV架空输电线路巡视技术[J].湖北电力，2019（06）：1-6.

[3]王伟，董晓虎，付晶，杜勇，刘壮，吴军.电力无人机气象环境适应性试验及防倾覆策略[J]. 湖北电力，2019（06）：7-14.

[4]王泉东，伍道乐，杨岳，罗意平，魏晓斌.面向铁路巡检的无人机飞行路径规划方法[J].铁路计算机应用，2019，28（06）：73-77.

[5]王童.神朔铁路综合智能巡检系统设计[J].中国高新科技，2017，1（11）：51-55.

项目

2019年度陕西省教育厅专项科学研究计划项目，《基于铁道巡查中无人机的应用与研究》（项目编号：19JK0503）。

作者简介

武岳龙（1995.5-），男，汉，陕西西安，本科，助理工程师，自动控制技术。钟凡（1986.5-），女，汉，陕西安康，本科，助教，人力资源管理。高月（1994.11-），女，汉，陕西延安，本科，助理工程师，自动控制技术。