输电线路无人机自主巡检航迹优化研究

国网福建省电力有限公司漳州供电公司 孙 嫱 汤奕琛 沈如榕

输电线路分布在城市、乡村、山地等各个区域，为了保障居民安全，当前新建的输电线路通常会选择地势更加恶劣的区域。由于输电线路、杆塔部件等所处环境十分恶劣，在长期恶劣环境的威胁下，会出现不同程度的磨损、自爆等严重的损害，导致输电线路的运行质量严重降低，更会进一步出现输电安全事故问题。因此，对不同环境下的输电线路进行定期或不定期地检查和维护，其在维护输电安全中具有十分重要的价值和意义。通过合理的巡检可以对输电线路的运行情况以及被保护区域内环境的变化情况等实时掌握，从而在最短的时间内找出存在的潜在问题，以此防止事故的进一步扩大，保障供电的安全和稳定[1]。当前，随着航空工业领域的发展速度不断加快，采用无人机作为线路巡检的装置设备之一，是近几年来相关领域研究人员重点关注的话题。当前无人机在220kV 及以上典型输电线路上对输电线路进行检测已经十分常见，并且具备成本低、自动化程度高、灵活性强等优势。但由于当前部分无人机在进行巡检的过程中其轨迹的规划上存在问题，进而使得巡检的质量和效率都受到了不同程度上的影响[2]。因此，针对这一问题，本文开展输电线路无人机自主巡检航迹优化研究。

1 输电线路无人机自主巡检航迹优化设计

1.1 确定巡检航迹规划约束条件

为了实现对无人机巡检航迹的全面优化，应在开展相关设计研究前，进行其巡检航迹规划约束条件的确定。在此过程中，应提取影响无人机巡检航迹的因素，作为性能参数，具体包括巡检航迹执行的任务、无人机在初始化状态下与执行任务状态下的性能参数，将提取的参数值作为约束条件指令集合，进行约束条件的进一步描述[3]。选定的巡检航迹规划约束条件之一为最大航程，将此条件表示为Vmax，设定无人机巡检航迹的整条航迹上一共存在m 个转接点，则无人机的巡检航迹规划可用下述图1表示。

图1 无人机巡检航迹规划最大航线

假设无人机在执行任务时，其中第i 段（例如1→2）的航程距离表示为vi，则对应的总里程应当满足下述条件：

公式中：V 表示为无人机飞行总里程，计算单位为km。除上文提出的约束条件，还应当根据前端执行任务的需求，进行无人机最小步长的设计。例如，无人机在飞行时或执行某项巡检任务时，机体直线飞行会受到惯性与风阻等外界作用力的影响，而在此过程中机体方向移动的最小距离可以表示为最小步长，使用L 表示，在进行步长约束时，应当满足的条件为：lj≥Lmin，其中lj表示为最小步长节点；Lmin表示为最小步长。综合上述内容，完成对约束条件的设计。

1.2 建立巡检航迹的表达式及目标函数

确定巡检航迹规划约束条件后，在设定的空间当中找出符合上述约束条件的巡检航迹，并在相同空间当中找出一系列航迹节点，计算得出其相应的路径，将任意两个相邻的航迹节点用线段进行连接。其中，每一条巡检航迹均可以利用L 集合表示，L集合的表达式为：

公式（3）中，S 表示为起点；E 表示为终点；Di表示为巡检航迹中的各个点，i=1,2,3，……，n-1。采用一系列节点用来对无人机的巡检航迹进行表示能够结合无人机在真实作业环境中的需要，结合其期望值对巡检航迹上的规划节点数量进行动态调整。同时，通过上述公式（3）的构建，能够将巡检航迹优化问题，转变为对多个轨迹节点优化问题，实现对其优化复杂程度的进一步降低。同时，在进行问题划分的过程中，还应当在明确上述规划约束条件的基础上完成，从初始问题提出到实现整个巡检航迹的优化，均需要对其是否满足相应的约束条件进行判断。假设在一条包含n+1个的目标点巡检航迹当中，已知该路径的某一段的具体长度值时，其起飞点为无人机自主巡检航迹作业的起飞基地，则其目标函数可表示为：

公式（4）中，f 表示为目标函数；pi表示为某一路径i 段的长度值；h 表示为惩罚函数，根据上述论述可知为实现对巡检航迹的优化，需要求解出上述公式（4）目标函数的最小值，以此实现对无人机自主巡检航迹优化目标函数的构建。

1.3 生成最优巡检航迹路线

按照本文上述论述内容，通过相应的运算，实现对巡检航迹表达式和目标函数的建立后，为了方便无人机自主巡检对航迹的识别，将最终得到的最优巡检航迹路线以文件的形式生成。生成的最优巡检航迹路线文件必须是无人机内部控制装置能够识别的文件格式，同时为了确保生成的效率，选择对上述完成处理的航迹数据进行预处理操作。将数据当中存在使航迹出现短时间内移动量较大的数据点清除[4-6]。同时，在完成对数据的预处理后，还应当将各个保留的航迹数据与对应的路网结构进行匹配，并根据具体无人机作业的实际要求，通过上报次数、可行度等参数，对生成的航迹路线是否存在误差进行判断，并将存在的相同航迹进行合并处理。将无人机与无人机控制平台以无线传输的方式连接，在控制平台上明确无人机在巡检过程中的路网数据交点、设施标注点等，并以上述航迹数据为基础，生成未审核的巡检航迹规划数据，在数据发生改变的过程中，涉及的航迹规划应当进行相应的更新，以此实现对航迹的自主调节，得到最优的巡检航迹路线[7-8]。

2 优化前后应用效果对比

结合本文上述论述的内容，为实现对优化后无人机自主巡检轨迹在真实环境当中是否具备更高的可行性和精度，本文选择以某供电企业当前正在开展的项目为例，该项目名称为输电线路轻量化无人机智能巡检系统示范应用，将本文上述优化后的无人机自主巡检航迹应用到该项目当中，并将其与优化前巡检航迹的应用效果进行对比，实现在现场验证本文优化后的巡检轨迹条件下，巡检数据的可行性及精度。假设在输电线路上包含12个待测点，已知无人机起飞的坐标为（0,0），降落点的坐标为（3.8,4.6）。在每个待测点之间仅选择两个点作为研究对象，按照本文上述优化思路，对该线路上的无人机自主巡检航迹进行优化。完成优化后，将优化前后巡检航迹输入到无人机的控制中心，并按照航迹完成飞行，对比优化前后无人机能够实现在待测点上方精准飞过的待测点个数，并将实验结果记录如表1所示。

表1 巡检航迹优化前后实验结果记录表

从表1记录的数据可以看出，优化后无人机的航迹能够经过所有该线路上包含的待测点，而优化前无人机航迹仅能够经过少部分线路上包含的待测点。因此，通过上述应用实验证明，本文优化后的无人机自主巡检航迹能够实现对各个待测点的精准定位，并生成精度更高的巡检航迹，本文上述设计的优化思路具有较高的可行性和精度。除此之外，将本文上述实现输电线路无人机自主巡检航迹优化的思路应用到实际输电线路的巡检工作当中，能够进一步形成输电线路无人机智能巡检标准化作业流程，从而在一定程度上提高供电企业对输电线路的巡检效率，确保巡线的安全[9-10]。

3 结语

无人机巡检一直是220kV 及以上典型输电线路智能化应用的必要手段之一，并且逐渐受到人们的关注。但当前阶段无人机的巡检作业仍然存在缺乏规范巡检路径，缺乏合理作业流程的问题。针对这一问题，本文开展输电线路无人机自主巡检航迹优化研究，并设计了一种全新的航迹优化思路，通过实验证明了其可行性和精度。在今后的研究中，针对无人机巡检航迹的实时飞行高度改变、三维巡检路径规划等问题进行更加深入的研究，从而保证无人机巡检与各个目标物之间的高度稳定，实现无人机巡检的自动化和智能化。