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1绪论
1.1课题研究背景及意义
在无人机巡检研究过程中，路径规划是一项很重要的研究项目。无人机的飞行路径对其所能完成的任务以及在飞行效率方面有很大的影响。无人机巡检路径规划受到多种因素的影响，比如飞行地区地理环境的影响、飞行任务要求、机型功能的影响，机体在机身性能的影响等。无人机巡检路径规划就是综合考虑各种影响因素，在满足所有要求的情况下，设计出一条合理的飞行路径使得无人机能够沿此路径飞行顺利地完成巡检任务。目前无人机的使用处于研发和改进过程中，我们缺乏前人的大量实践经验，处于探索和实验过程中，在无人机巡检作业流程和巡检路径方面也缺乏完整的理论体系，因此电力线路无人机巡检路径规划研究具有很大的意义。
1.2 研究现状及发展趋势
无人机巡线技术是最近十年才开始发展的一门新兴科技技术，包括了电力、电子、飞行控制、通信、图像识别、航空等多个高科技技术领域，目前对无人机巡检技术征战研究当中，研究难度也较大。
无人机航拍影像技术：无人机航拍摄影是以无人驾驶飞机作为空中平台，以机载遥感设备，如高分辨率CCD数码相机、轻型光学相机、红外扫描仪，激光扫描仪、磁测仪等获取信息，用计算机对图像信息进行处理，并按照一定精度要求制作成图像。全系统在设计和最优化组合方面具有突出的特点，是集成了高空拍摄、遥控、遥测技术、视频影像微波传输和计算机影像信息处理的新型应用技术。使用无人机进行小区域遥感航拍技术，在实践中取得了明显成效和经验。以无人机为空中遥感平台的微型航空遥感技术，适应国家经济和文化建设发展的需要，为中小城市特别是城、镇、县、乡等地区经济和文化建设提供了有效的遥感技术服务手段。遥感航拍技术对我国经济的发展具有重要的促进作用。
1.3 发展趋势
近年来，无人机作为一个高频词时常出现在公众视野中。事实上，曾经作为高科技手段的无人机巡线，如今已经遍布全国电网输电线路，就连高居世界屋脊的青藏联网工程也实现了无人机巡线。
根据相关数据表明，我国每年电力行业整体投资约为1000亿元，其中硬件设施为73%，说明高压输电设备在国家电网建设上比重越来越大，随着电网的日益扩大，巡线的工作量也日益加大，100公里的巡线工作需要20个巡线人员工作一天才能完成。因此传统的巡线方式已经满足不了现代电力系统的广泛需求。
传统的输电线路巡线方式，需要由工作人员带着望远镜沿线路杆塔行走，观察输电线路是否发生故障，发现故障后在记录本中记录。一名工作人员每天所巡视的杆塔数量和线路长度十分有限。无人机在不碰撞到输电线路及杆塔的情况下可以近距离拍摄目标点，拍摄所得图像比人眼通过望远镜观察更为清晰，比人力巡检更加可靠。省时、省力、高效、成本低，这成了无人机的代名词。
各种严重的自然灾害后，可以第一时间让无人直升机飞入电力事故区域进行监测，赢取抢修时间；电力拉线作业中，无人直升机也可以充分发挥其飞行灵活操作简单的特点。随着计算机技术、导航技术、MEMS技术的快速发展，可以预见无人机在输电线路巡检的应用前景会更加广阔。
2 无人机巡检关键技术、巡检内容、机型选择
2.1 输电线路无人机巡检关键技术
输电线路无人机巡检的关键技术中最重要的一项便是无人机巡检系统。无人机巡检系统控制无人机的飞行、巡视以及信息的传输功能。它由六个部分组成，分别是飞行平台、地面监控系统、信息传输系统、飞行控制系统、检测系统。其中飞行平台分由机体、动力系统、电力系统和云台四部分组成；飞行控制系统由接收机、惯性导航系统、气压传感器、转速传感器等组成；地面监控系统由图像监视系统和飞行数据监控系统两部分组成；
检测系统也称为任务设备，用于获取资料以及资料的存储；信息传输系统负责实时传输飞行数据和发送控制飞行指令，可以传输巡检信息；保障系统有保障车辆和工具仪器组成。图2-1所示无人机巡检系统组成。
1）飞行姿态控制技术
无人机巡检时距离输电线路较近，并且会受到自然天气、以及周围环境因素影响，在飞行过程中要保障机身安全，不能与其他物体发生碰撞，需要有较好的飞行控制技术。
2）多传感器高精度时间同步
多传感器集成联合应用，需要将各传感器获得的测量数据在同一时刻关联起来，特别是在图像的形成与测量阶段，必须知道 曝光采集时刻的拍摄位置以及所处方式。关联应用的关键是建立一个统一的时间坐标，实现传感器在时间方面的相互协调。由 接收机的接收脉冲和输出定位数据，与PPS信号相配合，达到数据时间的统一。
3）线路缺陷、隐患探测技术
这项技术主要分为三个方面视觉探测、红外和紫外探测技术和激光雷达探测技术。
视觉探测就是由无人机在巡检过程中拍摄输电线路杆塔部件及电力线路，将影响数据传回接收站并进行储存，再由地面数据处理中心的智能系统或者基站工作人员对图像和视频分析处理，判断线路是否发生故障，如发生故障，则对此记录并且及时检修。
红外热成像仪能够根据物体稳定与周围环境温度不同而形成红外热成像图，依据远红外测温原理，线路故障位置温度会高于其他正常位置，我们可以观察图像快速招出故障点。
激光具有方向性强、单色性的特点，由此，我们可以用激光对距离、角度、长度等度量进行测量。激光测距主要分为脉冲式测距和连续波相位式测距两种形式，其中脉冲式激光测距通过激光脉冲的发射和接收时间精确测定出目标距离。4）图像数据预处理与优化。
2.2 巡检内容及机型选择
2.2.1 巡检内容的分类
无人机进行输电线路巡检按照其巡检内容主要分为线路廊道的监测和杆塔线路等部件的监测两个方面。线路廊道监测主要包括对廊道内的违章建筑、高度过高离线路较近的植物、杆塔倾斜与倒塌以及是否存在鸟巢或者其他污染物等线路概况的巡视。由于要对线路进行大面积、宽范围、长距离的巡检，这就要求无人机能够快速的飞行，并且拥有足够的能源是它既能顺利的完成巡检任务又能安全的返回基地并且能够进行自主飞行。杆塔零部件状态监测主要是对绝缘子串的损坏、各类线夹和防震锤变形跑位、破坏、缺损和杆塔避雷设施的损坏等局部状态进行监测。需要无人机飞行稳定，拍摄清晰的图像兵传回处理，判断是否存在线路故障。
2.2.2 适宜机型的选择
不同地区地理环境不同，使用不同机型的无人机在其适应地区进行巡检更能提高巡线效率。固定翼无人机续航时间长，飞行速度快，承重能力大，可以搭载多种设备，并且能够由操作人员手动控制或者是全自动飞行，但是它的缺点就是无法在空中固定位置进行悬停，然后准确的拍摄某个位置。多旋翼无人机带有陀螺增稳仪，在人工遥控控制下可以现实精确稳定的悬停，而且能动性好，飞行灵活，使用和维护成本低。相比于固定翼无人机，它的缺点就是承重能力低，而且一般采用锂电池作为动力来源，飞行距离短，续航能力较差。因此该机型一般用于替代人力登塔巡查，适合于承担精细的巡视惹任务，完成对杆塔零部件的状态精确监测，例如各类金具的破损、绝缘串污染、故障等。目前在输电线路巡检中使用多旋翼无人机的情况比较多。
3 路径规划分类、作业流程
3.1 巡检路径规划
巡视路径的规划对于无人机巡检非常重要。一条合理的飞行路径要满足多种要求，我们需要依据巡线地区、周围环境、巡检任务要求等合理规划飞行路径。当巡检线路较长时，可以对输电线路进行分段规划，分段巡检。科学的路径规划能使无人机安全顺利的飞行，按任务要求拍摄好各个所需目标，传输回数据，并且返航着陆。
输电线路无人机路径规划需要满足的因素：
（1）无人机沿路径飞行的安全性
在输电线路无人机巡检过程中，安全性是双向的。
一方面，我们所规划的路径要保障无人机机身的安全，使它在飞行过程中不被其他物体撞击到导致自身破损。同时我们还需要确保无人机能够顺利完成飞行任务并且安全返回基地降落，不能出现途中损伤及动力能源耗尽的情况。
（2）规划路径的可行性
巡检路径的可行性是指我们所规划的巡视路径能否使无人机快捷高效顺利的完成巡视任务。
（3）巡检路径的高效性
无人机在进行输电线路巡检时，要求事先设定拍摄目标，设计拍摄任务，然后由无人机飞行至指定地点完成拍摄任务，完成任务后快速返航，提高飞行效率。综上所述，路径规划即寻找一条经过指定空间位置，且完成巡线任务、飞行时间最短的安全飞行路径。
3.1.1 廊道巡视路径规划
输电线路廊道巡检时，在无人机机型的选择方面，我们常常采用固定翼无人机。因为廊道巡视路径距离很长，而且范围广，固定翼无人机飞行速度快，巡线效率高，能够较快的巡视并反映线路情况。本文廊道路径规划中主要阐述一下几个方面。
（1）飞行最远距离
在线路巡检过程中，无人机需要到达多个节点，两个节点之间即一段飞行距离，最大飞行距离由各个节点之间的距离相加而成。
3.1.2杆塔巡视路径规划
固定翼无人机续航时间长，飞行速度快，适用于大范围线路概况的普查。在输电线路中，杆塔需要承受各种导线以及拉线的拉力，另外杆塔上还有绝缘子、金具等其他许多零部件，受人为和自然因素影响，杆塔和各类零部件都会受到损伤，导致线路故障。要排除这些故障，使用固定翼无人机就难以达到要求。这时我们就需要使用多旋翼无人机进行输电线路巡检。利用它的优点，在飞行达到检测点后，让无人机悬停对各个需要仔细检查的位置精确拍摄，排除线路故障。杆塔巡线路径规划则较为复杂，多旋翼移动方式多样化，本文对此没有较多的研究，在此不作详细介绍。
4 基于遗传算法的线路廊道巡检路径规划
4.1 遗传算法的原理
遗传算法 是一种通过模拟自然进化过程搜索最优解的方法。生物界由许多个种群组成，许多个个体组成了种群，这些个体之间由于外部特征以及内部基因不同，相互之间有差异，互不相同。
4.1.1 遗传算法的运算流程
遗传算法的运算流程和生物进化过程很相似。我们需要先找到一种将一件事情转化为“数字化”的方法。然后确定其他与之有关的各种因素，在仔细研究之后，确定相互之间的影响关系。最后通过遗传算法适应性函数作适应度评估。使个体基因交叉变异，逐渐取得最优解。在计算过程中，我们想要求取复杂函数的一个最优解的过程是十分繁琐的，遗传算法的优点就在于它能够简化这个过程，使我们在过程中不必经历那段繁琐的过程，逐渐向最优解靠近。
4.1.2 遗传算法的主要构成
遗传算法从一个初始群体开始计算，取个体对他们进行选择、交叉和变异，在经过多次循环后个体不断进化最终成为一个适应度极高的新个体，结束循环。
在自然界中，生物在进化过程是一个物竞天择的过程。在这里，我们可以把物竞天择理解为适应度评估和选择函数。
1.适应度函数
在遗传算法上我们可以把它看成适应度函数直接返回函数值。在自然界中，生物之间的竞争分为两部分，一部分是生物之间的互相竞争，优胜劣汰，胜利者才可以继续生存下去，另一部分是生物与环境之间的斗争，适者生存，只有适应周围环境才能生存。
2.选择函数
在自然界中，适应环境并且在斗争中生存下来的个体才拥有机会繁衍后代，这就是一个选择的过程。
3.遗传算法的基本操作
遗传算法的操作过程主要由选择、交叉和变异组成。
（1）选择就是按照一定的选择条件，从上一代中选择一些个体，然后将这些个体中的有用的特征遗传给下一代。在选择方法中，一种经典的选择方法便是轮盘赌选择法。
（2）交叉即个体之间随机组对，交换染色体新的下一代，它是遗传算法中一个重要的步骤，同时它可以提高搜索能力，加快运算。
（3）变异是生物个体在生存发展中，其染色体的某种基因被一种新的基因锁替代，从而产生新的外部特征。
5 总结与展望
5.1 总结
本文取得的主要研究成果有：
1）介绍了无人机巡检的研究现状以及发展趋势，研究了无人机的不同机型，在不同巡检任务中，我们可以根据巡检要求然后因地制宜，选择合适类型的无人机完成巡检任务，介绍了廊道路径规划和杆塔路径规划以及无人机的巡检内容和巡视杆塔作业流程。
2）对于固定翼无人机的快速准确巡检方法进行了研究。依据实际环境，设计合理的路径规划，提高巡检效率。同时学习了一些关于无人机在拍摄图像方面的技术，以便于在巡检过程中更好更准确的拍摄目标点，采集所需数据，为工作人员诊断故障提供可靠的依据。也简单了解了如何设计巡检杆塔的路径规划，使得巡检过程更为合理、节能、高效。
5.2展望
本文概述了大量无人机在输电线路巡检方面应用的理论内容，但是这些内容也仅仅是前辈们在这一新领域中探索不久所取得的成果，这一技术目前还没有完全成熟，在实际应用中仍有许多问题需要我们去研究、解决、完善，这也是无人机并未广泛的推广和使用的原因。我们目前所取得的研究成果还很少，仍然需要不断的去探索、进步。
在固定翼无人机线路廊道巡检路径介绍中，本文研究所考虑的因素较为简单。在实际生活环境中，影响无人机飞行路径的约束条件会更多，在巡检过程中，我们可能需要不断的操控无人机的飞行高度，在拍摄时我们需要保障它飞行的平稳性，以防影响拍摄图像的清晰度，需要考虑的因素更多，路径规划也会变得更加繁琐。
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论文作者:秦杰
论文发表刊物:《电力设备》2017年第10期
论文发表时间:2017/8/8
标签：无人机论文; 路径论文; 线路论文; 杆塔论文; 廊道论文; 技术论文; 算法论文; 《电力设备》2017年第10期论文;