输电线路异地面站无人机集群航线规划条件约束

广西电网有限责任公司电力科学研究院 黄志都 崔志美

近年来，无人机技术飞速发展，应用领域宽广，在输电线路巡检方面运用十分普遍。随着无人机执行任务环境的复杂化、任务多样化、任务范围扩大化，采用多平台无人机集群协同工作成为无人机执行任务的主要形式[1]。

无人机集群协同执行任务需考虑无人机编队，对无人机编队的方法及控制展开研究，无人机编队执行任务既能提高作业效果，又能在单机故障时，其他无人机替代其任务，确保任务计划的完成。文献[2]研究了无人机编队的航线规划，提出了无人机编队航线规划应考虑的约束条件，给出了具体的方法。文献[3]研究实现了基于差分进化算法的无人集群协同航线规划，并确保了航行的安全和任务的完成。

根据已有的研究表明：将多架次无人机编组，让其协同开展输电线路巡线任务，既能降低单架次无人机的损坏概率，同时还能增大多单次巡线的效果及执行任务的时间。因此，无人机组队联合执行输电线路巡线任务是一个研究的热门方向。执行任务时，若个别无人机出现故障，其他单机可迅速替代故障无人机机完成预先设定的任务计划，由此可知，多架次无人机组队出行执行任务时，对提高系统的鲁棒性和容错性效果明显，可更好的完成任务计划。

随着科技的发展，无人机航线规划的方法取得重大突破，主要有下述几种：（1）根据预先制定的规则将自由的空间表示成一个网络图，该网络图由多个一维线段组成，再选用某种搜索算法进行航线规划图形的航线规划算法；（2）基于路径优化的航线规划算法，因无人机六自由度机动特性和易损毁性的热电，所规划出的航线应该满足空间可行性，因此其求解结果应该是一条曲率满足无人机性能且平滑路线；（3）基于群智能的航线规划算法,该方法目前运用相对较多；（4）基于数值方法的航线规划算法,该方法群智能算法的基础上考虑了无人机动力学模型，规划结果可以控制系统的参考指令，降低了控制难度。

文中针对上述研究，针对输电线路采用无人机巡检的模式，阐述了输电线路异地面站无人机集群协同执行任务航线规划的约束条件，在保持异地面控制站无人机航线通信的基础上，将多约束条件进行转化，采取SaDE算法对航线进行规划。

1 概述

无人机航迹规划是需要全面考虑、布局、优化，在复杂空间环境下，综合各种约束条件，规划出无人机飞行的最佳路径。在执行任务的初期，某编队无人机群从某一地面控制站起飞，另一编队无人机群从另一地面控制站起飞，经过一段路径飞行后，安全到达指定任务区域执行任务。无人机集群协同航线规划问题，是指两异地控制站无人机集群以起飞位置为起点，以到达任务区域为终点，全面考虑威胁规避、碰撞冲突、通信连接、到达时间等诸多因素，形成航迹性能达到最优的集群航行路径，从而使集群平台能够安全、快速地到达任务区域。

2 约束条件

2.1 无人机性能约束[2]

无人机性能约束主要有以下几点，一是无人机最大飞行距离；二是无人机水平飞行时如何改变航向；三是俯仰角约束，当无人机在某空间平面执行任务时，若受所处位置地形或其他障碍物影响时，无人机需要向上或向下调整姿态，此时会与地面形成一个夹角，此夹角即为俯仰角，它对于航线的规划和无人机飞行安全至关重要；四是飞行高度的约束，在无人机集群航行时，应确保其离地最小距离，以免发生碰撞，威胁无人机飞行安全。

2.1.1 最大飞行距离

无人机最大飞行距离是根据电池续航能力决定，如图1所示，无人机航线由n个航线点构成，在某段航程的里程为Lx，则总的续航里程L可表达为：

图1 无人机航线轨迹

2.1.2 俯仰角约束

俯仰角是无人机与地面的夹角，如图2所示，φmax为最大俯仰角。通常无人机保持在某一水平面航行，若收障碍物或地线约束时，需要向上或向下改变飞行姿态和高度，为保证无人机的飞行安全，在航线规划时必须考虑俯仰角小于最大俯仰角φmax，假设比邻两点航线高度差为|hi－hi－1|，则俯仰角可表达为：

图2 俯仰角约束示意图

2.1.3飞行高度约束

在无人机编队飞行的过程中，应保证无人机与地面最小离地高度，从而避免因飞行过低与地面发生碰撞。为了保证无人机巡线过程中激光雷达能清晰扫描到被测物，无人机飞行高度也不应过高。为保证无人机飞行安全，需要对无人机编队的飞行高度加以约束。设hi表示第i段航线的飞行高度，hmin表示最低飞行高度，hmax表示最大飞行高度，该约束表示为：

2.2 威胁约束

2.2.1 碰撞约束

异地面站无人机集群协同飞行执行任务需要考虑集群在空间域、时间域上的协同关系，时间协同关系可通过调度平台调度无人机集群同时出发时间实现，此时再考虑空间域来判断碰撞冲突、通信保持的约束关系。对于无人机集群协同飞行航线的规划问题，异地面站平台之间发生碰撞的可能极大，因此需要考虑平台之间的安全半径。对于碰撞冲突的判断需要从航行空间、时间耦合角度进行综合判断。通过确定到达时间对齐、调整出发时间的实时序关系确保无人机集群的同时到达目的地，再考虑空间碰撞冲突问题，由图3所示时序关系图，结合文献[3]的研究可对航线规划存在的碰撞冲突进行判断。

图3 碰撞检查时序关系图

2.2.2 地理围栏约束

异地面无人机集群在执行任务时，各控制站平台无人机几圈要始终在设定的航线范围内飞行，禁飞出航线范围之外的领域，与此同时，还应考虑防止飞行至进入禁入地理区域。文献[4]阐述了无人机集群平台的航迹与圆形、多边形地理围栏之间的关系。对于圆形地理围栏，若想判断异地面平台和地理围栏之间的位置关系，可通过确认点与圆心的距离判断；对于多边形地理围栏，若想判断异地面平台和地理围栏之间的位置关系，往往是通过已有的经典几何方法来确认。

2.2.3 转弯约束

在执行输电线路巡线过程前，对无人机集群航迹规划时，还应该考虑平台转弯机动约束，生产的航迹应确保满足满足平台的机动特性。如图4所示，为相邻的3个路径点，假如3个路径点的距离较远，航段间的夹角就很大，无人机完成转弯时的半径就会大于平台的最小转弯半径；假如3个路径点的距离较近，航段间的夹角就很小，无人机完成转弯时的半径就会小于平台的最小转弯半径。由此可以确认，无人机转弯半径对3个路径点的位置关系存在约束。

图4 无人机转弯半径示意图

2.2.4 通信约束

输电线路异地面站无人机集群协同执行任务的能力需要在可靠的通信网络条件下完成，无人机协同完成任务的关键条件是彼此之间保持良好的通信连接，在执行多任务、复杂的航线条件下表现得尤为突出。

异地面控制站无人机集群与单地面控制站集群不同，A地面控制站集群与B地面控制站集群不仅需要保持群内之间的通信连接，A、B控制站之间也需保持通信连接，即A、B地面控制站之间保存空间通信链接正常。因不同控制站平台之间的通信能力不同、平台之间的距离不同，在航迹规划时需要考虑不同控制站平台之间的通信范围，从而使跨域地面控制站无人机系统通信连接畅通。

3 航线规划问题

基于上述约束条件，可以通过SaDE算法对输电线路异地面控制站无人机集群航线进行优化，以生产最优的航迹。首先对路径进行编码。然后对产生的初始种群进行代数初始化，根据地理围栏约束信息，确定各路径点的空间，再确定边界；最后通过计算适应度函数进行进化操作。在优化初始阶段，需要考虑并寻找符合约束条件、尽可能多的“可行航迹”，变异算子需要设置足够大，主要是提高种群的多样性和防止“早熟”现象的发生；在优化后期，重点是考虑在“可行航迹”中寻求最合理的航迹，此时变异算子应设置较小，以便将精度提高至最优。最后通过仿真试验，确定异地面控制站无人机集群的初始信息，得出航迹规划结果，通过航迹优化函数与迭代次数关系曲线、无人机集群航线时序关系、异地面控制站间最小距离与最大距离随时间变化的曲线进行验证分析。

4 结语

无人机集群协同执行输电线路巡线任务约束条件诸多，可通过合理的航迹规划能使其安全航行并高效完成任务。在异地面控制站无人机集群协同工作时，在考虑文中所述约束条件时，必须引入相关算法进行优化求解，已得到最优的航迹。