无人机航迹规划方法研究及在电力巡线中的应用

发布时间：2020-06-15 14:50

【摘要】：随着我国电力行业的飞速发展,电网规模也随之不断壮大,低效的传统巡线方式已经不能满足需要。无人机巡检作为一门安全、高效的巡检技术,近年来在林火巡护、电力巡线、油田巡井、气象侦查等多个领域受到了广泛的关注。当下利用无人机执行巡检任务主要依托操作人员手动遥控,若能实现无人机的全自主飞行,将使巡检效率得到进一步的提升。而无人机航迹规划是实现无人机全自主飞行的一项核心技术,因此对无人机航迹规划方法进行研究,并将之应用于输电线路巡检,实现巡检无人机的自主飞行,提高巡检效率具有十分重要的意义。无人机航迹规划就是结合任务需求,使用某种航迹规划算法搜索出一条连接起始点和目标点的满足各项约束条件的最优或近似最优的飞行航迹。本文在输电线路巡检的应用背景下,对无人机航迹规划方法展开研究,主要内容如下:首先根据无人机输电线路巡检任务要求和环境特点,研究无人机航迹规划问题及环境建模。确定巡检内容为输电线路廊道监测并选择固定翼无人机作为巡检机型。分析并确定各项约束条件,选取航迹表示形式。分别利用几何描述法和函数模拟的方法建立障碍物模型和地形模型,从而组建飞行环境模型,为后续航迹规划的实现奠定基础。其次,选定快速扩展随机树(Rapidly-exploring Random Tree,RRT)算法作为航迹搜索算法。针对RRT算法的缺陷,提出一种目标偏移双向连接型RRT*(Goal-bias Bidirectional Connection RRT*,GBCRRT*)算法。改进随机节点的选取策略,提高算法的搜索效率和收敛速度;在起始点和目标点分别建立两棵搜索树并采用连接型扩展方法,提高算法的搜索速度;使用快速排斥试验和跨立试验相结合的碰撞检测方法实现算法对障碍物的规避;在搜索树的扩展中引入代价函数来获得近似最优航迹,提高航迹质量。通过仿真实验,将GBCRRT*算法与其它改进方法进行对比,验证其有效性。最后,结合巡检内容,在建立的环境模型上实现航迹规划。给出巡线航迹规划总体步骤,并将航迹规划分为无人机起飞前的全局静态航迹规划和飞行过程中的局部航迹重规划两步进行。在全局静态航迹规划中,使用GBCRRT*算法规划出参考航迹,并删除参考航迹中的冗余节点,使用B样条曲线法对删除冗余航路点后的参考航迹进行平滑处理,使航迹更具有可飞性。在局部航迹重规划中,分别使用改进随机节点选取策略的连接型双向RRT算法和基于运动学方程的RRT算法规避静态突发威胁和动态突发威胁。通过仿真实验,验证本文航迹规划方法的可行性。
【学位授予单位】：东北石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V279;V249;TM75
【图文】：

东北石油大学硕士研究生学位论文塔零部件检测。其中线路廊道检测的主要内容包括巡查廊道内是否存在鸟巢、违规建筑、超高树木，以及杆塔是否倾斜、倒塌等。由于要对线路廊道进行宽范围长距离的巡检，因此要求无人机具有较快的飞行速度和足够长的续航时间，而且能够进行自主飞行。杆塔零部件检测的主要巡查内容包括绝缘子串是否有破损闪络、自爆等痕迹，各类线夹和防震锤是否损坏、变形、跑位，杆塔防雷设施是否有损坏现象等。这些巡检内容要求无人机具有悬停、定位精确的特性，能够靠近杆塔采集高清图像信息。由于杆塔零部件状态监测范围小，需要无人机精准飞行与悬停，可通过人工手动操作无人机进行巡视拍摄，航迹规划意义不大，因此本文仅针对线路廊道监测进行航迹规划及环境避障，以实现无人机自主飞行。2.无人机机型选择目前用于电力巡检的无人机通常有两种：多旋翼无人机和固定翼无人机，如图 2.1 和 2.2 所示。

东北石油大学硕士研究生学位论文塔零部件检测。其中线路廊道检测的主要内容包括巡查廊道内是否存在鸟巢、违规建筑、超高树木，以及杆塔是否倾斜、倒塌等。由于要对线路廊道进行宽范围长距离的巡检，因此要求无人机具有较快的飞行速度和足够长的续航时间，而且能够进行自主飞行。杆塔零部件检测的主要巡查内容包括绝缘子串是否有破损闪络、自爆等痕迹，各类线夹和防震锤是否损坏、变形、跑位，杆塔防雷设施是否有损坏现象等。这些巡检内容要求无人机具有悬停、定位精确的特性，能够靠近杆塔采集高清图像信息。由于杆塔零部件状态监测范围小，需要无人机精准飞行与悬停，可通过人工手动操作无人机进行巡视拍摄，航迹规划意义不大，因此本文仅针对线路廊道监测进行航迹规划及环境避障，以实现无人机自主飞行。2.无人机机型选择目前用于电力巡检的无人机通常有两种：多旋翼无人机和固定翼无人机，如图 2.1 和 2.2 所示。

【参考文献】

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本文编号：2714573