專利名稱：巡檢飛行機(jī)器人對電力線路的檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電力線路非接觸式檢測技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種巡檢飛行機(jī)器人對電力線路的檢測方法。

背景技術(shù)：
目前飛行式電力線路巡檢機(jī)器人的研究工作進(jìn)行得還很少，但在自主微型直升機(jī)研究方面做了很多工作。這些自主微型直升機(jī)主要應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，在民用方面集中在航拍、搶險救災(zāi)、地形測繪等行業(yè)，但為飛行式電力線路巡檢機(jī)器人的研究提供了很多關(guān)鍵技術(shù)。關(guān)于飛行式電力線路巡檢機(jī)器人的研究工作主要有①西班牙Politécnica de Madrid大學(xué)于2000年開發(fā)了基于視覺導(dǎo)航的高壓電力線路巡檢自主直升機(jī)(A Vision-Guided Autonomous Helicopter for Inspection ofHigh-Voltage Power Lines)，采用三維視覺系統(tǒng)控制自主直升機(jī)沿著架空電力線飛行，并實現(xiàn)對高壓架空電力線路的在線巡檢。該自主直升機(jī)有兩個子系統(tǒng)，分別為直升機(jī)在線子系統(tǒng)和地面控制子系統(tǒng)。自主直升機(jī)的在線子系統(tǒng)包括傳感器、微控制器、攝像機(jī)和無線通訊設(shè)備，主要用來計算直升機(jī)的位置和姿態(tài)，提供速度和加速度等信息，并把這些信息傳給地面控制子系統(tǒng)和在線微控制器。地面控制系統(tǒng)為在線控制器提供高級命令，利用視覺系統(tǒng)提供的信息生成參考飛行路徑提供給直升機(jī)在線子系統(tǒng)，再由在線控制器控制直升機(jī)飛行，從而實現(xiàn)對電力線路的在線巡檢。②英國威爾士大學(xué)信息學(xué)院于1995年開始研制配電線路巡檢飛行機(jī)器人(Robot of Inspection Power Line，簡稱ROPL)。RIPL采用了基于視覺的導(dǎo)航方法，實現(xiàn)了對配電線路的跟蹤和自動巡檢。RIPL是在以色列ML Aviation公司的鬼怪式無人直升機(jī)的基礎(chǔ)上開發(fā)的，整個系統(tǒng)包括微型直升機(jī)、導(dǎo)航系統(tǒng)、巡檢系統(tǒng)、地面控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)。該機(jī)器人重35公斤，附加了穩(wěn)定性控制系統(tǒng)以增加抗風(fēng)干擾的能力。并安裝了高分辨率的彩色CCD攝像機(jī)，實現(xiàn)基于視覺的導(dǎo)航和基于視覺在線巡檢。這兩種飛行機(jī)器人的巡檢與行走式機(jī)器人巡檢方式相比，具有環(huán)境適應(yīng)能力好，操作方便，巡檢效率高等優(yōu)點，但是仍然存在著許多不足在路徑規(guī)劃方面，還存在智能化水平較低，對安全性考慮不足，控制精度不夠等缺點，具體體現(xiàn)在沒有能夠綜合考慮飛行安全性和飛行距離長短的需要，路徑搜索具有隨機(jī)性，并且搜索結(jié)果沒有優(yōu)化，飛行效率較低，也沒有考慮到具體的飛行軌跡的生成問題，因此不能很好地避開障礙物，實現(xiàn)高效率的巡檢。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種巡檢飛行機(jī)器人對電力線路的檢測方法，其特征在于，以微型直升機(jī)為載體，首先建立巡檢飛行機(jī)器人對電力線路的檢測二維仿真模型、其次以數(shù)學(xué)描述的方法對檢測二維仿真模型建立目標(biāo)函數(shù)、約束條件目標(biāo)函數(shù)和規(guī)劃變量；然后巡檢飛行機(jī)器人按照檢測二維仿真模型設(shè)計的規(guī)劃航跡對電力線路進(jìn)行巡檢。
所述檢測二維仿真模型為電力線路7從起點1到目標(biāo)點2分為n段，每段設(shè)置支撐塔3，在線路中途有危險區(qū)域4，飛行機(jī)器人從起點1出發(fā)沿實際航跡5飛行，沿途利用的攝像設(shè)備分段對電力線路的進(jìn)行檢測，得到圖像信息，在每一段的飛行過程中，飛行機(jī)器人要始終保持與地面控制系統(tǒng)的實時通信。
所述對檢測二維仿真模型建立目標(biāo)函數(shù)為從起點1到目標(biāo)點2分為n段，記為(bi)i＝1.......n，在每一段的飛行過程中，飛行機(jī)器人要始終保持與地面控制系統(tǒng)的實時通信，保持較好的飛行姿勢，成功地避開各個危險區(qū)域4，順利到達(dá)各個間歇點，飛行機(jī)器人的巡檢目標(biāo)函數(shù)為 其中，L＝Lf-Lt，A＝[Δα，Δβ，Δγ]，i＝1，...，n，α、β、γ為水平和垂直面的角度?；镜囊?guī)劃變量為N、L、A、S、T。N為任務(wù)目標(biāo)的接收與確認(rèn)。
L為當(dāng)前飛行機(jī)器人可飛行的距離Lf與距最近間歇點的距離Lt之差，用Li>b(b為大于零常數(shù))來確定間歇點的選取。
A為飛行機(jī)器人在實際飛行線路中的角度與預(yù)先規(guī)劃航路中的角度之差，用Ai的值在一個可容范圍內(nèi)來控制飛行機(jī)器人的最短飛行距離。
S為機(jī)器人距危險區(qū)域或危險點的距離，用Si>R(R為飛行機(jī)器人可以安全通過的距離危險源的半徑)來確保飛行機(jī)器人的安全飛行。
T為飛行機(jī)器人在懸停時應(yīng)保持的姿勢，根據(jù)不同的環(huán)境懸停的姿勢也有所不同；m、p、q、w、Q為式(1)中各項的權(quán)值。
為了能夠使飛行機(jī)器人成功完成特定的巡檢任務(wù)，要求規(guī)劃的路徑不超過飛行機(jī)器人的物理極限、繞過危險區(qū)、飛行路徑盡量短、燃料消耗不超限，同時滿足由具體飛行任務(wù)所確定的其他有關(guān)參數(shù)，一般來說，任務(wù)規(guī)劃生成的路徑要求滿足以下約束條件 (1)最長航距約束這限制了路徑的每一段及總長度必須小于或等于一個預(yù)先設(shè)置的最大距離。它取決于飛行機(jī)器人所攜帶的燃料以及到達(dá)目標(biāo)所允許的飛行時間。設(shè)最大路徑長度為L，每一段長度為li，則該約束可寫成 (2)障礙約束設(shè)Si為第i段路徑的危險指數(shù)，它使得路徑選擇通過危險最小的區(qū)域，具體計算如下 其中，Kl為第j個危險的強(qiáng)度。RSj為飛行機(jī)器人與危險源之間的距離，Ns為i段路徑上出現(xiàn)的危險個數(shù)。
(3)最大爬升/下降角該角度由飛行機(jī)器人自身的機(jī)動性能決定，它限制了路徑中在垂直平面內(nèi)上升和下降的最大角度。假定最大允許爬升/下降角為γ，該約束可表達(dá)為 其中，zj為第j個路徑點的垂直平面上的坐標(biāo)分量，xi為在水平面上的坐標(biāo)分量。
(4)最小路徑段長度飛行機(jī)器人在執(zhí)行巡檢任務(wù)時要在與電力線保持一定安全距離的前提下，盡量沿著最短的路徑飛行。本文通過對飛行機(jī)器人離線距離和角度的控制來保證最短路徑。設(shè)最近最遠(yuǎn)離線距離分別為s和f，離線距離為D，路徑偏差角為Ai，該約束可表示為 s≤D≤f，0≤Ai≤α (5) 這里，α為某一大于等于零的向量。
(5)飛行速度飛行機(jī)器人在執(zhí)行巡檢任務(wù)時利用的攝像設(shè)備要有充足的處理時間。飛行速度既要快又要滿足機(jī)載設(shè)備的性能參數(shù)要求。
(6)懸停飛行機(jī)器人在執(zhí)行任務(wù)過程中，若發(fā)現(xiàn)有可疑或破損處，應(yīng)該在此處懸停進(jìn)行相應(yīng)的工作。此時飛行機(jī)器人應(yīng)以一種較安全的姿勢懸停，以保證工作的順利完成。
然后，利用分層規(guī)劃的方法將巡檢任務(wù)劃分為三層任務(wù)規(guī)劃層、路徑規(guī)劃層、軌跡控制層。并利用多AGENT技術(shù)來實現(xiàn)每層內(nèi)部和各層之間的協(xié)調(diào)與協(xié)作。本專利將規(guī)劃系統(tǒng)分為三層任務(wù)規(guī)劃層、路徑規(guī)劃層和軌跡控制層。每一層都確定本層的規(guī)劃變量、目標(biāo)函數(shù)、每一級的規(guī)劃變量和目標(biāo)函數(shù)，同時又是下一層規(guī)劃的約束條件。
(1)任務(wù)規(guī)劃層任務(wù)規(guī)劃層進(jìn)行的是遠(yuǎn)期規(guī)劃，在該層根據(jù)線路信息、地形信息、危險限制等進(jìn)行飛行機(jī)器人巡檢任務(wù)的航路選擇、間歇點的確定、避開危險標(biāo)志的操作，規(guī)劃變量包括起飛點、目標(biāo)點、分級目標(biāo)點、起飛時間、完成到達(dá)時間。其目標(biāo)函數(shù)為 其中，第一項G表示盡量保持與電力線在無干擾的距離內(nèi)，第二項表示盡量增大飛行路徑與危險區(qū)域的距離Y，d1、d2為各項的權(quán)重。本層的約束條件是為飛行機(jī)器人選擇到達(dá)目標(biāo)的路徑長度，要求飛行路徑安全、最短。任務(wù)規(guī)劃層把規(guī)劃好的起飛點、目標(biāo)點、間歇點、起飛時間、路徑編號等信息輸出到路徑規(guī)劃層。
(2)路徑規(guī)劃層路徑規(guī)劃層進(jìn)行行為級規(guī)劃，其目的是根據(jù)任務(wù)要求、燃料限制、天氣情況等信息選擇一條飛行機(jī)器人安全完成預(yù)定任務(wù)的飛行路徑，其規(guī)劃變量中包括間歇點的信息。其目標(biāo)函數(shù)為 其中，第一項C為飛行機(jī)器人沿實際的飛行路徑飛行過程中所消耗的燃料與飛行機(jī)器人燃料限制之差，第二項U為飛行路徑與異常環(huán)境的距離，第三項J為間歇點的信息，r1、r2、h為各項的權(quán)重。
路徑規(guī)劃層完成規(guī)劃后，把各個航路點序列對應(yīng)得路徑長度輸出到任務(wù)規(guī)劃層，把飛行路徑航路點輸出到軌跡控制層進(jìn)行平滑處理，以使航路可飛。
(3)軌跡控制層軌跡控制層根據(jù)飛行機(jī)器人的飛行特性，電力線周圍的交通情況和臨時出現(xiàn)的危險情況對各飛行航路點序列進(jìn)行平滑可飛處理，并進(jìn)行控制量的確定。其目標(biāo)函數(shù)為 其中，第一項h表示飛行機(jī)器人與巡檢的電力線高度盡量保持一致。第二、三、四項表示在飛行中對飛行機(jī)器人的姿勢進(jìn)行實時微調(diào)。

、β、γ為飛行機(jī)器人飛行中的控制參數(shù)。第五項表示飛行機(jī)器人在懸停時應(yīng)保持的姿勢。n1、n2、n3、n4、Q為各項的權(quán)值。
軌跡控制層把規(guī)劃好的飛行路徑的飛行高度、速度和航線輸出到飛行機(jī)器人的執(zhí)行部分去執(zhí)行。
本發(fā)明的有益效果是克服了采用人工巡視、手工紙介質(zhì)記錄的工作方式存在著不能保證巡檢人員到位及對缺陷的描述不準(zhǔn)確或不規(guī)范等問題，并避免了使用載人直升機(jī)巡檢，對工作人員的技術(shù)和經(jīng)驗要求高，而且工作人員要身穿特定的工作服，耗用了大量的人力，物力的問題。雖然一次性投入較大，但從長遠(yuǎn)的角度看，其任務(wù)完成質(zhì)量和效率遠(yuǎn)高于目前其它方式。



圖1為巡檢飛行機(jī)器人對電力線路的檢測二維仿真示意圖。

具體實施例方式 本發(fā)明提供一種巡檢飛行機(jī)器人對電力線路的檢測方法。該方法以微型直升機(jī)為載體，首先用建立如圖1所示的巡檢飛行機(jī)器人對電力線路的檢測二維仿真模型，在圖中，電力線路7從起點1到目標(biāo)點2分為n段，每段設(shè)置支撐塔3，在線路中途有危險區(qū)域4，飛行機(jī)器人從起點1出發(fā)沿實際航跡5飛行，沿途利用的攝像設(shè)備分段對電力線路的進(jìn)行檢測，得到圖像信息，在每一段的飛行過程中，飛行機(jī)器人要始終保持與地面控制系統(tǒng)的實時通信。
在巡檢飛行機(jī)器人按照檢測二維仿真模型中，設(shè)計的規(guī)劃航跡6對電力線路進(jìn)行巡檢。從起點1到目標(biāo)點2分為n段，記為(bi)i＝1.......n，在每一段的飛行過程中，飛行機(jī)器人要始終保持與地面控制系統(tǒng)的實時通信，保持較好的飛行姿勢，成功地避開各個危險區(qū)域4，順利到達(dá)各個間歇點，飛行機(jī)器人的巡檢目標(biāo)函數(shù)為 其中，L＝Lf-Lt，A＝[Δα，Δβ，Δγ]，i＝1，...，n，α、β、γ為水平和垂直面的角度?；镜囊?guī)劃變量為N、L、A、S、T。N為任務(wù)目標(biāo)的接收與確認(rèn)。
L為當(dāng)前飛行機(jī)器人可飛行的距離Lf與距最近間歇點的距離Lt之差，用Li>b(b為大于零常數(shù))來確定間歇點的選取。
A為飛行機(jī)器人在實際飛行線路中的角度與預(yù)先規(guī)劃航路中的角度之差，用Ai的值在一個可容范圍內(nèi)來控制飛行機(jī)器人的最短飛行距離。
S為機(jī)器人距危險區(qū)域或危險點的距離，用Si>R(R為飛行機(jī)器人可以安全通過的距離危險源的半徑)來確保飛行機(jī)器人的安全飛行。
T為飛行機(jī)器人在懸停時應(yīng)保持的姿勢，根據(jù)不同的環(huán)境懸停的姿勢也有所不同；m、p、q、w、Q為式(1)中各項的權(quán)值。
為了驗證本文應(yīng)用于電力線飛行機(jī)器人任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)的有效性和可行性，本文對飛行機(jī)器人執(zhí)行檢測任務(wù)進(jìn)行了方法求解和任務(wù)仿真。在電力線巡檢飛行機(jī)器人任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)中，根據(jù)本文多Agent系統(tǒng)的組成、分層情況以及子任務(wù)之間的交互關(guān)系，建立了任務(wù)規(guī)劃輸入矩陣和輸出矩陣。
針對子任務(wù)r和由m個CA和n個SA組成的集合A{CA1，CA2，...CAm，SA1，SA2，...SAn}，設(shè)CAi或者SAj執(zhí)行任務(wù)r的消耗為Cr(Cr>0)，未參與r執(zhí)行的CAi或者SAj的消耗Cri＝0。輸出Re為CAi或者SAj參與r執(zhí)行后返回數(shù)據(jù)標(biāo)識的個數(shù)，Re≥1。綜合A中所有CA或者SA，執(zhí)行子任務(wù)r的情況分別可得 輸入向量C(r，A)＝[Cr1 Cr2...Crm](9) 輸出向量Re(r，A)＝[Re1 Re2...Ren] (10) 將上述向量擴(kuò)展到由子任務(wù)隊列形成的任務(wù)Ri(t)＝{r1，r2，...，rk)}分別可得 輸入矩陣 C(Ri(t)，A)＝[C(r1，A)C(r2，A)...C(rk，A)] (11) 輸出矩陣 Re(Ri(t)，A)＝[Re(r1，A)Re(r2，A)...Re(rk，A)] (12) 當(dāng)子任務(wù)隊列在A中發(fā)布時，每個CA或者SA針對每項子任務(wù)計算消耗提交給MA。MA得到所有CA或者SA的消耗后組成輸入矩陣C(R(t)，A)，按消耗非零原則構(gòu)成協(xié)作機(jī)制A。此外，當(dāng)協(xié)作機(jī)制執(zhí)行完任務(wù)并返回數(shù)據(jù)標(biāo)識時，MA統(tǒng)計協(xié)作機(jī)制中每一個CA或者SA返回的數(shù)據(jù)標(biāo)識數(shù)目組成輸出矩陣Re(R(t)，A)，用于輔助評價協(xié)作機(jī)制任務(wù)執(zhí)行的效果。
根據(jù)上述協(xié)作機(jī)制構(gòu)成方案，針對協(xié)作機(jī)制的構(gòu)成及數(shù)據(jù)標(biāo)識的獲取效率，本文給出一個實例。在實例中，任務(wù)規(guī)劃層、路徑規(guī)劃層和軌跡控制層分別作為三個任務(wù)r1、r2、r3順序執(zhí)行并受任務(wù)規(guī)劃層MA、路徑規(guī)劃層MA和軌跡控制層MA的控制和管理。將當(dāng)前目標(biāo)點和下一個目標(biāo)點之間的一個路徑段作為一個執(zhí)行周期。
在一個執(zhí)行周期內(nèi)，MA根據(jù)任務(wù)r的目標(biāo)函數(shù)和約束條件選擇相應(yīng)的CA和SA組成協(xié)作機(jī)制。MA請求CA和SA記憶范圍內(nèi)的隨機(jī)數(shù)據(jù)，由CA和SA組成協(xié)作機(jī)制并返回與這些數(shù)據(jù)匹配的數(shù)據(jù)標(biāo)識，同時記錄每個執(zhí)行周期內(nèi)的協(xié)作機(jī)制組成和執(zhí)行時間。
在一個執(zhí)行周期內(nèi)CA和SA的集合A＝{CA1，CA2，CA3，CA4，CA5，SA1，SA2，SA3}對子任務(wù)Ri＝{r1，r2，r3}所得的輸入矩陣C(Ri(t)，A)，根據(jù)該矩陣獲得協(xié)作機(jī)制Ai Ai＝{CA1，CA2，CA3，CA4，CA1，SA1，SA2，SA3}。輸入矩陣C(Ri(t)，A)表示如下，
該執(zhí)行過程的輸出矩陣Re(Ri(t)，A)表示如下，
CA1-CA5表示通信Agent，SA1、SA2和SA3分別代表數(shù)據(jù)Agent、目標(biāo)Agent和資源Agent。
根據(jù)上述的方法，本專利在MatLab6.5仿真平臺上，對所建立的系統(tǒng)在二維環(huán)境下進(jìn)行了仿真。
實驗條件CPUAMD Turion X2 1.6GHz，內(nèi)存1.00G的內(nèi)存物理地址擴(kuò)展。仿真工具M(jìn)atLab6.5英文版。
實驗過程如下 (1)首先，假設(shè)前文所述的各Agent都能各自良好的運行，并且各Agent之間的通信協(xié)調(diào)機(jī)制正常工作。
(2)本文針對電力線巡檢機(jī)器人任務(wù)的特點，提出了一個新的路徑規(guī)劃方法當(dāng)飛行機(jī)器人未到達(dá)電力線設(shè)施時，將按照距電力線設(shè)施最短安全路徑長度飛行。當(dāng)飛行機(jī)器人在電力線執(zhí)行任務(wù)時，與電力線保持在安全距離內(nèi)，以保證成功完成巡檢任務(wù)。當(dāng)飛行機(jī)器人接近危險區(qū)域時，飛行機(jī)器人要及時識別和避開危險區(qū)域。
(3)飛行機(jī)器人能識別目標(biāo)點(包含間歇點)，并能準(zhǔn)確地到達(dá)。
根據(jù)上述方法，對飛行機(jī)器人的一次任務(wù)進(jìn)行了仿真。相應(yīng)得二維仿真如圖3所示，實驗數(shù)據(jù)如表1所示。
表1 實驗的的主要參考數(shù)據(jù) 從上面結(jié)果中可以看出，飛行機(jī)器人能自主地判別自身的狀態(tài)與預(yù)先規(guī)劃狀態(tài)的差別，并能及時地進(jìn)行有效的調(diào)整，而且能實時地識別危險區(qū)域并安全的通過。從表1中可以看出，機(jī)器人在不超出自身性能的前提下，及時、準(zhǔn)確地進(jìn)行調(diào)整，使其能夠安全的通過危險區(qū)域并能成功完成巡檢任務(wù)。在整個過程中，飛行機(jī)器人保持了較短的飛行路徑并最終成功到達(dá)了目標(biāo)點。通過上面的數(shù)據(jù)和結(jié)果可知，本文提出的任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)及其求解方法是有效、可行的。系統(tǒng)的消耗較低，適應(yīng)能力較強(qiáng)。
權(quán)利要求
1.一種巡檢飛行機(jī)器人對電力線路的檢測方法，其特征在于，以微型直升機(jī)為載體，首先用建立巡檢飛行機(jī)器人對電力線路的檢測二維仿真模型、其次以數(shù)學(xué)描述的方法對檢測二維仿真模型建立目標(biāo)函數(shù)、約束條件目標(biāo)函數(shù)和規(guī)劃變量；然后巡檢飛行機(jī)器人按照檢測二維仿真模型設(shè)計的規(guī)劃航跡對電力線路進(jìn)行巡檢。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述巡檢飛行機(jī)器人對電力線路的檢測方法，其特征在于，所述檢測二維仿真模型為電力線路(7)從起點(1)到目標(biāo)點(2)分為n段，每段設(shè)置支撐塔(3)，在線路中途有危險區(qū)域(4)，飛行機(jī)器人從起點(1)出發(fā)沿實際航跡(5)飛行，沿途利用的攝像設(shè)備分段對電力線路的進(jìn)行檢測，得到圖像信息，在每一段的飛行過程中，飛行機(jī)器人要始終保持與地面控制系統(tǒng)的實時通信。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述巡檢飛行機(jī)器人對電力線路的檢測方法，其特征在于，所述對檢測二維仿真模型建立目標(biāo)函數(shù)為從起點(1)到目標(biāo)點(2)分為n段，記為(bi)i＝1.......n，在每一段的飛行過程中，飛行機(jī)器人要始終保持與地面控制系統(tǒng)的實時通信，保持較好的飛行姿勢，成功地避開各個危險區(qū)域(4)，順利到達(dá)各個間歇點，飛行機(jī)器人的巡檢目標(biāo)函數(shù)為
其中，L＝Lf-Lt，A＝[Δα，Δβ，Δγ]，i＝1，...，n，α、β、γ為水平和垂直面的角度；基本的規(guī)劃變量為N、L、A、S、T，N為任務(wù)目標(biāo)的接收與確認(rèn)；
L為當(dāng)前飛行機(jī)器人可飛行的距離Lf與距最近間歇點的距離Lt之差，用Li>b來確定間歇點的選取，其中b為大于零常數(shù)；
A為飛行機(jī)器人在實際飛行線路中的角度與預(yù)先規(guī)劃航路中的角度之差，用Ai的值在一個可容范圍內(nèi)來控制飛行機(jī)器人的最短飛行距離；
S為機(jī)器人距危險區(qū)域或危險點的距離，用Si>R來確保飛行機(jī)器人的安全飛行，其中R為飛行機(jī)器人可以安全通過的距離危險源的半徑；
T為飛行機(jī)器人在懸停時應(yīng)保持的姿勢，根據(jù)不同的環(huán)境懸停的姿勢也有所不同；m、p、q、w、Q為式(1)中各項的權(quán)值；
為了能夠使飛行機(jī)器人成功完成特定的巡檢任務(wù)，要求規(guī)劃的路徑不超過飛行機(jī)器人的物理極限、繞過危險區(qū)、飛行路徑盡量短、燃料消耗不超限，同時滿足由具體飛行任務(wù)所確定的其他有關(guān)參數(shù)，一般來說，任務(wù)規(guī)劃生成的路徑要求滿足以下約束條件
1)最長航距約束這限制了路徑的每一段及總長度必須小于或等于一個預(yù)先設(shè)置的最大距離，它取決于飛行機(jī)器人所攜帶的燃料以及到達(dá)目標(biāo)所允許的飛行時間。設(shè)最大路徑長度為L，每一段長度為li，則該約束可寫成
2)障礙約束設(shè)Si為第i段路徑的危險指數(shù)，它使得路徑選擇通過危險最小的區(qū)域，具體計算如下
其中，Kj為第j個危險的強(qiáng)度；RSj為飛行機(jī)器人與危險源之間的距離，Ns為i段路徑上出現(xiàn)的危險個數(shù)；
3)最大爬升/下降角該角度由飛行機(jī)器人自身的機(jī)動性能決定，它限制了路徑中在垂直平面內(nèi)上升和下降的最大角度；假定最大允許爬升/下降角為γ，該約束可表達(dá)為
其中，Zj為第j個路徑點的垂直平面上的坐標(biāo)分量，xi為在水平面上的坐標(biāo)分量；
4)最小路徑段長度飛行機(jī)器人在執(zhí)行巡檢任務(wù)時要在與電力線保持一定安全距離的前提下，盡量沿著最短的路徑飛行；本文通過對飛行機(jī)器人離線距離和角度的控制來保證最短路徑；設(shè)最近最遠(yuǎn)離線距離分別為s和f，離線距離為D，路徑偏差角為Ai，該約束可表示為
s≤D≤f，0≤Ai≤α(5)
這里，α為某一大于等于零的向量；
5)飛行速度飛行機(jī)器人在執(zhí)行巡檢任務(wù)時利用的攝像設(shè)備要有充足的處理時間，飛行速度既要快又要滿足機(jī)載設(shè)備的性能參數(shù)要求；
6)懸停飛行機(jī)器人在執(zhí)行任務(wù)過程中，若發(fā)現(xiàn)有可疑或破損處，應(yīng)該在此處懸停進(jìn)行相應(yīng)的工作；此時飛行機(jī)器人應(yīng)以一種較安全的姿勢懸停，以保證工作的順利完成。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述巡檢飛行機(jī)器人對電力線路的檢測方法，其特征在于，所述執(zhí)行巡檢任務(wù)劃分為三層任務(wù)規(guī)劃層、路徑規(guī)劃層、軌跡控制層，并利用多AGENT技術(shù)來實現(xiàn)每層內(nèi)部和各層之間的協(xié)調(diào)與協(xié)作。本專利將規(guī)劃系統(tǒng)分為三層任務(wù)規(guī)劃層、路徑規(guī)劃層和軌跡控制層，每一層都確定本層的規(guī)劃變量、目標(biāo)函數(shù)、每一級的規(guī)劃變量和目標(biāo)函數(shù)，同時又是下一層規(guī)劃的約束條件
1)任務(wù)規(guī)劃層任務(wù)規(guī)劃層進(jìn)行的是遠(yuǎn)期規(guī)劃，在該層根據(jù)線路信息、地形信息、危險限制等進(jìn)行飛行機(jī)器人巡檢任務(wù)的航路選擇、間歇點的確定、避開危險標(biāo)志的操作，規(guī)劃變量包括起飛點、目標(biāo)點、分級目標(biāo)點、起飛時間、完成到達(dá)時間；其目標(biāo)函數(shù)為
其中，第一項G表示盡量保持與電力線在無干擾的距離內(nèi)，第二項表示盡量增大飛行路徑與危險區(qū)域的距離Y，d1、d2為各項的權(quán)重。本層的約束條件是為飛行機(jī)器人選擇到達(dá)目標(biāo)的路徑長度，要求飛行路徑安全、最短；任務(wù)規(guī)劃層把規(guī)劃好的起飛點、目標(biāo)點、間歇點、起飛時間、路徑編號等信息輸出到路徑規(guī)劃層；
2)路徑規(guī)劃層路徑規(guī)劃層進(jìn)行行為級規(guī)劃，其目的是根據(jù)任務(wù)要求、燃料限制、天氣情況等信息選擇一條飛行機(jī)器人安全完成預(yù)定任務(wù)的飛行路徑，其規(guī)劃變量中包括間歇點的信息；其目標(biāo)函數(shù)為
其中，第一項C為飛行機(jī)器人沿實際的飛行路徑飛行過程中所消耗的燃料與飛行機(jī)器人燃料限制之差，第二項U為飛行路徑與異常環(huán)境的距離，第三項J為間歇點的信息，r1、r2、h為各項的權(quán)重；
路徑規(guī)劃層完成規(guī)劃后，把各個航路點序列對應(yīng)得路徑長度輸出到任務(wù)規(guī)劃層，把飛行路徑航路點輸出到軌跡控制層進(jìn)行平滑處理，以使航路可飛；
3)軌跡控制層軌跡控制層根據(jù)飛行機(jī)器人的飛行特性，電力線周圍的交通情況和臨時出現(xiàn)的危險情況對各飛行航路點序列進(jìn)行平滑可飛處理，并進(jìn)行控制量的確定；其目標(biāo)函數(shù)為
其中，第一項h表示飛行機(jī)器人與巡檢的電力線高度盡量保持一致；第二、三、四項表示在飛行中對飛行機(jī)器人的姿勢進(jìn)行實時微調(diào)；
β、γ為飛行機(jī)器人飛行中的控制參數(shù)；第五項表示飛行機(jī)器人在懸停時應(yīng)保持的姿勢；n1、n2、n3、n4、Q為各項的權(quán)值，
軌跡控制層把規(guī)劃好的飛行路徑的飛行高度、速度和航線輸出到飛行機(jī)器人的執(zhí)行部分去執(zhí)行。
全文摘要
本發(fā)明公開了屬于電力線路非接觸式檢測技術(shù)領(lǐng)域的一種巡檢飛行機(jī)器人對電力線路的檢測方法。該方法以微型直升機(jī)為載體，首先用建立巡檢飛行機(jī)器人對電力線路的檢測二維仿真模型、其次以數(shù)學(xué)描述的方法對檢測二維仿真模型建立目標(biāo)函數(shù)、約束條件目標(biāo)函數(shù)和規(guī)劃變量；然后巡檢飛行機(jī)器人按照檢測二維仿真模型設(shè)計的規(guī)劃航跡對電力線路進(jìn)行巡檢。本發(fā)明克服了采用人工巡視、手工紙介質(zhì)記錄的工作方式存在著不能保證巡檢人員到位及對缺陷的描述不準(zhǔn)確或不規(guī)范，并避免了使用載人直升機(jī)巡檢，對工作人員的技術(shù)和經(jīng)驗要求高，而且工作人員要身穿特定的工作服，耗用人力，物力大問題。雖然一次性投入較大，其任務(wù)完成質(zhì)量和效率遠(yuǎn)高于目前其它方式。
文檔編號G01R31/08GK101477169SQ20091007703
公開日2009年7月8日 申請日期2009年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月16日
發(fā)明者柳長安, 劉春陽, 魏振華, 宏 周, 李國棟, 磊 王 申請人:華北電力大學(xué)