面向鐵路巡檢的無(wú)人機(jī)飛行路徑規(guī)劃方法

武岳龍　鐘凡　高月

摘要：在之前的鐵路路線巡檢中，大多采用人工檢測(cè)方法，不但費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且效率低下，對(duì)于那些地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域，不能對(duì)鐵路線路予以有效檢測(cè)。因此，在鐵路巡檢時(shí)，必須創(chuàng)新巡檢方式，運(yùn)用無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵路的巡檢，這樣既能改進(jìn)人工檢測(cè)方法的不足，還能對(duì)鐵路實(shí)況進(jìn)行展示，提升巡檢效率。

關(guān)鍵詞：鐵路巡檢? 無(wú)人機(jī)? 飛行路徑

前言

近幾年，國(guó)內(nèi)鐵路交通得到快速發(fā)展，致使鐵路運(yùn)營(yíng)安全也開(kāi)始受到重視，但當(dāng)前鐵路巡檢很多都是通過(guò)工作人員進(jìn)行完成，從鐵路特點(diǎn)可知，有的線路跨度較大，而有的線路身處相對(duì)惡劣環(huán)境下，不僅給巡檢工作帶來(lái)難度，還制約了鐵路運(yùn)行安全。在這個(gè)過(guò)程中，如果能采用無(wú)人機(jī)完成巡檢工作，既能增強(qiáng)鐵路線路巡檢整體效率，還能讓鐵路系統(tǒng)變得更為安全，使其高效運(yùn)行。

一、鐵路巡檢無(wú)人機(jī)飛行路徑概述

無(wú)人機(jī)路徑對(duì)于鐵路巡檢有著重要作用，其不但關(guān)乎鐵路能否實(shí)現(xiàn)自動(dòng)巡航，還影響到巡檢質(zhì)量，所以，應(yīng)該做好巡檢路徑有關(guān)規(guī)劃工作，這樣既能確保無(wú)人機(jī)得以安全飛行，而且能讓其可以沿著鐵路線路穩(wěn)定飛行。其中在無(wú)人機(jī)路徑方面，很多學(xué)者都提出各自觀點(diǎn)，并進(jìn)行了多次嘗試，例如，有的學(xué)者提出通過(guò)軌道跟蹤方法，并借助無(wú)人機(jī)攝像頭有效獲取圖像，了解兩條軌道有關(guān)信息，同時(shí)對(duì)鐵路線路進(jìn)行計(jì)算，以此確定飛行方向，盡管此種方法有著良好仿真效果，卻沒(méi)有得到實(shí)際驗(yàn)證。再如，有的學(xué)者運(yùn)用遺傳算法達(dá)到對(duì)巡檢路徑的有效規(guī)劃，并通過(guò)極坐標(biāo)編碼這種方式來(lái)建構(gòu)模型，不僅設(shè)計(jì)了具有巡檢路徑規(guī)劃有關(guān)遺傳算子，而且該種方法相對(duì)可靠。

其中要想對(duì)鐵路沿線各方面實(shí)況視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取，必須改進(jìn)巡檢效率，在此期間，應(yīng)該搭建起巡檢平臺(tái)，一般情況下，鐵路巡檢平臺(tái)大多由無(wú)人機(jī)以及RTK等構(gòu)成。其一，無(wú)人機(jī)應(yīng)該是其他設(shè)備能否穩(wěn)定飛行的重要載體，不僅搭載著與其他設(shè)備間的聯(lián)系，而且能讓設(shè)備有效沿著鐵路各線路安全飛行。在這個(gè)過(guò)程中，無(wú)人機(jī)飛行往往由專(zhuān)用控制設(shè)備進(jìn)行控制，因此，為了讓飛行路徑可以與鐵路線路有效貼合，必須做好飛行路徑規(guī)劃工作，同時(shí)將已經(jīng)規(guī)劃好的各路徑有機(jī)導(dǎo)入到設(shè)備中，實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)的指導(dǎo)，進(jìn)而達(dá)到自動(dòng)巡航目的。其二，RTK屬于巡檢平臺(tái)較為高的定位部件，其大致可分成天空端以及地面端，例如，在地面端時(shí)，應(yīng)該把地面視為參考點(diǎn)，并借助衛(wèi)星信號(hào)有效接收信息，從而確定衛(wèi)星坐標(biāo)位置，進(jìn)而把位置信息有效傳送到天空端。其三，云臺(tái)應(yīng)該是無(wú)人機(jī)以及相機(jī)間的重要連接部件，首先，工作人員應(yīng)把相機(jī)有效固定到無(wú)人機(jī)中，這樣既能確保相機(jī)穩(wěn)定，而且能擴(kuò)大相機(jī)整體拍攝范圍。需要注意的是，相機(jī)屬于采集鐵路數(shù)據(jù)的重要部件，其不但能運(yùn)用俯視視角完成對(duì)鐵路實(shí)況的準(zhǔn)確拍攝，還能為線路故障判斷做出良好準(zhǔn)備，提供某些參考數(shù)據(jù)，確保鐵路線路安全。

二、無(wú)人機(jī)飛行路徑模型

（一）模型構(gòu)成

對(duì)于無(wú)人機(jī)來(lái)說(shuō)，其在飛行時(shí)，往往通過(guò)RTK來(lái)獲取大地坐標(biāo)，并把其作為參考，這樣在對(duì)實(shí)際位置進(jìn)行計(jì)算的同時(shí)，可以了解其與預(yù)設(shè)飛行路徑相差的有關(guān)數(shù)值，從而對(duì)飛行偏差進(jìn)行調(diào)整。在此期間，要想讓無(wú)人機(jī)達(dá)到沿線路飛行這一目的，應(yīng)該提前構(gòu)建路徑模型，把其用在無(wú)人機(jī)飛行中。首先，路徑模型應(yīng)該由海拔函數(shù)以及路徑經(jīng)度甚至緯度函數(shù)構(gòu)成。例如，海拔函數(shù)需要工作人員對(duì)鐵路線路坡度進(jìn)行確定，同時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)障礙物有關(guān)高度，然后運(yùn)用三次樣條插值這種方法進(jìn)行求取。其中該種方法需要對(duì)方程組進(jìn)行求解，并算出樣條曲線處有關(guān)數(shù)值，確保區(qū)間次數(shù)全都不高于3。在這個(gè)過(guò)程中，出于對(duì)線路拐彎半徑的有關(guān)考慮，需要半徑大于300米，這樣既能讓拐彎處曲率相對(duì)平緩，而且能提升拐彎處平順性，從而通過(guò)三次樣條曲線有效表達(dá)出鐵路線路狀況，進(jìn)而展現(xiàn)各函數(shù)關(guān)系。

（二）無(wú)人機(jī)飛行海拔

在確定飛行路徑時(shí)，需要對(duì)線路運(yùn)輸能力進(jìn)行考慮，同時(shí)還要考察其牽引質(zhì)量，因此應(yīng)該確保鐵路坡度小于3%，這樣才能把鐵路面看成是水平面。所以，在對(duì)路徑模型進(jìn)行建立時(shí)，應(yīng)該提前對(duì)鐵路現(xiàn)場(chǎng)予以有效考察，了解障礙物高度，這樣結(jié)合RTK地面端不但能對(duì)地面海拔信息進(jìn)行確定，還能了解無(wú)人機(jī)飛行大致海拔。其中，如果海拔高度設(shè)定是H0，則把障礙物高度設(shè)為H，從而得出公式：。此外，為了進(jìn)一步掌握路徑經(jīng)度以及緯度間關(guān)系，應(yīng)該對(duì)巡檢路段各數(shù)值進(jìn)行獲取，了解各坐標(biāo)值，然后運(yùn)用三次樣條函數(shù)進(jìn)行演示，從而確定其關(guān)系。

三、無(wú)人機(jī)飛行路徑規(guī)劃方法

（一）規(guī)劃算法

從路徑規(guī)劃方面來(lái)看，需要對(duì)飛行規(guī)劃方法予以確定，其中規(guī)劃算法需要對(duì)飛行路徑科學(xué)確定，然后對(duì)最長(zhǎng)飛行路徑進(jìn)行選取，把其視為等長(zhǎng)路徑，接著利用插入路徑點(diǎn)這種方法有效延長(zhǎng)飛行路徑，使其達(dá)到協(xié)同要求，這樣既能對(duì)最優(yōu)解進(jìn)行確定，還能改善巡檢效果。與此同時(shí)，還能借助協(xié)同規(guī)劃問(wèn)題的相關(guān)解決方法進(jìn)行層次分解，其不但能讓規(guī)劃難度發(fā)生降低，而且能提升路徑規(guī)劃速度。其中遺傳算法也屬于路徑規(guī)劃中某一方法，其可以對(duì)備選路徑有效選擇，讓無(wú)人機(jī)得到優(yōu)化處理，并從中選擇相關(guān)路徑，得到相應(yīng)的規(guī)劃解決，進(jìn)而滿足協(xié)同要求。需要注意的是，備選路徑規(guī)模很難對(duì)其確定，如果集合規(guī)模相對(duì)較大，會(huì)讓計(jì)算量發(fā)生增加，一旦遇到突發(fā)威脅時(shí)，則無(wú)法達(dá)到實(shí)時(shí)性要求，相反，如果集合規(guī)模比較小，將不能滿足協(xié)同要求。因此，應(yīng)該借助協(xié)同代價(jià)函數(shù)有效處理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)路徑的系統(tǒng)規(guī)劃，確保規(guī)劃方法合理性。

（二）實(shí)驗(yàn)操作

首先，實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備。在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，應(yīng)該對(duì)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地進(jìn)行選取，本文主要選擇某個(gè)車(chē)輛相對(duì)較少的路段，其中實(shí)驗(yàn)環(huán)境大致為：線路長(zhǎng)度在1千米左右，軌距為1440mm，同時(shí)障礙物高度大約為8米，主要拍攝目標(biāo)有巖石以及紙箱甚至行人等，通過(guò)對(duì)鐵路線路的有效布置，不僅能實(shí)現(xiàn)對(duì)線路的科學(xué)模擬，還能對(duì)異常情況予以了解。在這個(gè)過(guò)程中，還應(yīng)構(gòu)建路徑模型，這樣既能讓無(wú)人機(jī)飛行有關(guān)路徑得到生成，還能對(duì)相關(guān)數(shù)值有效讀取，進(jìn)而達(dá)到對(duì)無(wú)人機(jī)控制這一目的。其次，實(shí)驗(yàn)過(guò)程。在做好路徑規(guī)劃準(zhǔn)備后，需要獲取一些路徑原始數(shù)據(jù)，從而為實(shí)驗(yàn)操作提供準(zhǔn)確數(shù)值。在此期間，需要工作人員手動(dòng)操控，同時(shí)對(duì)巡檢平臺(tái)進(jìn)行搭建，接著運(yùn)用RTK對(duì)各坐標(biāo)點(diǎn)實(shí)時(shí)記錄，如下圖。這樣既能對(duì)路徑準(zhǔn)確演示，還能了解其與線路貼合情況，如果生成飛行路徑相對(duì)光滑，則意味著與線路有著較高貼合度。最后，實(shí)驗(yàn)結(jié)果。根據(jù)路徑模型情況，把海拔高度有效設(shè)為64米，同時(shí)借助巡檢平臺(tái)對(duì)其有效測(cè)試，最終得到偏差數(shù)值為3米左右，并且采集畫(huà)面有著較高清晰度，進(jìn)而證明該方法有效。

四、結(jié)語(yǔ)

為了讓現(xiàn)階段鐵路巡檢效率得到改善，可以滿足橋梁以及懸崖等一些特殊條件巡檢要求，必須運(yùn)用無(wú)人機(jī)來(lái)搭建巡檢平臺(tái)，同時(shí)建立數(shù)學(xué)模型，這樣既能達(dá)到自動(dòng)巡航要求，而且能讓巡航變得安全。

參考文獻(xiàn)

[1]彭赤，楊磊，周小紅，石書(shū)山（1.貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司生產(chǎn)技術(shù)部，陳科羽，謝春.無(wú)人機(jī)山區(qū)環(huán)境激光掃描路徑規(guī)劃方法研究[J/OL].激光技術(shù)：1-11.

[2]凌健，楊潔，史俊祎.基于多旋翼無(wú)人機(jī)的500kV架空輸電線路巡視技術(shù)[J].湖北電力，2019（06）：1-6.

[3]王偉，董曉虎，付晶，杜勇，劉壯，吳軍.電力無(wú)人機(jī)氣象環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)及防傾覆策略[J]. 湖北電力，2019（06）：7-14.

[4]王泉東，伍道樂(lè)，楊岳，羅意平，魏曉斌.面向鐵路巡檢的無(wú)人機(jī)飛行路徑規(guī)劃方法[J].鐵路計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2019，28（06）：73-77.

[5]王童.神朔鐵路綜合智能巡檢系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國(guó)高新科技，2017，1（11）：51-55.

項(xiàng)目

2019年度陜西省教育廳專(zhuān)項(xiàng)科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目，《基于鐵道巡查中無(wú)人機(jī)的應(yīng)用與研究》（項(xiàng)目編號(hào)：19JK0503）。

作者簡(jiǎn)介

武岳龍（1995.5-），男，漢，陜西西安，本科，助理工程師，自動(dòng)控制技術(shù)。鐘凡（1986.5-），女，漢，陜西安康，本科，助教，人力資源管理。高月（1994.11-），女，漢，陜西延安，本科，助理工程師，自動(dòng)控制技術(shù)。