基于RRT算法的桥检无人机航线规划仿真系统设计

为了提升桥梁病害检测无人机航线规划仿真能力，能方便高效地进行航线规划仿真研究，设计了一套基于RRT (Rapid-exploration Random Tree)快速扩展随机树算法的航线规划仿真系统。该系统包含了环境模块，算法模块以及GUI模块，可实现对桥梁环境进行转换和利用GUI进行算法调参，简化仿真环节，直观规划过程。最后通过实验仿真验证，证实其方便快捷，可满足航线规划研究需要。

近年来随着经济的发展，我国建设的桥梁越来越多，而桥梁的安全是关系国计民生的大事[1]。桥梁的定期病害检测以及合理的保养维护是保证桥梁安全的有效措施。传统的桥梁病害检测有检测车、无损检测以及人工检测相结合，以上方式不仅检测速度缓慢，而且存在安全隐患[2]。随着无人机技术的不断提高，无人机也被应用在更多的领域。将无人机技术应用在桥梁病害检测上，组成智能检测系统已然成为近年来研究的热点问题[3]。

在无人机桥梁病害智能检测系统中，无人机的航线规划问题成为该系统的关键问题。近年来不少学者对无人机航线的问题进行研究。其中杨丽春为了提高无人机的自主任务能力，针对其飞行特征，开发了交互式规划以及实景仿真系统，满足了不同环境下的航迹规划以及模拟验证需求[4]。哈尔滨工程大学的曲贺基于桥梁病害检测，分析了无人机航线规划的关键因素，详细进行了风场分析以及全覆盖算法研究[5]，为工程应用提供了指导。敬家炽通过研究无人机航线规划的影响因素[6]：环境信息和约束条件， 并结合改进人工势场算法，提出了一系列规划方式。最后以普巴绒特大桥为例，进行了仿真演示。以上学者的研究成果都为后续基于桥梁病害检测无人机的航线规划研究奠定了良好的基础，但是缺乏对于仿真系统研究的整合以及特定算法仿真研究系统。

为了方便系统、高效地进行桥梁病害检测无人机航线规划仿真研究，本文进行了以下设计：在桥梁病害检测应用背景下，先分析了无人机的飞行环境(主要是桥梁)，针对环境特点选用了RRT 规划算法并设计出了航线规划仿真GUI 系统，可以简单高效地实现航线规划仿真，便于调节参数，直观规划过程。

2. 系统组成 该仿真系统由环境模块，算法模块和GUI 设计模块组成了如图1 所示。

环境模块主要是桥梁模型以及自然威胁构成：桥梁模型是规划主体，自然威胁来源于检测桥梁周围自然条件对无人机飞行构成的危险性。

算法模块：选用基于采样点的RRT (Rapid-exploration Random Tree)快速扩展随机树为原型，进行仿真研究。GUI 模块设计中，利用Matlab 软件中的GUIDE 设计环境，进行可视化界面设计，这也是该系统的关键点。三个模块共同完成无人机的航线规划，如图2 所示。

2.1. 环境分析 本文着重考虑桥梁模型在实际应用中，对无人机航线规划的影响。通过对桥梁模型进行剖析以及转换，可实现三维空间转换成二维平面，减少计算量。如图3 所示三位桥梁结构仿真图。