基于狼群算法的无人载具混凝土坝表面缺陷动态检测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于狼群算法的无人载具混凝土坝表面缺陷动态检测方法，具体包括：步骤一：定义无人载具集群中人工狼的个数和中心控制节点；步骤二：初始化无人载具凝土坝表面缺陷动态检测方法所用到的参数；步骤三：初始化无人载具凝土坝表面缺陷动态检测方法的侦察环境；步骤四：搜索狼动态检测大坝缺陷；步骤五：中心控制节点选择头狼；步骤六：协作狼对头狼附近的缺陷实施围攻行为；步骤七：协作狼将缺陷图片、缺陷状态表达式同步给中心控制节点；步骤八：重新初始化头狼；步骤九：重复步骤四

【技术实现步骤摘要】
基于狼群算法的无人载具混凝土坝表面缺陷动态检测方法


[0001]本专利技术涉及一种基于狼群算法的无人载具混凝土坝表面缺陷动态检测方法，属于混凝土坝表面缺陷识别


技术介绍

[0002]无人载具集群在特定工程地形下的混凝土坝表面缺陷检测的航迹路线规划主要分为静态规划和动态规划。静态航迹规划是将人工统计的缺陷3D坐标信息录入集群系统中，结合缺陷历史信息定位航迹中的缺陷，同时根据大坝3D模型使无人载具集群在组内编排时考虑避障风险，最后生成静态的航迹路线。该方法操作简单，易实施，但缺乏实时动态性。动态航迹规划是无人载具集群在行进的过程中实时检测缺陷，根据新增缺陷信息、缺陷修复、缺陷等级调整来自主决策航迹规划，最后生成动态的航迹路线。由于考虑无人载具集群动态检测，满足实时更新航迹规划需求，因此该方法具有很高的实用性和鲁棒性。
[0003]在混凝土坝表面缺陷检测时，很多缺陷信息基于人工检测，缺少实时性，即缺陷信息会随着时间空间动态变化，采用传统人工检测缺陷的方法会增加人工、时间成本。

技术实现思路

[0004]专利技术目的：针对现有技术中存在的问题与不足，本专利技术基于狼群算法的原理，从实时检测缺陷信息的角度考虑，生成无人载具集群的动态航迹规划。具体是一种基于狼群算法的无人载具混凝土坝表面缺陷动态检测方法，能够在无人载具行进时，进行缺陷的增加、修复、缺陷等级调整来动态生成航迹规划，该方法可以减少统计缺陷信息的成本需求，对无人载具的动态航迹规划具有良好的指导意义。
[0005]技术方案：一种基于狼群算法的无人载具混凝土坝表面缺陷动态检测方法，包括以下步骤：
[0006](1)定义无人载具集群中人工狼的个数N和由自动巡检控制站组成的中心控制节点。中心控制节点管理缺陷表，缺陷表分为旧缺陷表和新增缺陷表。每个表包含缺陷位置信息X和缺陷函数值Y，并把新旧缺陷表同步给所有人工狼，人工狼建立缺陷状态表达式。
[0007](2)初始化本文基于狼群算法的无人载具混凝土坝表面缺陷动态检测方法所用到的参数。定义狼群中所有人工狼的位置X
i
，搜索狼比例因子α，搜索狼的最大游走时间T
max
，距离判定因子w。
[0008](3)初始化本文基于狼群算法的无人载具混凝土坝表面缺陷动态检测方法的侦察环境。将大坝巡检区域划分A
x
×
A
y
的离散网格，A
x
、A
y
表示在长度和宽度下的网格数量。每个网格坐标定义一个结构体信息I(v),v∈(1,2,
…
,A
x
×
A
y
)，包含该处是否存在大坝缺陷、人工狼信息素。
[0009](4)搜索狼进行游走行为来动态检测坝面缺陷。选择无人载具集群中S
num
匹搜索狼，分别向各自的h个方向感知附近的大坝缺陷，以游走步长step
α
进行搜索，并记录每前进一步感知的缺陷函数值Y
ip
后退回原来的位置。搜索狼在感知不同方向Y
ip
后，选择最大Y
ip
且
大于当前位置缺陷函数值Y
i0
所在的方向移动，更新搜索狼的位置X
i
和缺陷函数值Y
i
。当搜索狼检测到大坝缺陷，先通过对比中心控制节点同步的缺陷表来判断当前位置的缺陷的类型属性，并做对应的处理。搜索狼再更新网格信息，为后续搜索狼的识别提供记录。若搜索狼未检测到缺陷，重复上述游走行为直到达到最大游走时间T
max
；
[0010](5)当搜索狼达到最大游走时间T
max
，搜索狼将各自的缺陷状态表达式向中心控制节点汇报，中心控制节点选择缺陷函数值最大的搜索狼成为头狼。头狼发出召唤行为，M
num
匹协作狼以奔袭步长step
b
向头狼位置聚集；
[0011](6)协作狼对头狼附近的缺陷实施围攻行为。当协作狼与头狼的距离d
is
<d
near
时，以攻击步长step
c
发起围攻行为。协作狼拍摄缺陷图片，在头狼更新当前缺陷位置的状态表达式后，获取头狼的缺陷状态表达式。
[0012](7)协作狼将缺陷图片、缺陷状态表达式发送给中心控制节点。中心控制节点读取并处理缺陷表达式，若是新增缺陷，在新增缺陷表中新增未知缺陷；若是已知缺陷但是缺陷等级或个数发生变化，在已知缺陷表中修改变动的缺陷信息。
[0013](8)重新初始化头狼。中心控制节点更新完缺陷状态表后把缺陷表同步给所有人工狼，取消当前头狼的地位，单轮巡检结束。从搜索狼的缺陷状态表达式中选择缺陷权重函数值最大的人工狼重新定义头狼，新增缺陷位置的附近M
num
匹为协作狼，其余为搜索狼。
[0014](9)重复(4)
‑
(8)过程，直至所有人工狼的缺陷表达式不再更新或者网格节点全部被遍历，所有缺陷检测完毕，循环结束。
[0015]进一步地，所述步骤(1)中：
[0016](1.1)中心控制节点中缺陷表的表达式如下：
[0017][0018]其中flag为新旧缺陷的标识符，last代表旧缺陷，new代表新缺陷。标识符后存放的是缺陷位置信息X和缺陷函数值Y。
[0019](1.2)对于每个人工狼i，其缺陷函数值Y
i
表达式如下：
[0020][0021]其中k为缺陷等级系数，n为所有的缺陷等级，b
i
为缺陷等级系数下对应的缺陷个数。其中步骤(4)中，更新搜索狼的缺陷函数值Y
i
是更新搜索狼自身当前方向的缺陷函数值，缺陷函数值Y
i
是通过上述表达式计算的。
[0022](1.3)对于每个人工狼i，其缺陷状态表达式如下：
[0023]<X
i
|Y
i
|static＝0|1|2>
[0024]其中static为缺陷状态标识符，0代表中心控制节点已保存的旧缺陷，1代表新增缺陷，2代表旧缺陷的缺陷等级系数发生改变。
[0025]进一步地，所述步骤(2)中计算搜索狼个数：
[0026]搜索狼个数S
num
由搜索狼比例因子α决定，具体表达式如下：
[0027][0028]其中α∈[0,1]，N为所有无人载具数目，S
num
取整数。
[0029]进一步地，所述步骤(3)中计算结构体信息I(v)：
[0030]网格坐标下的结构体信息I(v)描述了当前位置的缺陷信息和人工狼信息素，公式为：
[0031]I(v)＝(Y,X),v∈(1,2,
…
,A
x
×
A
y
)
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于狼群算法的无人载具混凝土坝表面缺陷动态检测方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)定义无人载具集群中人工狼的个数N和由自动巡检控制站组成的中心控制节点；中心控制节点管理缺陷表，缺陷表分为旧缺陷表和新增缺陷表；每个缺陷表包含缺陷位置信息X和缺陷函数值Y，并把新旧缺陷表同步给所有人工狼，人工狼建立缺陷状态表达式；(2)初始化无人载具凝土坝表面缺陷动态检测方法所用到的参数；定义狼群中所有人工狼的位置X
i
，搜索狼比例因子α，搜索狼的最大游走时间T
max
，距离判定因子w；(3)初始化无人载具凝土坝表面缺陷动态检测方法的侦察环境；将大坝巡检区域划分A
x
×
A
y
的离散网格，A
x
、A
y
表示在长度和宽度下的网格数量；每个网格坐标定义一个结构体信息I(v),v∈(1,2,...,A
x
×
A
y
)，包含该处是否存在大坝缺陷、人工狼信息素；(4)搜索狼进行游走行为来动态检测坝面缺陷；(5)当搜索狼达到最大游走时间T
max
，搜索狼将各自的缺陷状态表达式向中心控制节点汇报，中心控制节点选择缺陷函数值最大的搜索狼成为头狼；头狼发出召唤行为，M
num
匹协作狼以奔袭步长step
b
向头狼位置聚集；(6)协作狼对头狼附近的缺陷实施围攻行为；当协作狼与头狼的距离d
is
<d
near
时，以攻击步长step
c
发起围攻行为；协作狼拍摄缺陷图片，在头狼更新当前缺陷位置的状态表达式后，获取头狼的缺陷状态表达式；(7)协作狼将缺陷图片、缺陷状态表达式发送给中心控制节点；中心控制节点读取并处理缺陷表达式，若是新增缺陷，在新增缺陷表中新增未知缺陷；若是已知缺陷但是缺陷等级或个数发生变化，在已知缺陷表中修改变动的缺陷信息。(8)重新初始化头狼；中心控制节点更新完缺陷状态表后把缺陷表同步给所有人工狼，取消当前头狼的地位，单轮巡检结束；从搜索狼的缺陷状态表达式中选择缺陷权重函数值最大的人工狼重新定义头狼，新增缺陷位置的附近M
num
匹为协作狼，其余为搜索狼。(9)重复(4)
‑
(8)过程，直至所有人工狼的缺陷表达式不再更新或者网格节点全部被遍历，所有缺陷检测完毕，循环结束。2.根据权利要求1所述的基于狼群算法的无人载具混凝土坝表面缺陷动态检测方法，其特征在于，所述(4)中，搜索狼进行游走行为来动态检测坝面缺陷：选择无人载具集群中S
num
匹搜索狼，分别向各自的h个方向感知附近的大坝缺陷，以游走步长step
α
进行搜索，并记录每前进一步感知的缺陷函数值Y
ip
后退回原来的位置；搜索狼在感知不同方向Y
ip
后，选择最大Y
ip
所在的方向移动，更新搜索狼的位置X
i
和缺陷函数值Y
i
；当搜索狼检测到大坝缺陷，先通过对比中心控制节点同步的缺陷表来判断当前位置的缺陷的类型属性，并做对应的处理；搜索狼再更新网格信息，为后续搜索狼的识别提供记录；若搜索狼未检测到缺陷，重复上述游走行为直到达到最大游走时间T
max
。3.根据权利要求1所述的基于狼群算法的无人载具混凝土坝表面缺陷动态检测方法，其特征在于，所述步骤(1)中：(1.1)中心控制节点中缺陷表的表达式如下：
其中flag为新旧缺陷的标识符，last代表旧缺陷，new代表新缺陷；标识符后存放的是缺陷位置信息X和缺陷函数值Y；(1.2)对于每个人工狼i，其缺陷函数值Y
i
表达式如下：其中k为缺陷等级系数，n为所有的缺陷等级，b
i
为缺陷等级系数下对应的缺陷个数；(1.3)对于每个人工狼i，其缺陷状态表达式如下：<X
i
|Y
i
|static＝0|1|2>其中static为缺陷状态标识符，0代表中心控制节点已保存的旧缺陷，1代表新增缺陷，2代表旧缺陷的缺陷等级系数发生改变。4.根据权利要求1所述的基于狼群算法的无人载具混凝土坝表面缺陷动态检测方法，其特征在于，所述步骤(2)中计算搜索狼个数：搜索狼个数S
num
由搜索狼比例因子α决定，具体表达式如下：其中α∈[0,1]，N为所有无人载具数目，S
num
...

【专利技术属性】
技术研发人员：毛莺池，吴俊，肖海斌，杨劲松，郭有安，字陈波，彭欣欣，聂兵兵，王龙宝，赵欢，王孜博，吴光耀，余意，刘海波，郭锐，王海燕，翟笠，陈恒江，李耀德，赵家尧，刘军显，
申请(专利权)人：华能澜沧江水电股份有限公司，
类型：发明
国别省市：