基于输电线路巡检的多旋翼无人机巡视作业仿真培训系统的制作方法

本发明涉及无人机仿真技术领域，具体的说是涉及一种基于输电线路巡检的多旋翼无人机巡视作业仿真培训系统。

背景技术：

当前，无人机技术在电网系统已经具有一定规模的普及，特别是在输电线路巡检专业得到了广泛应用。当利用无人机搭载可见光、红外热像仪、紫外成像仪等设备后，可以开展配电线路通道和设备的精细化巡检；当利用无人机搭载高清摄影相机、3d扫描仪等设备后，可以建立配电线路及所在地形的三维模型。通过无人机获取的配电线路多维度运行参数，可以为配电专业的运行管理和培训提供更加有力的技术支撑。

目前的电网系统中，多采用消费级无人机进行巡检作业，虽然消费级无人机的市场价格已进入普通消费者可接受区间，用实物进行基本操作培训的成本也有所下降，但因作业对象是配电运行线路，一旦遇到突发或特殊情况或无人机操作人员误操作而导致无人机失控的话，会对电网的运行安全造成非常巨大的威胁，很有可能会带来难以估量的损失。

故而，开发一套符合生产实际情况的无人机巡视仿真培训系统，是非常有必要的；一方面，它可以让操作人员在作业前进行模拟训练，在提高无人机巡视作业操控技能的同时又避免了由于特殊情况处置不当而造成的人员、电网线路或无人机的不必要损失，实现无人机仿真系统服务于员工技术培训和安全生产；另一方面，因目前各省市电网内的各地市局基层班组无人机技能的培训评价不统一，无法很好的了解到基层班组人员对无人机巡视技能的掌控效果，故此，此次开发的无人机巡视仿真培训系统也可作为无人机巡视技能培训评价业务的重要参考依据。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于输电线路巡检的多旋翼无人机巡视作业仿真培训系统，用以解决背景技术中用实物进行无人机巡视作业操作培训的缺陷，实现背景技术中所提出的符合生产实际情况的无人机巡视仿真培训系统所具备的功能。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：基于输电线路巡检的多旋翼无人机巡视作业仿真培训系统，包括培训主机以及分别与所述培训主机无线或有线连接的无人机遥控器、键盘、鼠标、显示器及虚拟现实头盔；

培训主机，为无人机巡视作业仿真培训系统的主控设备，设置有虚拟无人机飞行操控仿真单元、虚拟无人机飞行模拟仿真单元、培训评价管理单元、缺陷定位识别单元、数据库单元以及后台管理单元；

无人机遥控器、键盘及鼠标，均为无人机巡视作业仿真培训系统的虚拟无人机飞行操控输入设备，用于向培训主机输入飞行控制信号；

显示器及虚拟现实头盔，均为无人机巡视作业仿真培训系统的显示设备，用于显示虚拟无人机的机巡仿真场景及飞行姿态。

上述技术方案中，所述虚拟无人机飞行操控仿真单元包括测控单元、飞控单元、仿真计算单元以及相关状态信号设置单元；

测控单元，与所述无人机遥控器通信连接，用于接受所述无人机遥控器输出的指令信号，并接收到的所述指令信号传递至所述飞控单元；

飞控单元，与所述测控单元连接，用于接受所述测控单元输出的指令信号，执行相应的无人机增稳控制模拟、飞行姿态控制模拟以及飞行航迹控制模拟，同时向所述测控单元反馈无人机的各种状态信号；

仿真计算单元，用于模拟无人机的动力学模型、传感器和执行机构的数学模型，与所述飞控单元连接，用于接受所述飞控单元输出的指令信号，模拟出虚拟无人机相应的飞行姿态，同时向所述飞控单元反馈当前虚拟无人机的动力学模型、传感器和执行机构的数学模型的各种状态信号。

上述技术方案中，所述无人机遥控器至少包含有四个与所述测控单元通信连接的信号通道，所述四个信号通道分别为油门通道、升降通道、副翼通道及方向舵通道；

油门通道，用于控制多旋翼无人机的发动机或电机转速；

升降通道，用于控制多旋翼无人机机身前进和后退；

副翼通道，用于控制和改变多旋翼无人机机身横滚方向的姿态变化；

方向舵通道，用于控制和改变多旋翼无人机机头朝向。

上述技术方案中，所述状态信号包含gps信号、角速度及角加速度信号、环境信号和航向信号。

上述技术方案中，所述虚拟无人机飞行模拟仿真单元包含典型操作过程模拟单元、特殊飞行环境仿真模拟单元、地形地貌仿真模拟单元及配网线路仿真模拟单元；

典型操作过程模拟单元，用于模拟虚拟无人机的常规飞行过程，包含起飞模拟控制单元、正常飞行模拟控制单元及着陆模拟控制单元；

特殊飞行环境仿真模拟单元，用于为虚拟无人机模拟出真实的特殊飞行环境，包含雨雪天气仿真模拟环境单元、山火烟雾仿真模拟环境单元及大风天气仿真模拟环境单元；

地形地貌仿真模拟单元，用于为虚拟无人机巡视场景模拟出真实的地形地貌特征形态，包含城市道路仿真模拟单元、丘陵山脉仿真模拟单元及森林树木仿真模拟单元；

配网线路仿真模拟单元，用于为虚拟无人机巡视场景模拟出真实的涵盖巡线设备、电网线路及故障缺陷类型的输电线路形态，包含杆塔模型仿真模拟单元、故障缺陷模拟单元及绕塔路线模拟单元。

上述技术方案中，所述培训评价管理单元包含培训过程记录单元、仿真数据分析单元及培训结果评价单元；

培训过程记录单元，用于记录学员的仿真培训过程；

仿真数据分析单元，用于对学员仿真培训过程的数据进行分析；

培训结果评价单元，用于对学员的操作结果提供评价反馈。

上述技术方案中，所述缺陷定位识别单元包含缺陷识别单元和缺陷定位单元；

缺陷识别单元，用于对采集到的航拍图像进行预处理并获取到高质量的航拍图像，然后从中识别提取出目标物，并与系统样本库中保存的标准样本及缺陷样本进行比对，从而确定出目标物是否存在缺陷和对缺陷类型进行识别判定，包含航拍图像预处理单元、配网线路缺陷的提取与识别单元以及配网线路样本库单元，所述配网线路样本库单元包含配网线路本体标准样本库和缺陷样本库；

缺陷定位单元，用于在虚拟现实无人机巡视仿真环境中，对通过无人机检测到的缺陷目标进行精确定位。

上述技术方案中，所述数据库单元包括模型库单元、场景库单元、事件库单元、注册方法库单元、试题库单元、跟踪匹配方法库单元及交互方法库单元；

模型库单元，用于存储无人机巡检作业演练中各物体的三维仿真模型信息；

场景库单元，用于存储与实际场景一致的配电网无人机机巡模拟场景信息，包含与无人机巡检场景配合模拟需求的气象因素，灾害因素及电磁干扰因素等飞行环境的模拟场景信息；

事件库单元，用于存储无人机巡检作业培训遇到的各类异常事件信息；

注册方法库单元，用于存储用户注册仿真培训系统的方式信息；

试题库单元，用于存储无人机巡检作业培训试题信息；

交互方法库单元，用于存储各类人机交互方式信息。

上述技术方案中，所述后台管理单元包含人员信息管理单元、无人机仿真培训考核管理单元、无人机仿真培训考核成绩管理单元、无人机仿真培训评价逻辑单元、无人机仿真培训学习情况管理单元、授权及安全单元、数据缓存加速单元、日志及异常处理单元及数据库管理单元；

人员信息管理单元，用于对参与无人机巡视仿真培训学习的人员信息进行管理；

无人机仿真培训考核管理单元，用于通过对考试内容的设置，来提高学员操作无人机识别不同类型电力巡线缺陷的能力；

无人机仿真培训考核成绩管理单元，用于对学员的考核成绩进行统一管理；

无人机仿真培训评价逻辑单元，用于实现无人机仿真培训考核中的操作逻辑判断，使无人机仿真培训评价符合无人机巡检行业标准，贴近学员在实际无人机巡视作业中的操作习惯，为系统提供准确的无人机仿真培训评价依据；

无人机仿真培训学习情况管理单元，提供学员培训学习后的情况查询、统计、分析功能，方便学习信息的追踪、统计，同时便于了解学员无人机仿真培训学习情况及技能掌握情况；

授权及安全单元，根据用户的登录信息，确定当前用户在系统中所具有的操作权限，提供对系统资源和功能的授权和安全管理，防止访问不在权限范围内的资源和功能；

数据缓存加速单元，用于对系统运行速度进行优化，对数据库内的数据进行缓存，减少低效的数据库访问，提高系统的响应速度；

日志及异常处理单元，用于生成并管理系统操作日志，帮助对问题的诊断和对异常问题的捕捉与处理；

数据库管理单元，用于系统内部与数据库之间的访问管理。

本发明的工作原理为：

先将事先利用计算机仿真和图形图像处理技术创建好的无人机巡检作业演练中各物体的三维仿真模型，以及搭建好的与实际环境相同的各配电网无人机机巡模拟场景，保存到本系统或其它外部设备中；

再根据培训需求，选择需要训练的无人机巡视科目以及设定的考试场景，然后将相应的演练中所需的各物体三维仿真模型及配电网无人机机巡模拟场景、培训及考试的特殊设定、考试的评分规则等加载到本发明的多旋翼无人机巡视作业仿真培训系统中；

最后，让操作人员（学员）佩戴上虚拟现实头盔，通过操控无人机遥控器，在仿真培训系统上完成相应的无人机飞行操控训练以及不同科目的无人机巡视技能考试。

与相应技术相比，本发明的优点和有益效果是：

（1）采用多旋翼无人机来代替消费级无人机进行巡视作业操控模拟，相较于消费级无人机，多旋翼无人机机身重量较轻，因误操作导致无人机失控撞伤配网线路的风险教学，操作更方便，飞行更可靠、安全；

（2）利用无人机巡视仿真培训系统模拟出真实的飞行场景环境，并通过在仿真培训系统进行相应的无人机巡视作业操控技能训练，相较于无人机实物操作技能培训，有效的降低了培训成本，同时还用于预防在真实场景下因特殊情况处置不当而造成的人员、电网线路或无人机自身的不必要损失；

（3）本发明的基于输电线路巡检的多旋翼无人机巡视作业仿真培训系统，还配置有相应的非常全面的培训评价管理单元，利用该仿真培训系统所做出的培训评价，可作为其他无人机巡视技能培训评价业务的参考依据，便于各省市电网内的各地市局上级领导了解基层班组人员无人机巡视技能的掌握情况。

附图说明

图1为本发明的一种实施例的系统结构框图；

图2为虚拟无人机飞行操控仿真单元的结构框图；

图中：1、培训主机；2、无人机遥控器；3、键盘；4、鼠标5、；显示器；6、虚拟现实头盔；100、虚拟无人机飞行操控仿真单元；101、测控单元；102、飞控单元；103、仿真计算单元；104、相关状态信号设置单元；110、虚拟无人机飞行模拟仿真单元；120、培训评价管理单元；130、缺陷定位识别单元；140、数据库单元；150、后台管理单元；201、油门通道；202、升降通道；203、副翼通道；204、方向舵通道。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合附图和具体实施例，进一步阐述本发明是如何实施的。

实施例1：

如图1所示，本实施例提供的基于输电线路巡检的多旋翼无人机巡视作业仿真培训系统，包括培训主机1以及分别与培训主机1无线连接的无人机遥控器2、键盘3、鼠标4、显示器5和虚拟现实头盔6；

培训主机1，为无人机巡视作业仿真培训系统的主控设备，它设置有虚拟无人机飞行操控仿真单元100、虚拟无人机飞行模拟仿真单元110、培训评价管理单元120、缺陷定位识别单元130、数据库单元140以及后台管理单元150；

无人机遥控器2、键盘3及鼠标4，均为无人机巡视作业仿真培训系统的虚拟无人机飞行操控输入设备，用于向培训主机输入飞行控制信号；

显示器5及虚拟现实头盔6，均为无人机巡视作业仿真培训系统的显示设备，用于显示虚拟无人机的机巡仿真场景及飞行姿态。

如图2所示，虚拟无人机飞行操控仿真单元100包括测控单元101、飞控单元102、仿真计算单元103以及相关状态信号设置单元104；

测控单元101，与无人机遥控器2通信连接，用于接受无人机遥控器2输出的指令信号，并接收到的指令信号传递至飞控单元102；

飞控单元102，与测控单元101连接，用于接受测控单元101输出的指令信号，执行相应的无人机增稳控制模拟、飞行姿态控制模拟以及飞行航迹控制模拟，同时向测控单元反馈无人机的包含gps信号、角速度及角加速度信号、飞行环境信号和航向信号在内的各种状态信号；

仿真计算单元103，用于模拟无人机的动力学模型、传感器和执行机构的数学模型，与飞控单元102连接，用于接受飞控单元102输出的指令信号，模拟出虚拟无人机相应的飞行姿态，同时向飞控单元102反馈当前虚拟无人机的动力学模型、传感器和执行机构的数学模型的包含gps信号、角速度及角加速度信号、飞行环境信号和航向信号在内的各种状态信号。

无人机遥控器2包含有四个与测控单元通101信连接的信号通道，该四个信号通道分别为油门通道201、升降通道202、副翼通道203及方向舵通道204；

其中，油门通道201，用于控制多旋翼无人机的发动机或电机转速；

其中，升降通道202，用于控制多旋翼无人机机身前进和后退；

其中，副翼通道203，用于控制和改变多旋翼无人机机身横滚方向的姿态变化；

其中，方向舵通道204，用于控制和改变多旋翼无人机机头朝向。

虚拟无人机飞行模拟仿真单元110包含典型操作过程模拟单元、特殊飞行环境仿真模拟单元、地形地貌仿真模拟单元及配网线路仿真模拟单元；

其中，典型操作过程模拟单元，用于模拟虚拟无人机的常规飞行过程，包含起飞模拟控制单元、正常飞行模拟控制单元及着陆模拟控制单元；

其中，特殊飞行环境仿真模拟单元，用于为虚拟无人机模拟出真实的特殊飞行环境，包含雨雪天气仿真模拟环境单元、山火烟雾仿真模拟环境单元及大风天气仿真模拟环境单元；

其中，地形地貌仿真模拟单元，用于为虚拟无人机巡视场景模拟出真实的地形地貌特征形态，包含城市道路仿真模拟单元、丘陵山脉仿真模拟单元及森林树木仿真模拟单元；

其中，配网线路仿真模拟单元，用于为虚拟无人机巡视场景模拟出真实的涵盖巡线设备、电网线路及故障缺陷类型的输电线路形态，包含杆塔模型仿真模拟单元、故障缺陷模拟单元及绕塔路线模拟单元。

培训评价管理单元120包含培训过程记录单元、仿真数据分析单元及培训结果评价单元；

其中，培训过程记录单元，用于记录学员的仿真培训过程；

其中，仿真数据分析单元，用于对学员仿真培训过程的数据进行分析；

其中，培训结果评价单元，用于对学员的操作结果提供评价反馈。

缺陷定位识别单元包含缺陷识别单元和缺陷定位单元；

其中，缺陷识别单元，用于对采集到的航拍图像进行预处理并获取到高质量的航拍图像，然后从中识别提取出目标物，并与系统样本库中保存的标准样本及缺陷样本进行比对，从而确定出目标物是否存在缺陷和对缺陷类型进行识别判定，包含航拍图像预处理单元、配网线路缺陷的提取与识别单元以及配网线路样本库单元，所述配网线路样本库单元包含配网线路本体标准样本库和缺陷样本库；

其中，缺陷定位单元，用于在虚拟现实无人机巡视仿真环境中，对通过无人机检测到的缺陷目标进行精确定位。

数据库单元130包括模型库单元、场景库单元、事件库单元、注册方法库单元、试题库单元、跟踪匹配方法库单元及交互方法库单元；

其中，模型库单元，用于存储无人机巡检作业演练中各物体的三维仿真模型信息；

其中，场景库单元，用于存储与实际场景一致的配电网无人机机巡模拟场景信息，包含与无人机巡检场景配合模拟需求的气象因素，灾害因素及电磁干扰因素等飞行环境的模拟场景信息；

其中，事件库单元，用于存储无人机巡检作业培训遇到的各类异常事件信息；

其中，注册方法库单元，用于存储用户注册仿真培训系统的方式信息；

其中，试题库单元，用于存储无人机巡检作业培训试题信息；

其中，交互方法库单元，用于存储各类人机交互方式信息。

后台管理单元140包含人员信息管理单元、无人机仿真培训考核管理单元、无人机仿真培训考核成绩管理单元、无人机仿真培训评价逻辑单元、无人机仿真培训学习情况管理单元、授权及安全单元、数据缓存加速单元、日志及异常处理单元及数据库管理单元；

其中，人员信息管理单元，用于对参与无人机巡视仿真培训学习的人员信息进行管理；

其中，无人机仿真培训考核管理单元，用于通过对考试内容的设置，来提高学员操作无人机识别不同类型电力巡线缺陷的能力；

其中，无人机仿真培训考核成绩管理单元，用于对学员的考核成绩进行统一管理；

其中，无人机仿真培训评价逻辑单元，用于实现无人机仿真培训考核中的操作逻辑判断，使无人机仿真培训评价符合无人机巡检行业标准，贴近学员在实际无人机巡视作业中的操作习惯，为系统提供准确的无人机仿真培训评价依据；

其中，无人机仿真培训学习情况管理单元，提供学员培训学习后的情况查询、统计、分析功能，方便学习信息的追踪、统计，同时便于了解学员无人机仿真培训学习情况及技能掌握情况；

其中，授权及安全单元，根据用户的登录信息，确定当前用户在系统中所具有的操作权限，提供对系统资源和功能的授权和安全管理，防止访问不在权限范围内的资源和功能；

其中，数据缓存加速单元，用于对系统运行速度进行优化，对数据库内的数据进行缓存，减少低效的数据库访问，提高系统的响应速度；

其中，日志及异常处理单元，用于生成并管理系统操作日志，帮助对问题的诊断和对异常问题的捕捉与处理；

其中，数据库管理单元，用于系统内部与数据库之间的访问管理。

最后说明，以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。