本发明属于无人机路径规划技术领域，具体涉及无人机在电力巡线领域的路径规划。
背景技术：
近年来，我国电力系统得到突飞猛进的发展，据咨询机构globaldata预测，截止2020年，中国输电线路总里程将增加至159万千米以上。中国幅员辽阔，地形多变，尤其是超高电压输电线路多分布在山区，丘陵等恶劣环境中，这给电网的维护和运行造成很大困难。对于这些区域的人工巡检工作不但工作量大，而且巡检人员的生命安全也不能得到很好保障。近年来，无人机产业的兴起给各种行业带来变革，利用无人机进行输电线路的巡检工作可以有效的提高工作效率，降低巡线成本，保障巡检人员工作安全性，并且可以通过机载云台记录的影像资料及时察觉高压线路上的安全隐患。
目前，负责电力巡线多采用四旋翼布局的飞行器，主要是出于满足复杂环境下起飞，控制简单可靠的考虑，但相比固定翼飞行器，它的缺点是飞行速度低，耗电量大，飞行过程中受风力影响大，这对飞行控制和巡检质量带来很大影响。结合这些问题本发明将采用复合式无人机，可以充分利用四旋翼飞行器的垂直起降优势和固定翼飞行器的大航程、飞行过程平稳的特性。
无人机路径规划是无人机飞行安全和任务完成情况的根本保证，要求具有极高的可靠性和实用性。目前针对无人机巡线功能的路径规划问题多集中在理论层次，采取的算法多以避障算法为主，这对飞行环境的高度信息了解程度要求过高，并且这些解决方案多处于函数仿真阶段，并没有在工程中得到良好运用。同时采取绕飞式的避障策略会导致对于目标线路巡视的不完整问题，无法有效完成完整的巡线任务。并且经过调研发现绝大多数的巡线任务规划策略都存在避障与线路巡视完整性的矛盾。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种无人机电力巡检路径规划策略，利用复合式无人机有效地对电缆线路进行巡视检查，保证对线路巡视的完整，同时根据当前飞行器的飞行特性(飞行速度，转弯半径)及转弯角度来制定转弯策略，保证有效完成完整的巡线任务，最后利用高程地图查询地面高度分布情况修正飞行高度。
本发明提供的一种无人机电力巡检路径规划方法，通过无人机采用与目标电缆线路平行等距的绕飞航线完成对电缆的拍摄巡检，所述的具有载荷任务的绕飞航线为目标航线。本发明的路径规划方法还包括如下方面：
(1)设置无人机的飞行参数，包括航线距离、转弯半径、最小转弯角度和飞行高度；航线距离是指目标航线与电缆线路距离；
(2)检查目标航线上的有效航点的转弯角度，若大于设置的最大转弯角度，则在该有效航点上引入过渡航线；无人机在通过该有效航点时，先通过渡航线，然后再进入目标航线；
(3)在目标航线的起始点引入过渡航线；无人机通过起始点的过渡航线进入目标航线。
本发明方法采用固定翼与旋翼相结合的复合式无人机。
所述的(2)中，有效航点是指存在载荷任务的航线上的点，也就是目标航线中的航点；在有效航点上引入过渡航线，过渡航线为矩形；从该有效航点进入矩形过渡航线，进入矩形过渡航线的方向与转弯方向成90度夹角，保证无人机在飞经矩形过渡航线中最后的边时，飞行方向调整到与转弯方向保持一致；矩形过渡航线的边长为两倍转弯半径；无人机沿矩形过渡航线行驶，最后从该有效航点驶出矩形过渡航线，进入目标航线。
所述的方法根据过渡航线是否与电缆线路发生交叉，设置有过线与不过线两种模式；不过线模式下，要求过渡航线不与电缆线路发生交叉，取消与电缆线路发生交叉的过渡航线；过线模式下，过渡航线能与电缆线路发生交叉。
相对于现有技术，本发明的优点和积极效果在于：
(1)本发明充分利用复合式无人机的垂直起降特性和固定翼巡航特性充分保证复杂地形的巡线作业的可行性；
(2)本发明考虑到航点切换过程中转弯角度过大，导致飞行器无法按照航线飞行，导致漏拍错拍的问题在线路的转弯航点处采取一定的过渡航线，保证飞行器的飞行路径可以完整包围电缆线路，并且利用往返航线对电缆线路进行双侧巡检；
(3)本发明中为保证线路巡检的完整性，本发明考虑到各个巡线线路节点的高度差值问题，在航线规划过程中针对两航点之间的高度差值高于飞机爬升能力问题在航点切换过程中提供了到点盘旋升降，先盘旋升降，坡度控制三种不同的爬升策略；
(4)本发明采用往返航线两侧巡线的策略，为避免飞行器在巡线过程中的巡线线路与电缆线路发生干涉导致飞行器撞线问题，采取过线与不过线两种不同的路径规划方式；
(5)本发明利用高程地图进行线路飞行高度修正，解决避障和线路巡视的完整性矛盾的问题。
附图说明
图1是本发明所用垂直起降复合布局无人机总体结构示意图；
图2是某电缆线路分布示意图；
图3是航线规划总体示意图(不过线)；
图4是航线规划局部示意图；
图5是航线规划总体示意图(过线)；
图6是航点切换的坡度控制模式；
图7是航点切换的先盘旋爬升模式；
图8是航点切换的到点盘旋爬升模式；
图9是区域高程数字地图；
图10是航线分布区域地面高程查询与航线高度对比图；
图11是调整后航线分布区域地面高程查询与航线高度对比图。
具体实施方式
下面将结合附图和实例对本发明作进一步的详细说明。
本发明的主要工作是，在利用简单可靠的飞行策略充分满足任务的前提下，规划出更有效、更可靠的巡线路径，并采取一定的措施来应对两电塔之间高度差较大的巡线工作，最后通过解析高程数字地图获取线路的地面高度分布并对飞行高度进行修正的策略解决飞行器巡检过程中的避障问题。
常规固定翼无人机包括机身、机翼、副翼、推力发动机以及尾翼等，机身内部安装有飞行控制系统、动力装置以及任务设备等，其中飞行控制系统用于对无人机的飞行进行控制，动力装置为旋翼旋转、舵机转动等提供动力。复合式无人机在此基础上加入四个旋翼保证飞机能够拥有旋翼机的垂直起降特性，如图1所示，本发明的复合式无人机采用的是在固定翼无人机基础上，于机翼下侧对称加装碳纤维杆，并在碳杆两端固定电机及旋翼的布局方案。
本发明是一种无人机电力巡检路径规划方法，通过无人机采用与目标电缆线路平行等距的绕飞航线完成对电缆的拍摄巡检，下面将与目标电缆线路平行等距的绕飞航线称为目标航线或者载荷航线，在载荷航线上无人机才执行拍摄任务，将载荷航线上的航点称为有效航点，有效航点是为保证实现对电缆线路完整扫描，必须准确通过的航点。但在航线上存在大转弯角度时，无人机转弯时无法有效压线，这样会造成错拍漏拍的问题，因此，本发明引入矩形过渡航线实现在较大转弯角度时候无人机提前进入目标航线，保证对目标电缆线路的完整拍摄。
如图2所示是某电缆线路的分布情况，图3所示为本发明对图2所示电缆线路实现的一种航线规划，航线是在保证与电缆线路距离在预设值138m，转弯半径100m的前提下采取的针对目标线路进行平行等距规划的路径规划方式。飞行转弯半径是根据无人机参数，任务需求等人为设定的，一旦设置就适用于航线中所有需要转弯的位置，本发明演示实例中采用了100m的转弯半径。
在起始点(进入点)和结束点位置如图2中标注所示，由于存在飞行方向突变的情况，极易出现航线无法有效包围电缆线路的情况，所以要分别采取不同的过渡航线。在起始点位置采用超出有效航点3，如图3中所示，并沿该无人机行进方向的反方向向外延伸两倍飞行转弯半径的位置插入航点2，再沿与航线成90度夹角的方向距离航点2两倍飞行转弯半径的位置作为起始点，如图3中航点1。从航点1出发可以有效保证无人机在有效航点3之前进入航线，并在起始位置开始拍摄工作。在结束点位置，采取与起始点相同的策略，在从出发航线向返程航线的过渡过程中的航线要保证过程的完整性，在有效航点11处采用沿该点方向向外延伸两倍转弯半径的位置插入航点12，然后从该点出发沿航线方向成90度夹角方向向外延伸两倍转弯半径的位置插入航点13，同理得到航点14和航点15，最终组成以两倍飞行转弯半径为边长的矩形过渡航线。
在巡线过程中，对于中间航点的转弯角度较大的情况，例如大于预设值60度，易出现超出无人机转弯能力而导致的漏拍情况，采用同样的矩形过渡航线，进入过渡航线方向与无人机转弯方向成90度夹角，保证在过渡航线中飞机最后经过的边方向应与转弯方向保持一致，从而准确通过该中间航点，如图4中航点6位置所示。飞机经过航点6后进入过渡航线，通过过渡航线调整，在经过航点10之前已提前将飞行方向调整为转弯方向。
考虑到巡线过程中航线对于避免过线有需求，将会采用不过线模式的路径规划方式，如图5所示。本发明根据设计的过渡航线是否与电缆线路发生交叉，分为两种，如果有交叉简称为过线，如图3的规划路线，如果无交叉简称为不过线，如图5的规划路线。图5中，取消了与电缆线路发生交叉的矩形过渡航线。
鉴于无人机爬升能力，为满足航线要跟随具有高度差不确定的电缆线路的要求，在航线规划中对航点的切换过程分为三种模式(以单程为例)：
(1)坡度控制模式(默认)：若无人机爬升能力满足两相邻航点的高度差，采用无人机直接爬升的模式，如图6所示。
(2)先盘旋升降模式：若无人机爬升能力不满足相邻航点高度差，且该段电缆线路整体偏高，则采用无人机在当前航点先进入盘旋爬升模式，无人机先按照预设的飞行半径爬升至目标航点高度，再重新进入航线，如图7所示。
(3)到点盘旋升降模式：若无人机爬升能力不满足相邻航点高度差，且该段电缆线路整体偏低，则采用无人机到点盘旋爬升模式，无人机先按照当前航点高度飞行至目标航点，并按照预设转弯半径爬升至目标航点高度，如图8所示。
具体电缆线路整体偏高还是偏低，可预设阈值来判断，例如设置阈值a，当超过a时整体偏高，否则整体偏低，a的数值需要根据专家经验或者参考实验、无人机参数等来设置。
最后针对规划出的航线根据该区域的高程数字地图，如图9所示，进行地面高程读取，绘制高程趋势图，如图10所示红线部分是航线飞行高度，示例设置为875m飞行高度，绿线部分是航线分布区域的地面高度分布情况，从图中可以看出当前飞行高度并不能满足飞行要求，所以针对航线中危险点位置进行航线进行飞行高度调整，图11是调整后的高程趋势图，通过调整危险点高度躲避障碍既可以满足避障要求，又能解决绕飞避障导致的线路巡视不完整的问题。
经过以上策略可以满足对目标线路的完整环绕飞行，对于小转弯角度的平滑过渡，避免与电缆线路发生干涉的要求，同时解决了避障与线路巡视完整性要求的矛盾。
本发明中无人机电力巡检路径规划的工作流程为：
(1)设置无人机飞行参数，包括：航线距离，转弯半径，飞行高度等。
(2)导入巡线线路，并依据需求，选择最大转弯角度，若目标航线上某有效航点的转弯角度大于该角度，就在该有效航点引入过渡航线，默认最大转弯角度的值为45；然后选择是否过线。
(3)依据上述规则导入巡线航线，并依次检查开始航点，结束航点，及大转弯角度航点处过渡航点导入后是否满足完整的巡线要求。
(4)针对相邻航点高度差值过大的问题，按照需求设置相应的航点切换模式，注意对于往返航线的对称航点，航点的切换模式是相反的，例如图3中从航点4到航点5的切换模式是到点盘旋升降，那么从航点26到航点27的切换模式就是先盘旋升降。
(5)对航线分布区域利用高程数字地图进行高程查询，获取地面高度分布情况，并针对安全高度要求调整航线各航点的飞行高度。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。