适用于山地风电建设项目水土保持监督的无人机航拍路径规划方法与流程

1.本发明涉及一种基于分区蚁群算法的适用于山地风电建设项目水土保持监督的无人机航拍路径规划方法，属于无人机巡检技术领域。


背景技术：

2.山地风电项目因其地形条件原因，道路施工、风机吊装平台等施工时存在大量的土石方开挖作业及临时堆土，容易造成水土流失。应加强建设项目水土保持监督管理，推动山地风电高质量发展。
3.当前，建设单位的水土保持主体责任已明晰，应对水土保持设施建设质量和竣工自主验收真实性负责。然而，从建设项目水土保持工作开展情况看，截排水沟、沉砂池、临时拦挡、苫盖等水保临时措施落实不及时，工程措施和植物措施落实不到位等情况普遍存在。建设单位对项目建设期间的水土保持监督管理工作有待加强。
4.建设单位相关管理人员定期对建设项目扰动区域进行巡检是目前的主要监督方式。山地风电通常具有施工作业面分散、巡检距离远等特点，现场巡检方式虽然能直观、较为全面地发现问题，但效率低下，且在雨天后驱车巡山安全风险上升。随着无人机航拍技术的日趋成熟，在部分山地风电建设项目上进行了应用，有效弥补了现场巡检在效率和人员安全风险方面的不足。
5.目前，无人机航拍用于水土保持监督只是作为现场巡检的补充手段，工作量替代及发挥的作用非常有限。主要是受制于对无人机操作人员要求较高，一是应熟悉无人机的飞行操作，确保按所需路线飞行并拍摄有效录像信息；二是应掌握建设项目整体情况，熟悉施工作业区域和水土保持重点设施所在位置；三是应掌握水土保持工程建设规范相关知识，了解水保设施建设与措施落实的关键技术要求，知晓水保监督现场查看的内容重点；四是应具备飞行路线优化能力，避免重要信息拍摄遗漏及飞行路线往复等情况，在无人机续航能力范围内更高效地获取更多有用信息。以上原因使得无人机航拍方式在建设项目水土保持监督领域仅是锦上添花，未能真正发挥出作为“监管工具”的工程作用及商业价值。有相关机构和人员对无人机航拍路径自动规划进行了探索，但整体来看效果不理想，有的没有对最短路径进行优化，有的未考虑巡检点位较多而单次续航无法全部覆盖的情形，有的未考虑水土保持监督需求的特点只是注重“路过”而非拍得“重要信息”，这些问题严重制约了自动规划效果的体现。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，而提供一种基于分区蚁群算法的适用于山地风电建设项目水土保持监督的无人机航拍路径规划方法，提升无人机航拍路径规划的科学性与便捷性。
7.本发明解决上述问题所采用的技术方案是：一种适用于山地风电建设项目水土保
持监督的无人机航拍路径规划方法，其特征在于，设备包括无人机、底座和系统服务器，所述底座与系统服务器相连，所述底座与无人机适配，可向无人机充电和传输飞行控制指令集，所述无人机通过5g移动通讯网络与底座进行数据交互。
8.所述规划方法包括以下步骤：a. 首次使用时，进行初始化配置：录入拟巡检的点位信息及属性设置，包括点位坐标、点位所处区域类型（包括风电机组工程区、道路工程区、集电及外送线路工程区、渣场及临时堆场区、升压站及施工场地区）、航拍方式（包括环绕拍摄、常规拍摄等）、点位有效性（包括激活、冻结）等。
9.b.剔除无效点位：从起始点位往返该点位的总飞行时长t与无人机续航时长t的时差不足续航余量a的(即t-t《a)，作为超出无人机续航能力的无效点位剔除，并作出剔除标识。
10.c. 根据点位的“航拍方式”属性设置，计算各点位的航拍停留时间。
11.d.计算全域巡检时长：利用蚁群算法对全域巡检点位最短飞行路线进行寻优，求出飞行总时长t(即各段飞行时长与各点位航拍停留时长的总和)；点位有效性处于“冻结”的点位不参与计算。
12.e.根据无人机续航能力确定首个分区大小：若t《t-a，则全域作为一个整体分区；若t》t-a，从起始点向各巡检点射线，任意两条相邻射线行成的最大夹角α所覆盖的区域作为空白域，反之为巡检域，以巡检域起始边界作为首个分区起始边界，顺时针转动θ角度（θ=(360-α)
×
(t-a)
÷
t）作为首个分区终止边界。利用蚁群算法对分区内巡检点位最短飞行路线进行寻优，求出飞行总时长t1，根据t1的大小调整终止边界，使迭代计算出的t1接近t-a。
13.f.生成第一条航拍路径控制指令集，并将指令集载入无人机。
14.g.有多条飞行路径时，可以由单台无人机循环多次完成，也可以由多台无人机分别完成。
15.h.若还有巡检点位未涉及，针对未巡检点位循环采取上述同样的方法，生成第二条、第三条航拍路径指令集，直至所有巡检点位都已纳入航拍路径中。
16.i.必要时，无人机航拍时可同步将影像数据通过5g移动网络发回系统服务器；为节约无人机蓄电量，常规情况下同步回传功能默认不开启。
17.j.部分点位的水保设施完成建设并满足规范要求的，可将其点位有效性设置为“冻结”，该点位后续默认不再参与线路规划，除非其点位的有效性属性重新“激活”。
18.k.根据工作需要，可增加巡检点位，并按照步骤a的方法配置相关属性；也可以对各点位的“航拍方式”等属性进行修改。新增点位及修改后的点位属性纳入下一次的路径规划。
19.l.系统服务可以“一键回撤”；航拍作业中的无人机收到回撤指令后，立刻中止航拍并返回起始点位。
20.进一步的，所述无人机具备自动避障功能、飞行控制编程功能以及电池续航时长自动分析功能。
21.进一步的，各点位航拍方式缺省设置为“环绕拍摄”，也可手动修改为“常规拍摄”。
22.进一步的，新增点位的有效性属性缺省设置为“激活”，也可手动修改为“冻结”。
23.本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：
1、监督人员无需掌握无人机遥控的技能，也无需掌握无人机飞行控制的编程技能，系统可以根据巡检点位的设置自动生成无人机航拍飞行控制指令。
24.2、具备无人机飞行路径优化功能，在满足巡检点位影像航拍的前提下，可分析制定出最短飞行路径，提高监督效率。
25.3、提出了无人机单次飞行续航能力不足以完成所有点位巡检时的点位分区方法。
26.4、考虑了多种模式的航拍方式，可以根据不同巡检点位的监督要素分布和物理形状特点进行差异化配置，确保航拍影像拍摄到水土保持监督关注的重要现场信息。
附图说明
27.图1是本发明中无人机航拍路径规划系统的示意图。
28.图2是本发明中无人机航拍路径规划方法的流程图。
29.图3是本发明中巡检域分区划分示意图。
30.图4是实施例中使用本发明生成航拍路径的示意图。
31.图中：无人机1、底座2、系统服务器3、升压站4、风机位5、堆土场6、道路点位7、集电塔基8。
具体实施方式
32.下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
33.实施例
34.参见图1，本实施例中，一种适用于山地风电建设项目水土保持监督的无人机航拍路径规划方法，主要包括无人机1、底座2和系统服务器3，底座2与系统服务器3相连。
35.本实施例中，系统服务器3可以与多个底座2相连。底座2可以与无人机1“一对一”适配，向无人机1充电和传输飞行控制指令集；单个底座2也可以与多个无人机1适配。无人机1与底座2之间的通讯同步采用了5g移动通讯技术和近距离无线高速传输技术。
36.参见图2，本实施例中，无人机航拍路径规划方法，主要包括以下步骤：a.首次使用时，进行初始化配置：录入拟巡检的点位信息及属性设置，包括点位坐标、点位所处区域类型（包括风电机组工程区、道路工程区、集电及外送线路工程区、渣场及临时堆场区、升压站及施工场地区）、航拍方式（包括环绕拍摄、常规拍摄等）、点位有效性（包括激活、冻结）等。
37.b.剔除无效点位：从起始点位往返该点位的总飞行时长t与无人机续航时长t的时差不足续航余量a的(即t-t《a)，作为超出无人机续航能力的无效点位剔除，并作出剔除标识。
38.c.根据点位的“航拍方式”属性设置，计算各点位的航拍停留时间。
39.d.计算全域巡检时长；利用蚁群算法对全域巡检点位最短飞行路线进行寻优，求出飞行总时长t（即各段飞行时长与各点位航拍停留时长的总和）；点位有效性处于“冻结”的点位不参与计算。
40.e.根据无人机续航能力确定首个分区大小：若t《t-a，则全域作为一个整体分区；若t》t-a，从起始点向各巡检点射线，任意两条相邻射线行成的最大夹角α所覆盖的区域作
为空白域，反之为巡检域，以巡检域起始边界作为首个分区起始边界，顺时针转动θ角度（θ=(360-α)
×
(t-a)
÷
t）作为首个分区终止边界。利用蚁群算法对分区内巡检点位最短飞行路线进行寻优，求出飞行总时长t1，根据t1的大小调整终止边界，使迭代计算出的t1接近t-a。
41.f.生成第一条航拍路径控制指令集，并将指令集载入无人机。
42.g.有多条飞行路径时，可以由单台无人机循环多次完成，也可以由多台无人机分别完成。
43.h.若还有巡检点位未涉及，针对未巡检点位循环采取上述同样的方法，生成第二条、第三条航拍路径指令集，直至所有巡检点位都已纳入航拍路径中。
44.i.必要时，无人机航拍时可同步将影像数据通过5g移动网络发回系统服务器3；为节约无人机蓄电量，常规情况下同步回传功能默认不开启。
45.j.部分点位的水保设施完成建设并满足规范要求的，可将其点位有效性设置为“冻结”，该点位后续默认不再参与线路规划，除非其点位的有效性属性重新“激活”。
46.k.根据工作需要，可增加巡检点位，并按照步骤a的方法配置相关属性；也可以对各点位的“航拍方式”等属性进行修改。新增点位及修改后的点位属性纳入下一次的路径规划。
47.l.系统服务可以“一键回撤”：航拍作业中的无人机1收到回撤指令后，立刻中止航拍并返回起始点位。
48.其中，巡检点位信息配置时，点位坐标可通过gps定位装置在点位现场获取，也可以直接在地图上标出巡检位置。新增点位的有效性属性缺省设置为“激活”，也可手动修改为“冻结”。各点位航拍方式缺省设置为“环绕拍摄”（环绕飞行直径常规状态下默认为20m，也可以根据实际需要修改），也可手动修改为“常规拍摄”。
49.航拍过程中，同步记录无人机1的gps位置信息，便于直观反映出不同巡检点位的水土保持设施建设与水保措施落实状况。
50.参见图4，本实施例中巡检点位包括升压站4、风机位5、堆土场6、道路点位7、集电塔基8。使用本实施例中的无人机航拍路径规划方法，生成了无人机1的航拍巡检路径i和航拍巡检路径ii。
51.本说明书中未作详细描述的内容均属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
52.虽然本发明已以实施例公开如上，但其并非用以限定本发明的保护范围，任何熟悉该项技术的技术人员，在不脱离本发明的构思和范围内所作的更动与润饰，均应属于本发明的保护范围。