一种输电线路无人机自动驾驶巡检方法与流程

本发明属于高压输电线路运检领域，更具体地，涉及一种输电线路无人机自动驾驶巡检方法。

背景技术

高压输电线路是保证电网稳定运行的大动脉，是保证社会电力供应的基石。随着我国经济的发展，高电压等级、长线路路径、大档距、高海拔线路正逐年增多，线路运检单位所管辖的输电线路数量正逐年增多、供电可靠性要求正逐年增高；高压输电线路线路本体、附属设施结构部件复杂；线路跨越范围广，运行环境复杂恶劣，线路保护区内建筑物、构筑物、河流、树木复杂，传统的人工巡检、人工操控无人机巡检作业质量差、作业效率低、作业风险高，已不能满足线路运检之要求；传统输电线路手动无人机巡视，要求驾驶员具有很高的操控技能，无人机极易受到强电磁场、气象条件干扰，其必须保持与输电线路足够的距离，且无人机驾驶员操控时间有限、极易疲劳，增加了无人机误操作、失控、坠机风险，以上因素导致输电线路无人机巡检作业操控难度高、作业质量差、作业效率低、作业风险高。

技术实现要素：

本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种输电线路无人机自动驾驶巡检方法，实现了无人机在强电磁场中的飞行航线规划、自动驾驶、精细化巡检、激光雷达数据采集，大大提高了输电线路建模、巡检质量。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种输电线路无人机自动驾驶巡检方法，包括以下步骤：

s1.计算激光雷达扫描区域面积，根据激光雷达型号、射程、开角、通讯距离，计算激光雷达扫描区域面积；

s2.通过千寻精准定位服务，进行rtk激光雷达无人机基站定位；

s3.结合雷达扫描区域和输电线路结构尺寸，包括杆塔高度、横担最大长度、最下相导线高度、走向，分别计算输电线路线行中心与无人机保持的水平距离值、无人机与水平地面保持的垂直距离理论值、以及设计无人机与水平地面的高度值；

s4.手动操控rtk激光雷达无人机进行输电线路建模，通过数据转换、拟合，激光雷达数据分类、去噪、矢量化处理，形成三维实体模型，自动提取杆塔坐标、杆塔高、呼称高、导地线弧垂、输电线路结构部件尺寸、线路与树木、线路与房屋、线路与线路间距离，并提取输电线路绝缘子挂点、金具挂点位置空间坐标，规划无人机自动驾驶航线；

s5.根据激光雷达建模所得输电线路激光点云实体模型，提取输电线路关键位置坐标，包括杆塔中心坐标、地线挂点、绝缘子挂点坐标，规划无人机起降位置、飞行速度、飞行轨迹，通过自动驾驶、智能飞行控制程序，生成无人机精细化巡检和激光雷达建模自动驾驶航线。

本发明目的是研发一种输电线路无人机自动驾驶巡检方法，在保证输电线路安全、无人机安全的条件下，实现无人机自动驾驶，进行输电线路精细化巡检。该套系统可实现无人机在强电磁场中精准定位、准确导航飞行，极大地提高了线路、无人机安全性；该套系统运用rtk激光雷达无人机进行了输电线路三维实体建模，获取了输电线路结构部件尺寸、坐标，结合激光点云、结构部件坐标规划了无人机自动驾驶航线，包括无人机起飞位置、进入高度、速度、悬停位置、云台方向、云台角度，实现了无人机自动驾驶、智能巡检，提高了飞行的智能性、准确性、安全性，同时保证了输电线路巡检作业的高效性。该项技术将能够大大提高输电线路无人机巡检效果、作业效率和安全，具有很好的应用前景。

在本发明中，rtk载波相位差分定位技术是运用千寻基于rtk技术开发所提供的厘米级定位服务，准确掌握各基所测线路杆塔的位置信息，rtk基站坐标，准确的线路路径kml文件，为无人机智能巡检、建模提供准确的基础信息；rtk激光雷达无人机为多旋翼无人机，配备有rtk载波相位差分技术的定位、导航系统、高精度激光雷达，其由rtk基站、雷达基站、激光雷达无人机组成，可在强电磁场中实现厘米级定位、导航，完全不受电磁干扰，保证了无人机自动驾驶飞行的稳定性、精准性；同时搭载了成本低廉、射程合理、点云密度有效的激光雷达系统，设定了雷达触发、关闭高度条件，实现激光雷达无人机达到一定高度时，雷达开始、结束采集数据；rtk智能巡检无人机，实现高精度输电线路精细化巡检，并选用高分辨率可见光、红外云台，采集输电线路结构部件图像、进行温度检测，及时确定输电设备运行状况；无人机自动驾驶模块，依照激光建模所得输电线路高精度激光模型、提取的空间位置坐标、生成的无人机自动驾驶航线，运用无人机控制程序，导入航点坐标、云台方向、云台角度，控制无人机开展自动精细化巡检。

进一步地，所诉的s1步骤中，计算激光雷达扫描区域面积，其计算公式为：

式中，s为激光雷达扫描区域面积；r为激光雷达射程；α为激光雷达开角。

进一步地，所述的s3步骤中，

输电线路线行中心与无人机保持的水平距离值的计算公式为：

式中，da—线行中心与无人机保持的水平距离；

l—杆塔最长横担长度；

n—输电线路安全距离；

其中，公式中数值分别对应110kv、220kv、500kv输电线路安全距离；

无人机与水平地面保持的垂直距离理论值计算公式为：

式中，ha—无人机与水平地面保持的垂直距离理论值，m；

h—杆塔结构高度；

l—杆塔最长横担长度；

n—输电线路安全距离；

α—激光雷达开角；

无人机与水平地面的高度值，设计公式为：

以上高度，为激光雷达无人机建模时飞行的高度，根据雷达扫描区域范围、杆塔结构尺寸，分别规划无人机航线为单架次、双架次、三架次作业，以使激光雷达扫描区域可覆盖整个输电线路结构，下相导线、地线建模清晰，无断点，且该航线架次完整，不存在空载作业情况。

进一步地，生成无人机精细化巡检自动驾驶航线后，在无人机进行自动巡检时，还需控制无人机飞行的安全距离以及飞行姿态，其中，

安全距离的计算公式为：

d＝max{l1,l2,l3,l4}+x1+x2+x3+x4+vt+max{a1+a2+a3}

式中：

l1,l2分别为根据无人机搭载电子设备正常工作时要求的磁场强度，通过查找两边导线外侧达到此磁场强度处，距离对应边相导线的水平距离；

l3,l4为根据无人机搭载电子设备正常工作时要求的电场强度，查找两边相导线外侧达到此磁场强度处，距离对应边相导线的水平距离；

x1为无人机飞行平台飞控定位系统误差造成的规划线路偏差距离；

x2为最大允许飞行风力造成偏离航线偏差距离；

x3为测距仪的测距误差；

x4为线路打点gps定位仪数据误差造成规划线路与实际预设位置距离偏差；

v为无人机巡检的飞行速度；

t为无线通讯系统最长延时；

a1为单片机翼长度；

a2为机头与主轴间距离；

a3为机尾与主轴间距离；

无人机飞行姿态的控制方法包括：

首先，无人机与地面的相对位置，通过地面坐标系od-xdydzd表示；无人机的转动通过机体轴系oj-xjyjzj表示；无人机的位置变化通过速度轴系os-xsyszs表示；地面坐标系原点为无人机的初始位置，机体坐标系和速度坐标系原点均为无人机质心位置，无人机具有六个自由度，分别为三个方向的移动自由度和绕质心的三个转动自由度，三个姿态角分别为俯仰角滚转角θ和偏航角ψ；

然后，将三个姿态角的变化率向oj-xjyjzj上投影，得到：

式中，为三个姿态角的变化率；p,q,r分别为三个角速度分量；

最后，根据上式求解出θ，ψ，得到无人机姿态运动方程：

无人机在飞行过程中，会不断地受到外界干扰，飞控的目的就是保证无人机克服外界干扰，保持无人机的姿态和高度，按照预定的姿态飞行。对照传感器的测量值与系统的预定值，控制无人机正常飞行。当因为某种原因导致无人机姿态发生变化，传感器会反馈这一变化，并以电压变化等形式变现出来，由飞控感知信息，及时作出调整，达到良好的姿态控制效果。

与现有技术相比，有益效果是：本发明提供的一种输电线路无人机自动驾驶巡检方法，通过rtk厘米级定位模块、激光雷达毫米级建模模块、无人机自动驾驶模块，实现了无人机在强电磁场中的飞行航线规划、自动驾驶、精细化巡检、激光雷达数据采集，大大提高了输电线路建模、巡检质量，无人机作业的安全性、稳定性和精准性，节省了大量的人力、物力，实现了无人机自动驾驶，更加智能化、自动化。

附图说明

图1是本发明方法流程图。

图2是本发明实施例中激光雷达扫描区域示意图。

图3是本发明实施例中激光雷达扫描示意图。

图4是本发明实施例单价次航线规划示意图。

图5是本发明实施例双架次航线规划示意图。

图6是本发明实施例三架次航线规划示意图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，一种输电线路无人机自动驾驶巡检方法，包括以下步骤：

步骤1.计算激光雷达扫描区域面积，根据激光雷达型号、射程、开角、通讯距离，计算激光雷达扫描区域面积，如图2所示，其计算公式为：

式中，s为激光雷达扫描区域面积；r为激光雷达射程；α为激光雷达开角。

步骤2.通过千寻精准定位服务，进行rtk激光雷达无人机基站定位；该位置与无人机起降位置相近，无电磁干扰，无信号干扰，无振动；

步骤3.结合雷达扫描区域和输电线路结构尺寸，包括杆塔高度、横担最大长度、最下相导线高度、走向，分别计算输电线路线行中心与无人机保持的水平距离值、无人机与水平地面保持的垂直距离理论值、以及设计无人机与水平地面的高度值；其中：

如图3所示，输电线路线行中心与无人机保持的水平距离值的计算公式为：

式中，da—线行中心与无人机保持的水平距离；

l—杆塔最长横担长度；

n—输电线路安全距离；

其中，公式中数值分别对应110kv、220kv、500kv输电线路安全距离；

无人机与水平地面保持的垂直距离理论值计算公式为：

式中，ha—无人机与水平地面保持的垂直距离理论值，m；

h—杆塔结构高度；

l—杆塔最长横担长度；

n—输电线路安全距离；

α—激光雷达开角；

无人机与水平地面的高度值，设计公式为：

以上高度，为激光雷达无人机建模时飞行的高度，根据雷达扫描区域范围、杆塔结构尺寸，分别规划无人机航线为单架次、双架次、三架次作业，以使激光雷达扫描区域可覆盖整个输电线路结构，下相导线、地线建模清晰，无断点，且该航线架次完整，不存在空载作业情况，单架次、双架次、三架次航线规划如图4至6所示。

步骤4.无人机手动飞行激光建模：手动操控rtk激光雷达无人机进行输电线路建模，通过数据转换、拟合，激光雷达数据分类、去噪、矢量化处理，形成三维实体模型，自动提取杆塔坐标、杆塔高、呼称高、导地线弧垂、输电线路结构部件尺寸、线路与树木、线路与房屋、线路与线路间距离，并提取输电线路绝缘子挂点、金具挂点位置空间坐标，规划无人机自动驾驶航线；

s5.生成无人机智能巡检自动驾驶航线：根据激光雷达建模所得输电线路激光点云实体模型，提取输电线路关键位置坐标，包括杆塔中心坐标、地线挂点、绝缘子挂点坐标，规划无人机起降位置、飞行速度、飞行轨迹，通过自动驾驶、智能飞行控制程序，生成无人机精细化巡检和激光雷达建模自动驾驶航线。包括：

1.监测无人机电池电量，随时进行安全预警与应急返航；

2.根据激光雷达建模结果，自动生成无人机激光雷达建模、精细化巡检自动驾驶航线，记录无人机起飞、下降位置，进入输电线路高度，飞行高度、速度，悬停位置、云台方向、云台角度，并通过安全策略、电子围栏进行航迹优化，剔除无效飞行航线，得到最佳航线。

本发明目的是研发一种输电线路无人机自动驾驶巡检方法，在保证输电线路安全、无人机安全的条件下，实现无人机自动驾驶，进行输电线路精细化巡检。该套系统可实现无人机在强电磁场中精准定位、准确导航飞行，极大地提高了线路、无人机安全性；该套系统运用rtk激光雷达无人机进行了输电线路三维实体建模，获取了输电线路结构部件尺寸、坐标，结合激光点云、结构部件坐标规划了无人机自动驾驶航线，包括无人机起飞位置、进入高度、速度、悬停位置、云台方向、云台角度，实现了无人机自动驾驶、智能巡检，提高了飞行的智能性、准确性、安全性，同时保证了输电线路巡检作业的高效性。该项技术将能够大大提高输电线路无人机巡检效果、作业效率和安全，具有很好的应用前景。

在本发明中，rtk载波相位差分定位技术是运用千寻基于rtk技术开发所提供的厘米级定位服务，准确掌握各基所测线路杆塔的位置信息，rtk基站坐标，准确的线路路径kml文件，为无人机智能巡检、建模提供准确的基础信息；rtk激光雷达无人机为多旋翼无人机，配备有rtk载波相位差分技术的定位、导航系统、高精度激光雷达，其由rtk基站、雷达基站、激光雷达无人机组成，可在强电磁场中实现厘米级定位、导航，完全不受电磁干扰，保证了无人机自动驾驶飞行的稳定性、精准性；同时搭载了成本低廉、射程合理、点云密度有效的激光雷达系统，设定了雷达触发、关闭高度条件，实现激光雷达无人机达到一定高度时，雷达开始、结束采集数据；rtk智能巡检无人机，实现高精度输电线路精细化巡检，并选用高分辨率可见光、红外云台，采集输电线路结构部件图像、进行温度检测，及时确定输电设备运行状况；无人机自动驾驶模块，依照激光建模所得输电线路高精度激光模型、提取的空间位置坐标、生成的无人机自动驾驶航线，运用无人机控制程序，导入航点坐标、云台方向、云台角度，控制无人机开展自动精细化巡检。

具体地，生成无人机精细化巡检自动驾驶航线后，在无人机进行自动巡检时，还需控制无人机飞行的安全距离以及飞行姿态，其中，

安全距离的计算公式为：

d＝max{l1,l2,l3,l4}+x1+x2+x3+x4+vt+max{a1+a2+a3}

式中：

l1,l2分别为根据无人机搭载电子设备正常工作时要求的磁场强度，通过查找两边导线外侧达到此磁场强度处，距离对应边相导线的水平距离；

l3,l4为根据无人机搭载电子设备正常工作时要求的电场强度，查找两边相导线外侧达到此磁场强度处，距离对应边相导线的水平距离；

x1为无人机飞行平台飞控定位系统误差造成的规划线路偏差距离；

x2为最大允许飞行风力造成偏离航线偏差距离；

x3为测距仪的测距误差；

x4为线路打点gps定位仪数据误差造成规划线路与实际预设位置距离偏差；

v为无人机巡检的飞行速度；

t为无线通讯系统最长延时；

a1为单片机翼长度；

a2为机头与主轴间距离；

a3为机尾与主轴间距离；

无人机飞行姿态的控制方法包括：

首先，无人机与地面的相对位置，通过地面坐标系od-xdydzd表示；无人机的转动通过机体轴系oj-xjyjzj表示；无人机的位置变化通过速度轴系os-xsyszs表示；地面坐标系原点为无人机的初始位置，机体坐标系和速度坐标系原点均为无人机质心位置，无人机具有六个自由度，分别为三个方向的移动自由度和绕质心的三个转动自由度，三个姿态角分别为俯仰角滚转角θ和偏航角ψ；

然后，将三个姿态角的变化率向oj-xjyjzj上投影，得到：

式中，为三个姿态角的变化率；p,q,r分别为三个角速度分量；

最后，根据上式求解出θ，ψ，得到无人机姿态运动方程：

无人机在飞行过程中，会不断地受到外界干扰，飞控的目的就是保证无人机克服外界干扰，保持无人机的姿态和高度，按照预定的姿态飞行。对照传感器的测量值与系统的预定值，控制无人机正常飞行。当因为某种原因导致无人机姿态发生变化，传感器会反馈这一变化，并以电压变化等形式变现出来，由飞控感知信息，及时作出调整，达到良好的姿态控制效果。

本发明根据输电线路激光点云模型，提取绝缘子挂点、金具挂点等重要位置空间坐标，规划无人机自动驾驶航线，通过无人机飞行控制终端，控制无人机飞行。记录激光雷达无人机起降位置、飞行航线，并进行航线优化，实现自动驾驶。而且通过激光雷达三维可视化建模信息，自动提取输电线路关键位置坐标，生成无人机精细化巡检、激光雷达建模自动驾驶航线，设定了无人机进入线路高度、位置，无人机作业时悬停位置、云台方向、云台角度、飞行速度，并通过电子围栏、安全策略进行了航迹优化，保证作业安全，生成了无人机精细化巡检、激光雷达建模的最优航线；大大提高了输电线路激光雷达建模的质量、效率，解放了无人机操作，降低了无人机操控风险，具有十分可观的实用、推广价值。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。