CN109405830B - 基于线路坐标序列的无人机自动巡检方法 - Google Patents

基于线路坐标序列的无人机自动巡检方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于线路坐标序列的无人机自动巡检方法，所述方法步骤如下：地面站读取线路节点坐标文件获取线路节点坐标；对线路节点坐标进行转换并将线路节点编号；计算初始照准点并确定下次照准方向；计算当前照准点；根据当前照准点的坐标计算转台的转动角度，通过飞机所在位置和线路节点集自动选择当前需要照准的线路节点，并根据该节点的坐标与实时下传的飞行数据自动计算光电吊舱需要转动的角度，并将此角度自动发送至飞控机，以达到有效减轻地面站操作人员的工作强度，提高无人机系统工作效率，实现自动巡线的目的。

Description

基于线路坐标序列的无人机自动巡检方法
技术领域
本发明涉及机器人巡检节点技术领域，具体涉及一种基于线路坐标序列的无人机自动巡检方法。
背景技术
无人机进行线路巡检作业时，需要实时将光电吊舱的视轴对准线路中的感兴趣点(以下称为“线路节点”)，以准确获取线路节点的视频影像。在实际飞行作业中，地面站操作人员根据飞机所在的不同位置，通过比较分析，从线路上的若干节点中选取不同的线路节点，人工将光电吊舱的视轴方向转动至该线路节点，在整个线路巡检作业过程中，地面站操作人员需要不断选取与飞机位置相对应的线路节点，并人工调整光电吊舱，这种方式效率低下，如果根据飞行参数和线路节点集自动选择线路节点，需要采用穷举法计算飞机当前位置与每个线路节点的距离，从中选择距离最近的节点进行照准。在整个飞行作业过程中，该方法需要不断的计算飞机与所有节点的距离，计算量较大，时效性较差；而且，该方法不能保证线路节点选择的完整性原则与有序性原则。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出了一种基于线路坐标序列的无人机自动巡检方法，以达到有效减轻地面站操作人员的工作强度，提高无人机系统工作效率，实现自动巡线的目的。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：一种基于线路坐标序列的无人机自动巡检方法，所述方法步骤如下：地面站读取线路节点坐标文件获取线路节点坐标；对线路节点坐标进行转换并将线路节点编号；计算初始照准点并确定下次照准方向；计算当前照准点；根据当前照准点的坐标计算转台的转动角度。
进一步地，所述线路节点坐标文件用于存储线路节点大地坐标，所述获取线路节点坐标是：按顺序读取节点的纬度、经度信息并采用链表结构对线路节点坐标进行存储。
进一步地，所述对线路节点坐标进行转换是：将线路节点坐标进行高斯投影变换，转化为平面坐标，所述将线路节点编号是：将节点存储在链表中的相对地址编号作为节点编号。
进一步地，所述计算初始照准点的具体方法是：获取无人机的当前飞行参数，所述飞行参数包括：无人机的纬度、经度和航向；将无人机的经纬度坐标进行高斯投影变换，转化为平面坐标；采用穷举法计算飞机当前位置与所有线路节点的距离，选择距离最小的线路节点作为初始照准点，所述确定下次照准方向的方法是：根据当前节点的编号来确定下次照准方向。
进一步地，所述计算当前照准点的方法是：先判断是否更改下次照准方向，再根据下次照准方向判断当前照准点。
进一步地，所述根据当前照准点的坐标计算转台的转动角度的具体方法是：确定照准点的经度、纬度和高度；计算照准点在机体坐标系中的坐标；计算转台需要转动的角度。
进一步地，所述确定照准点的经度、纬度和高度的具体方法是：根据节点编号获取当前照准点的经度和纬度，利用全球高程模型内插得到该点的高度。
进一步地，所述计算照准点在机体坐标系中的坐标的具体方法是：将照准点与飞机的大地坐标分别转化为地心直角坐标，得到照准点地心直角坐标和飞机地心直角坐标；将照准点的地心直角坐标归算至以飞机坐标为原点的站心地平直角坐标系中，得到照准点站心地平直角坐标系坐标；将照准点的站心直角坐标转化至以机体坐标系中,得到照准点机体坐标系坐标。
进一步地，所述计算转台需要转动的角度的具体方法是：根据摄像机在机体坐标系中的坐标以及照准点机体坐标系坐标,计算转台需要转动的俯仰角和方位角。
本发明具有如下优点：
(1).本发明通过飞机所在位置和线路节点集自动选择当前需要照准的线路节点，并根据该节点的坐标与实时下传的飞行数据自动计算光电吊舱需要转动的角度，并将此角度自动发送至飞控机，可有效减轻地面站操作人员的工作强度，提高无人机系统工作效率，实现自动巡线。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明实施例公开的基于线路坐标序列的无人机自动巡检方法流程图；
图2为本发明实施例公开的无人机巡检作业示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明提供了一种基于线路坐标序列的无人机自动巡检方法，其工作原理是通过飞机所在位置和线路节点集自动选择当前需要照准的线路节点，并根据该节点的坐标与实时下传的飞行数据自动计算光电吊舱需要转动的角度，并将此角度自动发送至飞控机，以达到有效减轻地面站操作人员的工作强度，提高无人机系统工作效率，实现自动巡线的目的。
下面结合实施例和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，一种基于线路坐标序列的无人机自动巡检方法，所述方法步骤如下：地面站读取线路节点坐标文件获取线路节点坐标；对线路节点坐标进行转换并将线路节点编号；计算初始照准点并确定下次照准方向；计算当前照准点；根据当前照准点的坐标计算转台的转动角度。
其中，所述线路节点坐标文件用于存储线路节点大地坐标(经纬度)，所述获取线路节点坐标是：按顺序读取节点的纬度、经度信息并采用链表结构对线路节点坐标进行存储。
其中，所述对线路节点坐标进行转换是：将线路节点坐标进行高斯投影变换，转化为平面坐标，高斯投影的中央子午线经度采用该线路上所有节点的经度平均值，所述将线路节点编号是：将节点存储在链表中的相对地址编号作为节点编号，即：第一个节点编号0，第K个节点编号为K-1。
其中，所述计算初始照准点的具体方法是：获取无人机的当前飞行参数，所述飞行参数包括：无人机的纬度、经度和航向；将无人机的经纬度坐标进行高斯投影变换，转化为平面坐标，高斯投影的中央子午线经度采用该线路上所有节点的经度平均值；采用穷举法计算飞机当前位置与所有线路节点的距离，选择距离最小的线路节点作为初始照准点，所述确定下次照准方向的方法是：根据当前节点的编号来确定下次照准方向。
其中，利用初始照准点确定下一个计算单元的照准方向，若初始照准点编号为0(线路第一个节点)，则下次照准方向为正序方向；若初始照准点编号为N(线路最后一个节点)，则下次照准方向为逆序方向；若初始照准点编号为K，K>0且K<N,则按如下判断逻辑确定照准点方向：
假设无人机当前平面坐标为(XA,YA)，航向为θ，线路节点K的平面坐标为(XK,YK),线路节点K+1的平面坐标为(XK+1,YK+1)，线路节点K-1的平面坐标为(XK-1,YK-1)。构造向量
Figure BDA0001788777300000031
向量
Figure BDA0001788777300000032
向量
Figure BDA0001788777300000033
Figure BDA0001788777300000041
若
Figure BDA0001788777300000042
且
Figure BDA0001788777300000043
则下次照准方向为正序方向；
若
Figure BDA0001788777300000044
且
Figure BDA0001788777300000045
则下次照准方向为逆序方向；
若
Figure BDA0001788777300000046
且
Figure BDA0001788777300000047
令
Figure BDA0001788777300000048
Figure BDA0001788777300000049
若SA(K+1)≥SA(K-1)，则下次照准方向为正序方向
若SA(K+1)<SA(K-1),则下次照准方向为逆序方向；
若
Figure BDA00017887773000000410
且
Figure BDA00017887773000000411
则下次照准方向为正序方向。
其中，所述计算当前照准点的方法是：先判断是否更改下次照准方向，再根据下次照准方向判断当前照准点。
其中，判断是否更改下次照准方向的规则为：若上一照准点编号为0(线路第一个节点)，则下次照准方向为正序方向；若上一照准点编号为N(线路最后一个节点)，则下次照准方向为逆序方向；若上一照准点编号为K，K>0且K<N,下次照准方向不做更改。
其中，判断当前照准点的具体步骤为：获取当前飞行参数(无人机纬度、经度、航向)，将无人机经纬度坐标转化为平面坐标，坐标转换采用高斯投影变换，高斯投影的中央子午线经度采用该线路上所有节点的经度平均值，假设无人机当前平面坐标为(XA,YA)，上次照准点为K，线路节点K的平面坐标为(XK,YK),线路节点K+1的平面坐标为(XK+1,YK+1)，线路节点K-1的平面坐标为(XK-1,YK-1)。
若下次照准方向为正序方向，令
Figure BDA00017887773000000412
Figure BDA00017887773000000413
Figure BDA00017887773000000414
若SAK≤SA(K+1)，则当前照准点为K；否则，当前照准点为K+1。
若下次照准方向为逆序方向，令
Figure BDA00017887773000000415
Figure BDA00017887773000000416
若SAK≤SA(K-1)，则当前照准点为K；否则，当前照准点为K-1。
其中，所述根据当前照准点的坐标计算转台的转动角度的具体方法是：确定照准点的经度、纬度和高度；计算照准点在机体坐标系中的坐标；计算转台需要转动的角度。
其中，所述确定照准点的经度、纬度和高度的具体方法是：根据节点编号获取当前照准点的经度(LT)和纬度(BT)，利用全球高程模型内插得到该点的高度(HT)。
其中，所述计算照准点在机体坐标系中的坐标的具体方法是：根据照准点的经度(LT)、纬度(BT)、高度(HT)、飞机经度(L)、纬度(B)、高度(H)、俯仰角(P)、滚转角(R)、航向角(R)，计算照准点在机体坐标系中的坐标(XT,YT,ZT)。
首先，将照准点与飞机的大地坐标(经纬高)分别转化为地心直角坐标，得到照准点地心直角坐标(XP,YP,ZP),飞机地心直角坐标(X0，Y0，Z0),此坐标转换有通用公式，此处不做赘述；
然后，将照准点的地心直角坐标归算至以飞机坐标为原点的站心地平直角坐标系中，得到照准点站心地平直角坐标系坐标(XQ,YQ,ZQ)，采用如下公式：
Figure BDA0001788777300000051
最后，将照准点的站心直角坐标(XQ,YQ,ZQ)转化至以机体坐标系中,得到照准点机体坐标系坐标(XT,YT,ZT)，采用如下公式：
Figure BDA0001788777300000052
其中，所述计算转台需要转动的角度的具体方法是：根据摄像机在机体坐标系中的坐标(XC,YC,ZC)(备注：此坐标值为固定值，由飞机出厂时测量)，以及照准点机体坐标系坐标(XT,YT,ZT),计算转台需要转动的俯仰角Pitch，方位角Yaw。采用如下公式计算：
Figure BDA0001788777300000053
Figure BDA0001788777300000054
其中，坐标系与角度定义
机体坐标系：原点为GPS天线相位中心；X轴指向机头；Y轴指向飞机右翼；Z轴与X-Y平面垂直，向上为正。
俯仰角：天线机体坐标系X轴与水平面的夹角。
滚转角：天线机体坐标系Y轴与水平面的夹角。
航向角：天线机体坐标系X轴与真北方向的夹角在水平面的投影。
角度正负定义：顺着轴线方向望去，顺时针旋转为正。
如图2所示：为一种典型的无人机巡检作业示意图，图中带箭头的线条表示无人机的巡检航线，箭头指示飞行方向，圆圈代表线路中的节点，圆圈内数字0～N表示线路节点的编号，当无人机在航线中的不同位置(A1～An)时，光电吊舱需要照准不同的线路节点(0～N)，对于整个航线的巡检作业，自动选择线路节点需要保证如下基本原则：
完整性原则。航线执飞完成后，线路上的所有节点都需照准至少一次，以获取整条巡检线路的完整信息。
有序性原则。照准线路节点需按一定的次序(正序或逆序)进行，使得能便利地对获取的视频影像进行分析。
就近性原则。在保证上述原则的前提下，需优先照准与无人机当前位置最近的线路节点，以保证视频影像上线路节点的空间分辨率。
本发明可有效减轻地面站操作人员的工作强度，提高无人机系统工作效率，实现自动巡线。
以上所述的仅是本发明所公开的一种基于线路坐标序列的无人机自动巡检方法的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于线路坐标序列的无人机自动巡检方法，其特征在于，所述方法步骤如下：地面站读取线路节点坐标文件获取线路节点坐标；对线路节点坐标进行转换并将线路节点编号；计算初始照准点并确定下次照准方向；计算当前照准点；根据当前照准点的坐标计算转台的转动角度；所述对线路节点坐标进行转换是：将线路节点坐标进行高斯投影变换，转化为平面坐标；所述线路节点坐标文件用于存储线路节点大地坐标，所述获取线路节点坐标是：按顺序读取节点的纬度、经度信息并采用链表结构对线路节点坐标进行存储；所述将线路节点编号是：将节点存储在链表中的相对地址编号作为节点编号；所述计算初始照准点的具体方法是：获取无人机的当前飞行参数，所述飞行参数包括：无人机的纬度、经度和航向；将无人机的经纬度坐标进行高斯投影变换，转化为平面坐标；采用穷举法计算飞机当前位置与所有线路节点的距离，选择距离最小的线路节点作为初始照准点，所述确定下次照准方向的方法是：根据当前节点的编号来确定下次照准方向；所述计算当前照准点的方法是：先判断是否更改下次照准方向，再根据下次照准方向判断当前照准点。
2.根据权利要求1所述的基于线路坐标序列的无人机自动巡检方法，其特征在于，所述根据当前照准点的坐标计算转台的转动角度的具体方法是：确定照准点的经度、纬度和高度；计算照准点在机体坐标系中的坐标；计算转台需要转动的角度。
3.根据权利要求2所述的基于线路坐标序列的无人机自动巡检方法，其特征在于，所述确定照准点的经度、纬度和高度的具体方法是：根据节点编号获取当前照准点的经度和纬度，利用全球高程模型内插得到该点的高度。
4.根据权利要求3所述的基于线路坐标序列的无人机自动巡检方法，其特征在于，所述计算照准点在机体坐标系中的坐标的具体方法是：将照准点与飞机的大地坐标分别转化为地心直角坐标，得到照准点地心直角坐标和飞机地心直角坐标；将照准点的地心直角坐标归算至以飞机坐标为原点的站心地平直角坐标系中，得到照准点站心地平直角坐标系坐标；将照准点的站心直角坐标转化至以机体坐标系中,得到照准点机体坐标系坐标。
5.根据权利要求4所述的基于线路坐标序列的无人机自动巡检方法，其特征在于，所述计算转台需要转动的角度的具体方法是：根据摄像机在机体坐标系中的坐标以及照准点机体坐标系坐标,计算转台需要转动的俯仰角和方位角。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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