CN110673634B - 一种电力巡检无人机路径规划方法和输电线巡检方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电力巡检无人机路径规划方法和输电线巡检方法，该路径规划方法包括：S1、依据设定的相机拍摄输电线重合度将理想路径划分成若干段，分别设定局部目标点，若被障碍物占据则将该点从局部目标点数组中删除，得到局部目标点序列；S2、检测pi和pi+1两点之间是否存在障碍物，若无障碍，将pi+1作为pi子节点加入随机树列表中；若存在障碍物，使用RRT规划从pi到pi+1的路径；S3、从巡检起点p0，按照步骤S2连续规划到达下一局部目标点的航线，直至到达巡检终点pn，以完成整个输电线的巡检飞行路径规划。本方法保证了电力巡线任务尽可能地观测整段输电线路，能够躲避了障碍物和限制跨越电子围栏。

Description

一种电力巡检无人机路径规划方法和输电线巡检方法
技术领域
本发明涉及一种电力巡检无人机路径规划方法和输电线巡检方法。
背景技术
传统的电力巡检任务需要攀爬杆塔甚至走线去检查缺陷，不仅效率低、劳动强度大，而且威胁到巡检作业人员的安全。
人工操作无人机进行电力巡线任务，效率也较低低(通常需要3-4人操作一台无人机)，而且巡检质量和无人机安全性依赖飞手的操作水平
近年来随着无人机技术的迅猛发展，越来越多人工进行的高强度、高风险、大范围的巡检工作由无人机取代。无人机的航迹规划是实现无人机自主飞行的保障，航迹规划是为了寻找一条从起始点到目标点且能躲避障碍物的路径。
电力巡线任务需要观测整段输电线路，观测点较多，路径规划要符合任务要求，所以规划的航迹质量要高(在保证无人机和输电线路安全的前提下，尽量选择能够进行无人机检测的最佳位置)。
无人机电力巡线系统任务包括线路通道巡检、杆塔体的精细检查。航迹规划是巡线任务的核心部分：根据任务需求选取合适的航迹规划算法，规划出能够进行巡检任务(距巡检点在一定距离范围内)、规避障碍物、路线最优的航迹。规划算法包括有：人工势场法、A*算法、RRT等。
人工势场法是一种虚拟力场实现规划路径：目标点对无人机产生引力，障碍物产生斥力，两者共同作用使得无人机运动至目标点。人工势场法优点是原理简单、路径平滑、规划速度快，缺点是产生震荡、易产生局部极小值。
A*算法是一种启发式搜索算法，可以生成最优路径，但是对于较大空间的搜索会增加计算量，影响速度。
快速扩展随机树(RRT)是以起始点为根节点，采用随机取样的方法在规划空间内扩展成随机树，并在随机树中找到一条由起始点到目标点的路径。这种方法能够有效的搜索高维空间，适合复杂环境和动态环境中的路径规划。
上述RRT算法适合三维复杂环境的路径规划，但是因为随机树是从搜索空间中随机取样逐步形成的，所以形成的轨迹不是最优，会导致规划路径超出可检测范围或着跨越电子围栏进入禁飞区。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于改进快速扩展随机树的电力巡检无人机路径规划方法，以使规划的线路更加贴近理想路径飞行。
本发明的目的还在于提供一种输电线巡检方法，其中巡检无人机按照上述电力巡检无人机路径规划方法规划的航线进行巡检。
为此，本发明一方面提供了电力巡检无人机路径规划方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、依据设定的相机拍摄输电线重合度将理想路径划分成若干段，分别设定局部目标点，若被障碍物占据则将该点从局部目标点数组中删除，得到局部目标点序列，依次记为p0，p1，…pn；S2、规划从pi到pi+1的航线：检测pi和pi+1两点之间是否存在障碍物，若无障碍，将pi+1作为pi子节点加入随机树列表中；若存在障碍物，使用RRT规划从pi到pi+1的路径；以及S3、从巡检起点p0，按照步骤S2连续规划到达下一局部目标点的航线，直至到达巡检终点pn，以完成整个输电线的巡检飞行路径规划。
进一步地，使用RRT规划从pi到pi+1的路径包括以下步骤：以pi到pi+1连线为中间轴，r为半径的圆柱体并去除电子围栏内部空间作为规划空间，r是设定障碍物边缘到直线pipi+1的最近距离，所述设定障碍物边缘为障碍物向外膨胀lsafe距离得到的边缘，用RRT算法生成有效随机树；若用RRT算法迭代nmax次后未发现路径，则每次逐步扩大圆柱体的半径Δr，判断规划空间圆柱体ωi与禁飞区ωforb是否有交集，若有交集则取规划空间Ωi＝ωi-ωforb，直至生成有效随机树，到达pi+1点。
进一步地，所述步骤S1包括以下步骤：从巡检起点p0到巡检终点pn沿输电线每隔b米分割成n段，这些分割点定为规划的局部目标点，依次判断这些分割点是否被障碍物占据，若被障碍物占据则将将该点从飞控发送到地面站记录保存，并且将其从局部目标点中删除，获得的局部目标点依次为p0，p1，…pn，其中，b＝l-2l/(c+1)，l为在最佳检测距离a时的检测范围，c为输电线重合度。
进一步地，利用无人机上搭载的高清相机来发现分割点是否被障碍物占据。
进一步地，利用无人机上搭载的激光测距仪来检测两局部目标点之间是否存在障碍物。
进一步地，理想路径为与输电线平行并且二者间距为最佳检测距离的直线段、圆弧线、或者二者的组合。
进一步地，对所述理想路径进行显示并且在理想路径上添加关键位置监测点并且将该关键位置检测点自动插入局部目标点序列的步骤。
根据本发明的另一方面，提供了一种输电线巡检方法，无人机到达巡检起点p0后，按照上面所描述的电力巡检无人机路径规划方法规划的航线逐次飞行至下一局部目标点，直至到达巡检终点pn，以完成整个输电线的巡检飞行任务，其中，巡检起点p0和巡检终点pn二者的连线为平行于输电线并且间距为最佳检测距离的理想路径。
进一步地，在巡检开始时，无人机启动飞行，定位巡检起点p0，飞往p0的过程中利用机载激光测距仪对飞行线路正前方进行检测，如果前方没有障碍物或者前方障碍物距离大于到达p0的距离，无人机沿直线到达p0；否则，利用RRT算法在电子围栏外规划并修剪无效节点形成路径，最终到达巡检起点p0。
进一步地，在巡检结束后，定位起落点，飞往起落点的过程中利用机载激光测距仪对飞行线路正前方进行检测，如果前方没有障碍物或者前方障碍物距离大于到达起落点的距离，无人机沿直线到达起落点；否则，利用RRT算法在电子围栏外规划并修剪无效节点形成路径，最终到达起落点。
本发明具有以下效果：
1、本方法保证了电力巡线任务尽可能地观测整段输电线路，提高了路径的规划质量，相机拍摄质量也会提高；
2、本发明提出的规划方法使得RRT规划的路径更加贴近理想路径飞行，既限制了算法在自由空间中扩展，又躲避了障碍物和限制跨越电子围栏。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是根据本发明的RRT算法中修剪无效节点的示意图；
图2是根据本发明的无人机输电线巡检示意图；
图3是根据本发明的巡检局部目标点生成步骤的流程图；
图4是根据本发明的局部规划空间圆柱体初始半径示意图；
图5是根据本发明的局部规划步骤的流程图；
图6是根据本发明的局部规划空间示意图；以及
图7是根据本发明的电力巡检无人机路径规划方法的流程图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
本发明提出的路径规划方法应用于无人机电力巡检，如图7所示，包括以下几个步骤。
S1、首先依据设定的相机拍摄输电线重合度将理想路径划分成若干段，分别设定局部目标点，若被障碍物占据则将该点从局部目标点数组中删除，并且发送到地面站记录保存。
S2、在飞行过程中当检测到相邻两局部目标点之间存在障碍物时，建立以相邻局部目标点连线为轴线，依据障碍物决定半径的圆柱体为规划空间，利用RRT算法在电子围栏外规划并修剪无效节点形成路径，到达相邻局部目标点。
S3、从巡检起点按照步骤S2连续规划到达下一局部目标点的航线，直至到达巡检终点pn，以完成整个输电线的巡检飞行路径规划。
本发明采用上述方法规划路径，使得RRT规划的路径更加贴近理想路径飞行，避障时兼顾巡检任务，同时记录未完成任务的节点位置。
下面结合参照图1至图6，对使用电力巡检无人机路径规划方法的输电线巡检方法进行描述。
步骤一、无人机启动飞行，定位巡检起点p0，飞往p0的过程中利用机载激光测距仪对飞行线路正前方进行检测，如果前方没有障碍物或者前方障碍物距离大于到达p0的距离，无人机沿直线到达p0；否则，利用RRT算法在电子围栏外规划并修剪无效节点形成路径，如图1所示，最终到达巡检起点p0。
步骤二、无人机上搭载的高清相机用于发现故障点，如图2所示，假设距离输电线水平一侧a米位置为最佳检测点，这样无数个最佳检测点组成的线即为理想路径，要保证在理想路径上每相隔b米拍摄的输电线重合度大于c(c，a，l为已知)，其中，c＝(2l-s)/s，(2l-s)＝2b+s，由此可计算得b。
从巡检起点p0到巡检终点pn沿输电线每隔b米分割成n段，如图3所示，这些分割点定为规划的局部目标点，依次判断这些分割点是否被障碍物占据，若被障碍物占据则将该点从飞控发送到地面站记录保存，并且将其从局部目标点中删除，局部目标点依次记为p0，p1，…，即数组p[]。其中，图3中的表达式
Figure BDA0002221614160000051
是指该pi在数组p[]中不等于空，也即pi在数组p[]中存在。若pi在数组p[]中不存在，则数组p[]中各元素判断完成，则生成局部目标点序列。
步骤三、规划从pi到pi+1的航线：激光测距仪检测两点之间是否存在障碍物，若无障碍，将pi+1作为pi子节点加入随机树列表中；若存在障碍物，使用RRT规划从pi到pi+1的路径。
步骤四、以pi到pi+1连线为中间轴，r为半径的圆柱体并去除电子围栏内部空间作为3的规划空间，r是障碍物边缘到直线pipi+1最近距离，具体如图4所示，并且为保证无人机安全，考虑无人机尺寸，默认已将所有障碍物向外膨胀lsafe距离。
步骤五、RRT算法规划路径的流程如图5所示，若用RRT算法迭代nmax次后未发现路径，每次逐步扩大圆柱体的半径Δr，判断规划空间圆柱体ωi与禁飞区ωforb(电子围栏内部)是否有交集，若有交集取规划空间Ωi＝ωi-ωforb直至生成有效随机树，到达pi+1点。
步骤六、重复步骤三-步骤五，直至规划到pn点，最后采用和起飞同样的策略进行降落。
在步骤一和步骤六中，无效节点的修剪方式如下：如图1所示，若无人机可直接由当前节点不被障碍物遮挡地飞往下一节点的后续节点，则对后续节点之前的节点进行修剪，例如，无人机可直接由P1不被障碍物遮挡地飞往P3，则对P3之前的节点P2进行修剪，如此可修剪无用的航迹。
本发明提出的无人机电力巡检方法使用了上述路径规划方法，首先依据设定的相机拍摄输电线重合度将理想路径划分成若干段，分别设定局部目标点，保证了无人机巡检无遗漏；记录不可到达的局部目标点，以便出现故障时进行排查，提高工作效率。另外，无人机在避障时建立以相邻局部目标点连线为轴线，依据障碍物决定半径的圆柱体为规划空间，可以使得PPR算法规划的路径更加贴近理想路径，保证了巡检路线的质量，并且提高了相机拍摄质量。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种电力巡检无人机路径规划方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、依据设定的相机拍摄输电线重合度将理想路径划分成若干段，分别设定局部目标点，若被障碍物占据则将该点从局部目标点数组中删除，得到局部目标点序列，依次记为p 0，p 1，…p n；
S2、规划从p i到p i+1的航线：检测p i和p i+1两点之间是否存在障碍物，若无障碍，将p i+1作为p i子节点加入随机树列表中；若存在障碍物，使用RRT规划从p i到p i+1的路径；以及
S3、从巡检起点p 0，按照步骤S2连续规划到达下一局部目标点的航线，直至到达巡检终点p n，以完成整个输电线的巡检飞行路径规划，
使用RRT规划从p i到p i+1的路径包括以下步骤：
以p i到p i+1连线为中间轴，r为半径的圆柱体并去除电子围栏内部空间作为规划空间，r是设定障碍物边缘到直线p i p i+1的最近距离，所述设定障碍物边缘为障碍物向外膨胀l safe距离得到的边缘，用RRT算法生成有效随机树；
若用RRT算法迭代n max 次后未发现路径，则每次逐步扩大圆柱体的半径∆r，判断规划空间圆柱体ω i与禁飞区ω forb 是否有交集，若有交集则取规划空间Ωi=ω i-ω forb ，直至生成有效随机树，到达p i+1点，
所述步骤S1包括以下步骤：
从巡检起点p 0到巡检终点p n沿输电线每隔b米分割成n段，这些分割点定为规划的局部目标点，依次判断这些分割点是否被障碍物占据，若被障碍物占据则将该点从飞控发送到地面站记录保存，并且将其从局部目标点中删除，获得的局部目标点依次为p 0，p 1，…p n，其中，b＝l-2l/(c+1)，l为在最佳检测距离a时的检测范围，c为输电线重合度，c=(2l-s)/s。
2.根据权利要求1所述的电力巡检无人机路径规划方法，其特征在于，利用无人机上搭载的高清相机来发现分割点是否被障碍物占据。
3.根据权利要求1所述的电力巡检无人机路径规划方法，其特征在于，利用无人机上搭载的激光测距仪来检测两局部目标点之间是否存在障碍物。
4.根据权利要求1所述的电力巡检无人机路径规划方法，其特征在于，所述理想路径为与输电线平行并且二者间距为最佳检测距离的直线段、圆弧线、或者二者的组合。
5.根据权利要求1所述的电力巡检无人机路径规划方法，其特征在于，对所述理想路径进行显示并且在理想路径上添加关键位置监测点并且将该关键位置检测点自动插入局部目标点序列的步骤。
6.一种输电线巡检方法，其特征在于，无人机到达巡检起点p 0后，按照权利要求1至5中任一项所述的电力巡检无人机路径规划方法规划的航线逐次飞行至下一局部目标点，直至到达巡检终点p n，以完成整个输电线的巡检飞行任务，其中，巡检起点p 0和巡检终点p n二者的连线为平行于输电线并且间距为最佳检测距离的理想路径。
7.根据权利要求6所述的输电线巡检方法，其特征在于，在巡检开始前，无人机启动飞行，定位巡检起点p 0，飞往 p 0的过程中利用机载激光测距仪对飞行线路正前方进行检测，如果前方没有障碍物或者前方障碍物距离大于到达 p 0的距离，无人机沿直线到达 p 0；否则，利用RRT算法在电子围栏外规划并修剪无效节点形成路径，最终到达巡检起点p 0。
8.根据权利要求6所述的输电线巡检方法，其特征在于，在巡检结束后，定位起落点，无人机飞往起落点的过程中利用机载激光测距仪对飞行线路正前方进行检测，如果前方没有障碍物或者前方障碍物距离大于到达起落点的距离，无人机沿直线到达起落点；否则，利用RRT算法在电子围栏外规划并修剪无效节点形成路径，最终到达起落点。
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