CN111009164A - 一种电力线路无人机智能巡检多维虚拟场景构建方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无人机仿真领域，尤其为一种电力线路无人机智能巡检多维虚拟场景构建方法及其系统，包括如下步骤：步骤1，巡线绘制；步骤2，巡线精确调整；步骤3，生成自动巡线；步骤4，获取多维巡线数据虚拟场景。本发明系统还包括控制端以及与控制端通信连接的无人机和服务器，服务器连接模拟飞行系统。本发明，采用无人机在架空输电线路周围附近，进行多维度的巡检得到高精度的巡线航迹为基础建立模型，在模型中布置缺陷点模拟真实环境，演练使培训人员掌握无人机操控及巡检要领，建立的模型时无人机拍摄或者获取精准的画面或者热感画面，提高检作业的质量，保证正常飞行高度，得到的巡检航迹较为精准，提高模拟训练真实性和准确性。

Description

一种电力线路无人机智能巡检多维虚拟场景构建方法及其 系统

技术领域

本发明涉及无人机仿真技术领域，具体为一种电力线路无人机智能巡检多维虚拟场景构建方法及其系统。

背景技术

当前，无人机技术在电网系统已经具有一定规模的普及，特别是在输电线路巡检专业得到了广泛应用。当利用无人机搭载可见光、红外热像仪、紫外成像仪等设备后，可以开展配电线路通道和设备的精细化巡检；当利用无人机搭载高清摄影相机、3D扫描仪等设备后，可以建立配电线路及所在地形的三维模型。通过无人机获取的配电线路多维度运行参数，可以为配电专业的运行管理和培训提供更加有力的技术支撑。

现有技术的无人机巡检操纵是一个比较复杂的过程，对操纵人员有比较高的要求，因而研发了仿真培训系统，让操纵人员进行模拟训练，既可以节省费用，又可以避免由于操纵不熟练而造成的损失。但是存在的缺陷有，一般是先采用人工控制无人机对架空输电线路巡检，从而得到巡检的线路、照片等信息，然后进一步分析处理，得到具体的巡检线路，以此作为仿真训练系统的模拟数据，但是由于人工操作无人机巡检，需要考虑线路磁场强度对无人机信号以及所搭载的电子设备工作信号的干扰，无人机与线路之间作业安全距离尚无定量化数据，仍停留在作业人员主观经验判断的阶段，这将制约巡检作业的质量和效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电力线路无人机智能巡检多维虚拟场景构建方法及其系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种电力线路无人机智能巡检多维虚拟场景构建方法，包括如下步骤：

步骤1，巡线绘制：无人机对指定巡检区域进行航行，通过GPS信号与机载惯性定位系统配合获取航点和巡检点，改变飞行维度，得倒多个巡线的初步的航迹，同时记录航拍照片；

步骤2，巡线精确调整：无人机采用高精度定位的方式，根据预先规划的多个初步的航迹进行数次复飞，顺序遍历各巡检点，并更新航拍照片；

步骤3，生成自动巡线：将多个初步的航迹、航拍照片以及更新的航拍照片通过自动巡视设备进行分析，得到多个最终航迹；

步骤4，获取多维巡线数据虚拟场景：将最终航迹输入到服务器得到无人机飞行航迹参数，并输入到模拟飞行系统，供模拟飞行轨迹显示系统调用显示。

优选的，步骤1中，指定巡检区域包括架空输电线路，无人机飞行采用人工控制方式，以设定的架空输电线路长度以及无人机极限航程内获得巡线里程，无人机搭载高清摄像头进行拍照。

优选的，步骤2中，无人机搭载RTK模块、磁场强度检测仪实现载波相位差分高精度定位。

优选的，步骤3中，无人机搭载高清摄像头进行拍照，同时搭载红外成像仪和紫外成像仪分别拍摄可见光、红外和紫外视频图像信息。

优选的，步骤4中，模拟飞行系统采用uAV2000无人机模拟飞行系统，服务器基于Apache服务器。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种电力线路无人机智能巡检多维虚拟场景构建系统，包括，

无人机，搭载电子设备，根据指定的巡检区域进行航行，以获取巡线；

控制端，与无人机通讯连接，用于对无人机进行飞行控制，并接收无人机上传的航迹以及航拍照片，分析处理从而获得航迹，并将航迹反馈到无人机以实现其实施闭环自主避障控制；

模拟飞行系统，用于获取服务器的无人机飞行航迹参数，并通过拟飞行轨迹显示系统调用显示；

其中，所述服务器与无人机，用于获取无人机飞行航迹。

优选的，还包括：VR设备，与模拟飞行系统串口或无线通信连接，用于操作者根据设置关卡练习无人机飞行或处理故障。

优选的，所述电子设备包括高清摄像头、RTK模块、磁场强度检测仪、红外成像仪和紫外成像仪，均与无人机的控制系统连接。

优选的，控制端包括PC机，以及与PC机连接的视频监视器，所述PC机内置自动巡视软件。

优选的，所述VR设备包括VR眼镜以及与VR眼镜配合使用的手柄。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明采用无人机在架空输电线路周围附近以处于输电线或线路部件不同位置，进行多维度的巡检，从而得到多维度的巡线航迹，以实际试巡检线路得到高精度的巡线航迹为基础建立模型，并在系统中布置缺陷点，模拟真实环境，通过反复的演练使培训人员掌握无人机操控及巡检要领，在此基础上使用无人机真机在实际场地演练，进一步巩固和提高人员操控及巡检水平。同时，由于在建立的模型过程中实现载波相位差分高精度定位，一方面可以保证无人机能够最大限度的靠近检测电力线或者设备，能够拍摄或者获取较准确的画面或者热感画面，提高检作业的质量，同时又能保证无人机与地面的控制端能够进行正常通信，保证正常飞行高度避免无人机失速、坠毁等情况，从而得到的巡检航迹较为精准，这样可以提高模拟训练巡检过程中的真实性和准确性。

附图说明

图1为本发明的电力线路无人机智能巡检多维虚拟场景构建方法流程图；

图2为本发明的电力线路无人机智能巡检多维虚拟场景构建方法无人机工作图；

图3为本发明的电力线路无人机智能巡检多维虚拟场景构建系统示意图。

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，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1～3，本发明提供一种技术方案：

一种电力线路无人机智能巡检多维虚拟场景构建方法，包括如下步骤：

步骤1，巡线绘制：无人机对指定巡检区域进行航行，通过GPS信号与机载惯性定位系统配合获取航点和巡检点，改变飞行维度，得倒多个巡线的初步的航迹，同时记录航拍照片；

步骤2，巡线精确调整：无人机采用高精度定位的方式，根据预先规划的多个初步的航迹进行数次复飞，顺序遍历各巡检点，并更新航拍照片；

步骤3，生成自动巡线：将多个初步的航迹、航拍照片以及更新的航拍照片通过自动巡视设备进行分析，得到多个最终航迹；

步骤4，获取多维巡线数据虚拟场景：将最终航迹输入到服务器得到无人机飞行航迹参数，并输入到模拟飞行系统，供模拟飞行轨迹显示系统调用显示。

作为进一步的改进方案：步骤1中，指定巡检区域包括架空输电线路，无人机飞行采用人工控制方式，以设定的架空输电线路长度以及无人机极限航程内获得巡线里程，无人机搭载高清摄像头进行拍照。

作为进一步的改进方案：步骤2中，无人机搭载RTK模块、磁场强度检测仪实现载波相位差分高精度定位。

作为进一步的改进方案：步骤3中，无人机搭载高清摄像头进行拍照，同时搭载红外成像仪和紫外成像仪分别拍摄可见光、红外和紫外视频图像信息。

作为进一步的改进方案：步骤4中，模拟飞行系统采用uAV2000无人机模拟飞行系统，服务器基于Apache服务器。

一种电力线路无人机智能巡检多维虚拟场景构建系统，包括，

无人机，搭载电子设备，根据指定的巡检区域进行航行，以获取巡线；

控制端，与无人机通讯连接，用于对无人机进行飞行控制，并接收无人机上传的航迹以及航拍照片，分析处理从而获得航迹，并将航迹反馈到无人机以实现其实施闭环自主避障控制；

模拟飞行系统，用于获取服务器的无人机飞行航迹参数，并通过拟飞行轨迹显示系统调用显示；

其中，所述服务器与无人机，用于获取无人机飞行航迹。

作为进一步的改进方案：还包括：VR设备，与模拟飞行系统串口或无线通信连接，用于操作者根据设置关卡练习无人机飞行或处理故障。

作为进一步的改进方案：所述电子设备包括高清摄像头、RTK模块、磁场强度检测仪、红外成像仪和紫外成像仪，均与无人机的控制系统连接。

作为进一步的改进方案：控制端包括PC机，以及与PC机连接的视频监视器，所述PC机内置自动巡视软件。

作为进一步的改进方案：所述VR设备包括VR眼镜以及与VR眼镜配合使用的手柄。

本发明中，无人机飞行过程中，飞行控制文件以10Hz的频率记录了GPS、机载惯性定位系统、驱动系统、电池系统，以及详细的飞行控制信息。无人机进行线路巡检后，不但可根据飞行控制文件记录信息绘制出巡线的准确航迹，还可结合高精度航拍照片的时刻信息和飞行控制记录，确定每一航拍点的准确位置信息和航拍时摄像头的设置信息，得倒巡线的初步的航迹。此过程中如图2所示，可以在架空输电线的的不同位置进行不同维度的巡检线路，如位于输电线的上侧(无人机(b)处)、下侧(无人机(d)处)、左侧(无人机(c)处)、右侧(无人机(a)处)进行单独巡检。然后再采用另一架或者专业级的多旋翼无人机，可将上述每个独立的航迹沿线及航拍位置设置为控制点，再利用无人机平台提供的应用程序编程接口(API)函数，控制无人机对每个巡检线路顺序遍历各控制点，并在航拍控制点按摄像头进行信息调整设置，实现高精度航拍，此时更新航拍照片。再将航拍照片、初步的航迹以及更新航拍照片通过无人机通信模模块回传到控制端，控制端包括PC机，在PC机内置自动巡视软件作为自动巡视设备，对回传的信息进行分析和处理，得到多个最终航迹，并保存最终的航迹信息。

如图2所示，在进行巡线绘制和巡线精确调整时无人机对架空输电线路周围附近飞行进行巡检。在进行巡线精确调整时，由于无人机搭载了RTK模块，以载波相位差分技术进行高精度定位，即无人机系统的地面基站和无人机上均设置有RTK模块，基于实时处理2个测量站载波相位观测量的差分方法，将基准站采集的载波相位发给用户接收机，实时提供测站点在指定坐标系中的三维定位结果，并利用差分校正误差，定位精度可达厘米级，在高精度RTK差分定位技术支持下，无人机可根据预先规划航线，准确到达巡视目标位置拍摄高分辨率图像，为实现无人机全自动精细化巡视提供了技术支持。无人机由于外壳一般为塑料，内置或外搭电子设备，设计时可抵抗3～4倍磁场强度的磁干扰，我国地磁感应强度为50～60μT，在巡检作业过程中，当距离输电线路3.0m时，线路电流产生的磁感应强度约为220μT，无人机磁力计将受到干扰，影响正常作业。根据安培定则，通电直导线产生的磁场分布为环绕导线的同心圆，越靠近导线磁场强度越大。因此，地磁场和电流磁场合成的总磁场方向指向导线，宏观上表现为无人机被导线吸附。根据毕奥-沙伐定律，通有电流为I的载流回路在空间产生的磁感应强度公式：

上述式中：μ为介质磁导率；I为载流回路中的电流；x和y分别为空间中某点距离导线的水平距离和垂直距离。根据上述公式，导线周围空间某点的磁场强度正比于导线内电流，反比于该点与导线的距离。根据仿真分析，当输送容量为1500MW，即电流为3kA时，无人机巡检最小安全距离为3.0m。若电流为I(单位为kA)，则最小安全距离d(单位为m)为d＝I。本发明中，通过搭载的磁场强度检测仪，可以实时检测到磁场强度，可以设定4倍磁场强度的磁干扰的2％～5％裕量来控制无人机飞行，这样一方面可以保证无人机能够最大限度的靠近检测架空输电线的电力线或者设备(H1最小)，提高检作业的质量，同时又能保证无人机与地面的控制端能够进行正常通行，保证正常飞行高度(H2最小)，避免无人机失速、坠毁等情况。

本发明中，在通过巡线精确调整得到最终的航迹后，将上述的航拍照片、初步的航迹以及更新航拍照片通过无人机通信模模块回传到控制端，在PC机内置自动巡视软件作为自动巡视设备，对回传的信息进行分析和处理，得到多个不同维度的最终航迹，并保存最终的航迹信息。在对操作者训练时，将保存的信息下载到服务器中，服务器基于Apache服务器得到无人机飞行航迹参数，然后上传到uAV2000无人机模拟飞行系统，供模拟飞行轨迹显示系统调用显示。从而可根据输入的人机和无人机控制策略匹配，然后设置关卡：根据无人机载巡视任务执行过程中操作技能要领，设计培训关卡和考核任务，关卡包括起飞、降落拍照和距离控制等，并且关卡采用循序渐进，由易到难的方式设置，最后：典型故障包括绝缘子串履冰、掉串、电蚀以及金具卡扣脱落，无人机飞行巡检中出现的故障包括无人机失速、飞行高度下降、撞机、失控坠毁，自然环境包括风环境以及雨环境，在虚拟场景中模拟风、雨环境，在虚拟场景中设置的风及雨环境，模拟真实环境用于训练无人机操控能力。

当然本发明中，操作者也可根据穿戴VR设备，如VR眼镜，与uAV2000无人机模拟飞行系统有线或无线通讯方式连接，从而操作者可以使用VR眼镜与手柄配合从而完成训练无人机操控能力。

本发明采用无人机在架空输电线路周围附近以处于输电线或线路部件不同位置，进行多维度的巡检，从而得到多维度的巡线航迹，以实际试巡检线路得到高精度的巡线航迹为基础建立模型，并在系统中布置缺陷点，模拟真实环境，通过反复的演练使培训人员掌握无人机操控及巡检要领，在此基础上使用无人机真机在实际场地演练，进一步巩固和提高人员操控及巡检水平。同时，由于在建立的模型过程中实现载波相位差分高精度定位，一方面可以保证无人机能够最大限度的靠近检测电力线或者设备，能够拍摄或者获取较准确的画面或者热感画面，提高检作业的质量，同时又能保证无人机与地面的控制端能够进行正常通信，保证正常飞行高度避免无人机失速、坠毁等情况，从而得到的巡检航迹较为精准，这样可以提高模拟训练巡检过程中的真实性和准确性。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种电力线路无人机智能巡检多维虚拟场景构建方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，巡线绘制：无人机对指定巡检区域进行航行，通过GPS信号与机载惯性定位系统配合获取航点和巡检点，改变飞行维度，得倒多个巡线的初步的航迹，同时记录航拍照片；

步骤2，巡线精确调整：无人机采用高精度定位的方式，根据预先规划的多个初步的航迹进行数次复飞，顺序遍历各巡检点，并更新航拍照片；

步骤3，生成自动巡线：将多个初步的航迹、航拍照片以及更新的航拍照片通过自动巡视设备进行分析，得到多个最终航迹；

步骤4，获取多维巡线数据虚拟场景：将最终航迹输入到服务器得到无人机飞行航迹参数，并输入到模拟飞行系统，供模拟飞行轨迹显示系统调用显示。

2.根据权利要求1所述的一种电力线路无人机智能巡检多维虚拟场景构建方法，其特征在于，步骤1中，指定巡检区域包括架空输电线路，无人机飞行采用人工控制方式，以设定的架空输电线路长度以及无人机极限航程内获得巡线里程，无人机搭载高清摄像头进行拍照。

3.根据权利要求1所述的一种电力线路无人机智能巡检多维虚拟场景构建方法，其特征在于，步骤2中，无人机搭载RTK模块、磁场强度检测仪实现载波相位差分高精度定位。

4.根据权利要求1所述的一种电力线路无人机智能巡检多维虚拟场景构建方法，其特征在于，步骤3中，无人机搭载高清摄像头进行拍照，同时搭载红外成像仪和紫外成像仪分别拍摄可见光、红外和紫外视频图像信息。

5.根据权利要求1所述的一种电力线路无人机智能巡检多维虚拟场景构建方法，其特征在于，步骤4中，模拟飞行系统采用uAV2000无人机模拟飞行系统，服务器基于Apache服务器。

6.一种电力线路无人机智能巡检多维虚拟场景构建系统，其特征在于，包括，

无人机，搭载电子设备，根据指定的巡检区域进行航行，以获取巡线；

控制端，与无人机通讯连接，用于对无人机进行飞行控制，并接收无人机上传的航迹以及航拍照片，分析处理从而获得航迹，并将航迹反馈到无人机以实现其实施闭环自主避障控制；

模拟飞行系统，用于获取服务器的无人机飞行航迹参数，并通过拟飞行轨迹显示系统调用显示；

其中，所述服务器与无人机，用于获取无人机飞行航迹。

7.根据权利要求6所述的一种电力线路无人机智能巡检多维虚拟场景构建系统，其特征在于，还包括：VR设备，与模拟飞行系统串口或无线通信连接，用于操作者根据设置关卡练习无人机飞行或处理故障。

8.根据权利要求6所述的一种电力线路无人机智能巡检多维虚拟场景构建系统，其特征在于，所述电子设备包括高清摄像头、RTK模块、磁场强度检测仪、红外成像仪和紫外成像仪，均与无人机的控制系统连接。

9.根据权利要求7所述的一种电力线路无人机智能巡检多维虚拟场景构建系统，其特征在于，控制端包括PC机，以及与PC机连接的视频监视器，所述PC机内置自动巡视软件。

10.根据权利要求7所述的一种电力线路无人机智能巡检多维虚拟场景构建系统，其特征在于，所述VR设备包括VR眼镜以及与VR眼镜配合使用的手柄。

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