CN112540625A - 无人机自主自动电网杆塔巡检系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了无人机自主自动电网杆塔巡检系统，涉及一种巡检系统，属于无人机自主巡检技术领域，规划自动巡检路线功能通过设定路线上关键航点的方式完成，每个航点可以设定该航点处的转弯模式及到下个航点间的飞行高度和速度；在巡检路线规划完毕后可根据巡检对象编号保存为对应的配置文件，后续再次巡检时通过载入相应的配置文件可实现对无人机巡检路线的快速配置，提高工作效率；在无人机飞行到巡检路线上的航点时，地面站根据该处航点配置的机载设备动作特性向无人机云台及镜头控制模块发送相应的命令码，驱动控制电机完成云台方向、镜头焦距的调整，然后根据拍摄参数完成巡检拍摄作业。
Description
技术领域
本发明涉及一种巡检系统，具体为无人机自主自动电网杆塔巡检系统，属于无人机自主巡检技术领域。
背景技术
随着全国联网和超高压、特高压远距离输电技术的发展，输电线路距离长、沿线地形复杂、输电线路塔体高等因素导致常规的线路巡检作业方法已难以满足输电线路的巡检要求。无人机电力线路巡检技术是近年发展起来的一门新兴技术，它不受地形环境限制，具有效率高、作业范围广的优势，可解决常规线路巡检所无法解决的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案。
发明内容
本发明的目的在于提供无人机自主自动电网杆塔巡检系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
无人机自主自动电网杆塔巡检系统，包括工程管理模块、巡检线路规划模块、参数编辑模块、检验与输出模块、无人机地面控制中心以及无人机云平台；所述工程管理模块包括坐标系设置单元、参数设置单元、工程调取单元以及数据加载单元，所述坐标系设置单元用于进行巡检线路规划时，显示地形数据、航线所采用的地理坐标系；所述参数设置单元用于设置巡检过程中所采用的传感器参数，传感器参数包括激光雷达、光学相机、红外扫描仪、紫外扫描仪的参数；所述工程调取单元用于调取巡检数据存储模块中存储的工程和新建工程；所述数据加载单元用于加载数据，包括矢量数据和栅格数据的加载，为巡检线路规划提供辅助信息，如地形数据、线路分部图等。
优选的，所述巡检线路规划模块是无人机自主自动电网杆塔巡检系统的核心部分。所述巡检线路规划模块包括航摄分区创建单元、曝光点坐标设置单元、中继点布设单元以及无人机航迹布设单元，所述航摄分区创建单元用于根据提供的杆塔坐标或巡检线路模型数据生成巡线作业目标线路区段；根据航摄分区及无人机起始坐标生成无人机电力线路巡检的整个航迹；所述曝光点坐标设置单元用于根据航摄分区和作业区域内的无人机的航线生成相机曝光点坐标；
优选的，所述参数编辑模块用于对已生成的航线和曝光点进行编辑，包括删除航线、平移航线、删除曝光点、平移曝光点、修改稳定无人机姿态信息及其他属性信息等。
所述检验与输出模块是对已生成的航线和其他信息进行检核和信息输出的模块。包括距离量测功能，可以用来量测无人机到巡检线路、杆塔之间的距离等；剖面显示功能，即显示无人机飞行过程中各个点处，每个传感器对目标物截面的覆盖显示；分析无人机任意点到无人机地面控制中心的通视状况以及在有中继点时分析无人机到中继点、中继点到无人机地面控制中心的通视状况；输出航线信息、曝光点及稳定无人机姿态信息。
优选的，所述无人机航迹布设单元是巡检线路规划模块中的一项关键技术，其目标是在现实允许的时间内寻找最优或较优的飞行航迹，是确保无人机提高飞行器效能、圆满完成任务的技术保障。根据无人机的特性和电力线路巡检的要求，在档距之间作业时，无人机的飞行高度需要根据巡检线路弧垂的高度变化而进行调整，以保证飞机上所搭载的传感器能够获得完整的电力线信息，这种作业方式不同于传统的固定航高式的作业；在杆塔处无人机需要根据巡线需求进行悬停，对杆塔及金具、绝缘子等进行精细巡检，无人机的悬停点一般布设在当前航迹线段与下一条航迹线段的交叉点处；由于无人机悬停后可以直接转向进入下一段航迹线，因此布设作业区无人机航迹时，首先需要判断当前线路段末端杆塔处是否要进行悬停，若进行悬停，无人机可直接进入下一段航迹线；若不需要悬停，无人机需要绕杆塔以一定的转弯半径绕行后进入下一段航迹线。
优选的，所述无人机航迹布设单元具体的航迹线设计包括以下步骤：
步骤一：按杆塔将巡检线路分段，按一定的步距计算巡检线路上点对应的无人机巡线航迹点；
步骤二：通过逐步迭代的方式计算每段巡检线路对应的巡线航迹的连接点，生成连续航迹；
步骤三：依次判断巡线航迹中的拐弯处，无人机是否需要悬停，对于不需要悬停的拐弯点，对拐弯处的航迹进行平滑处理；
步骤四：检测整个巡线航迹区域内的其他巡检线路或地线对无人机巡线有无安全威胁，并对其进行优化；
步骤五：对整个巡线航迹进行平滑处理，得到无人机巡线的最终航迹。
优选的，当无人机进行作业时，需要实时与控制中线保持通信畅通。因此进行航摄任务之前需要根据地形条件判断无人机巡线过程中地面无人机地面控制中心与无人机之间的信号链路是否畅通，若存在不通视的区域，则需要通过中继传输，中继坐标的布设步骤：提取无人机航迹线路上的信号遮挡区段；以此区段中点为中心点，取适合大小的区域，在此区域内按中继无人机的飞行高度逐点搜索中继点，保证此中继点与区段内所有航迹点通视，同时此中继点与地面无人机地面控制中心通视；计算此区域内得到的中继点是否满足下一信号遮挡区域中继点的要求，若满足则继续判断，若不满足则按照上述步骤计算其中继点；按照上述步骤完成整条航迹所有信号遮挡区段的中继点布设。
优选的，无人机地面控制中心对巡检对象按照规范要求自动进行统一编号，并建立其对应的专属档案；完成图像的归整后，地面平台通过专用网络将图像资料在线或离线上传至无人机云平台。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、规划自动巡检路线功能通过设定路线上关键航点的方式完成，每个航点可以设定该航点处的转弯模式及到下个航点间的飞行高度和速度。在巡检路线规划完毕后可根据巡检对象编号保存为对应的配置文件，后续再次巡检时通过载入相应的配置文件可实现对无人机巡检路线的快速配置，提高工作效率。
2、在规划的巡检路线每个航点处可以设置无人机上机载设备的动作特性。在无人机飞行到巡检路线上的航点时，地面站根据该处航点配置的机载设备动作特性向无人机云台及镜头控制模块发送相应的命令码，驱动控制电机完成云台方向、镜头焦距的调整，然后根据拍摄参数完成巡检拍摄作业。
3、无人机地面控制中心对巡检对象按照规范要求自动进行统一编号，并建立其对应的专属档案；完成图像的归整后，地面平台通过专用网络将图像资料在线或离线上传至无人机云平台。
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，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的原理框图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1所示，无人机自主自动电网杆塔巡检系统，包括工程管理模块、巡检线路规划模块、参数编辑模块、检验与输出模块、无人机地面控制中心以及无人机云平台；所述工程管理模块包括坐标系设置单元、参数设置单元、工程调取单元以及数据加载单元，所述坐标系设置单元用于进行巡检线路规划时，显示地形数据、航线所采用的地理坐标系；所述参数设置单元用于设置巡检过程中所采用的传感器参数，传感器参数包括激光雷达、光学相机、红外扫描仪、紫外扫描仪的参数；所述工程调取单元用于调取巡检数据存储模块中存储的工程和新建工程；所述数据加载单元用于加载数据，包括矢量数据和栅格数据的加载，为巡检线路规划提供辅助信息，如地形数据、线路分部图等。
所述巡检线路规划模块是无人机自主自动电网杆塔巡检系统的核心部分。所述巡检线路规划模块包括航摄分区创建单元、曝光点坐标设置单元、中继点布设单元以及无人机航迹布设单元，所述航摄分区创建单元用于根据提供的杆塔坐标或巡检线路模型数据生成巡线作业目标线路区段；根据航摄分区及无人机起始坐标生成无人机电力线路巡检的整个航迹；所述曝光点坐标设置单元用于根据航摄分区和作业区域内的无人机的航线生成相机曝光点坐标；
所述参数编辑模块用于对已生成的航线和曝光点进行编辑，包括删除航线、平移航线、删除曝光点、平移曝光点、修改稳定无人机姿态信息及其他属性信息等。
所述检验与输出模块是对已生成的航线和其他信息进行检核和信息输出的模块。包括距离量测功能，可以用来量测无人机到巡检线路、杆塔之间的距离等；剖面显示功能，即显示无人机飞行过程中各个点处，每个传感器对目标物截面的覆盖显示；分析无人机任意点到无人机地面控制中心的通视状况以及在有中继点时分析无人机到中继点、中继点到无人机地面控制中心的通视状况；输出航线信息、曝光点及稳定无人机姿态信息。
所述无人机航迹布设单元是巡检线路规划模块中的一项关键技术，其目标是在现实允许的时间内寻找最优或较优的飞行航迹，是确保无人机提高飞行器效能、圆满完成任务的技术保障。根据无人机的特性和电力线路巡检的要求，在档距之间作业时，无人机的飞行高度需要根据巡检线路弧垂的高度变化而进行调整，以保证飞机上所搭载的传感器能够获得完整的电力线信息，这种作业方式不同于传统的固定航高式的作业；在杆塔处无人机需要根据巡线需求进行悬停，对杆塔及金具、绝缘子等进行精细巡检，无人机的悬停点一般布设在当前航迹线段与下一条航迹线段的交叉点处；由于无人机悬停后可以直接转向进入下一段航迹线，因此布设作业区无人机航迹时，首先需要判断当前线路段末端杆塔处是否要进行悬停，若进行悬停，无人机可直接进入下一段航迹线；若不需要悬停，无人机需要绕杆塔以一定的转弯半径绕行后进入下一段航迹线。
所述无人机航迹布设单元具体的航迹线设计包括以下步骤：
步骤一：按杆塔将巡检线路分段，按一定的步距计算巡检线路上点对应的无人机巡线航迹点；
步骤二：通过逐步迭代的方式计算每段巡检线路对应的巡线航迹的连接点，生成连续航迹；
步骤三：依次判断巡线航迹中的拐弯处，无人机是否需要悬停，对于不需要悬停的拐弯点，对拐弯处的航迹进行平滑处理；
步骤四：检测整个巡线航迹区域内的其他巡检线路或地线对无人机巡线有无安全威胁，并对其进行优化；
步骤五：对整个巡线航迹进行平滑处理，得到无人机巡线的最终航迹。
当无人机进行作业时，需要实时与控制中线保持通信畅通。因此进行航摄任务之前需要根据地形条件判断无人机巡线过程中地面无人机地面控制中心与无人机之间的信号链路是否畅通，若存在不通视的区域，则需要通过中继传输，中继坐标的布设步骤：提取无人机航迹线路上的信号遮挡区段；以此区段中点为中心点，取适合大小的区域，在此区域内按中继无人机的飞行高度逐点搜索中继点，保证此中继点与区段内所有航迹点通视，同时此中继点与地面无人机地面控制中心通视；计算此区域内得到的中继点是否满足下一信号遮挡区域中继点的要求，若满足则继续判断，若不满足则按照上述步骤计算其中继点；按照上述步骤完成整条航迹所有信号遮挡区段的中继点布设。
稳定平台搭载在无人机上，由姿态测量系统获得姿态角，通过控制系统完成姿态角与机械执行系统的变换，最终达到稳定目的。进行电力线路巡检时，由于无人机飞行高度随巡检线路弧垂的高度变化而变化，传感器在各个位置处的数据获取姿态不尽相同，需要通过稳定平台的调整来达到合适的姿态。稳定平台姿态计算是在已生成的曝光点和航迹点的基础上，根据各个传感器的航向或旁向视角以及各个传感器在稳定平台上的初始安装姿态来计算稳定平台的方位角和俯仰角，以保证所有传感器获得的数据能够覆盖目标对象。稳定平台的姿态计算分为两类：获取巡检线路信息时的稳定平台姿态计算和获取杆塔信息时的稳定平台姿态计算。
计算获取巡检线路时的稳定平台姿态时，具体设计方案为：
a)计算各个传感器的视场角；
b)根据线路走廊的宽度、飞行高度及档距，计算所有传感器的最佳扫描姿态角；
c)结合各传感器的扫描视角及其初始安装姿态角计算各传感器可摆动的角度范围；
d)搜索所有传感器对应的可摆动角度范围的正向和负向最小值的绝对值，计算其中问角度作为平台的最优姿态。
在获取杆塔信息时，由于杆塔相对于巡检线路而言，是具有高度与宽度的结构体，传感器不能一次性获取杆塔的整个信息，需要通过调整稳定平台从不同的姿态进行杆塔信息的获取，以保证获取杆塔信息的完整性。获取杆塔信息时的稳定平台姿态计算只需要按照影像幅宽及一定重叠度调整稳定平台的姿态保证获取整个杆塔信息即可。
无人机地面控制中心对巡检对象按照规范要求自动进行统一编号，并建立其对应的专属档案；完成图像的归整后，地面平台通过专用网络将图像资料在线或离线上传至无人机云平台。
本发明的工作原理：规划自动巡检路线功能通过设定路线上关键航点的方式完成，每个航点可以设定该航点处的转弯模式及到下个航点间的飞行高度和速度。在巡检路线规划完毕后可根据巡检对象编号保存为对应的配置文件，后续再次巡检时通过载入相应的配置文件可实现对无人机巡检路线的快速配置，提高工作效率。在规划的巡检路线每个航点处可以设置无人机上机载设备的动作特性。在无人机飞行到巡检路线上的航点时，地面站根据该处航点配置的机载设备动作特性向无人机云台及镜头控制模块发送相应的命令码，驱动控制电机完成云台方向、镜头焦距的调整，然后根据拍摄参数完成巡检拍摄作业。无人机地面控制中心对巡检对象按照规范要求自动进行统一编号，并建立其对应的专属档案；完成图像的归整后，地面平台通过专用网络将图像资料在线或离线上传至无人机云平台。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (3)
1.无人机自主自动电网杆塔巡检系统，其特征在于，包括工程管理模块、巡检线路规划模块、参数编辑模块、检验与输出模块、无人机地面控制中心以及无人机云平台；所述工程管理模块包括坐标系设置单元、参数设置单元、工程调取单元以及数据加载单元，所述巡检线路规划模块包括航摄分区创建单元、曝光点坐标设置单元、中继点布设单元、姿态调整单元以及无人机航迹布设单元；所述参数编辑模块用于对已生成的航线和曝光点进行编辑；
所述无人机航迹布设单元具体的航迹线设计包括以下步骤：
步骤一：按杆塔将巡检线路分段，按无人机的规格步距计算巡检线路上点对应的无人机巡线航迹点；
步骤二：通过逐步迭代的方式计算每段巡检线路对应的巡线航迹的连接点，生成连续航迹；
步骤三：依次判断巡线航迹中的拐弯处，无人机是否需要悬停，对于不需要悬停的拐弯点，对拐弯处的航迹进行平滑处理；
步骤四：检测整个巡线航迹区域内的其他巡检线路对无人机巡线有无安全威胁，并对其进行优化；
步骤五：对整个巡线航迹进行平滑处理，得到无人机巡线的最终航迹。
2.根据权利要求1所述的无人机自主自动电网杆塔巡检系统，其特征在于：所述姿态调整单元用于稳定无人机的姿态，具体设计方案为：
步骤一：计算各个传感器的视场角；
步骤二：根据线路走廊的宽度、飞行高度及档距，计算所有传感器的扫描姿态角；
步骤三：结合各传感器的扫描姿态角及其初始安装姿态角计算各传感器摆动的角度范围；
步骤四：搜索传感器对应的摆动角度范围的正向和负向最小值的绝对值，计算出无人机的的最优姿态。
3.根据权利要求1所述的无人机自主自动电网杆塔巡检系统，其特征在于：所述电网杆塔是具有高度与宽度的结构体，通过调整无人机从不同的姿态进行杆塔信息的获取。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20210323 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |