CN112835376B - 一种用于无人机验电的机头定位方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于无人机验电的机头定位方法，包括：将无人机机头朝向待测量线路并在到达指定高度后，将无人机以当前机头方向为中心，按照预设角度分别向左右两侧摆动，对不同摆动角度下的待测量线路进行测距，得到相应的距离和航向角，并将其作为样本数据；计算任意两个摆动角度下距离的差值，基于此，从样本数据中筛选出与待测量线路最相关的两个采样点；将由两个采样点和无人机构成的三角形在无人机飞行平面上进行投影，并根据两个采样点对应的航向角，确定投影三角形内无人机垂线方向的航向角，从而完成机头定位。本发明全程无需人工干预，自动测试，自动运算，自动定位。

Description

一种用于无人机验电的机头定位方法及系统

技术领域

本发明涉及无人机验电技术领域，尤其是涉及一种用于输电线路验电无人机的机头定位方法及系统。

背景技术

随着物联网、大数据、云计算、人工智能等新技术的快速发展，无人机已广泛应用到石油、铁路、植保、物流服务等各个行业领域。在电力行业，为满足建设和发展坚强智能电网需求，转变输变电运检模式，一种采用“直升机、无人机和人工协同巡检”的新型运检模式发展起来。其中，无人机巡检由于方式灵活、成本低，不仅能够发现杆塔异物、绝缘子破损、防震锤滑移、线夹偏移等缺陷，还能够发现金具锈蚀、开口销与螺栓螺帽缺失、查找闪络故障点等人工巡检难以发现的缺陷，可与直升机和人工巡检方式协同配合，成为线路运检技术发展的重点方向之一。另外，依托无人机平台开展导线除异物、工具传递、复合绝缘子憎水性检测等辅助检修作业逐渐增多，有效减轻了作业人员劳动强度，提高了检修效率，确保了检修作业安全。现有验电器在平原地区使用不受限制，但线路跨越河流、山谷等区域作业人员无法抵达或杆塔，另外，在线路高度提升时非接触式验电器无法正常使用。

在无人机携带验电设备垂向飞行穿过输电线路时，为了防止无人机在临近输电线路飞行的情况下，容易受到电磁干扰，使得无人机的通信收到影响，因此，需要在实际应用过程中要求无人机的飞行高度与输电线路高度间隔出一定的安全距离，才可保障无人机的正常飞行。

由于现有机头定位方法一般由工作人员地面操控，实际作业过程中，无人机与作业人员的距离近时30m～50m，远时达到了100多米，如果利用人眼在地面观察无人机相对于输电线路的垂直方向时，存在视觉差(比如，无人机与线路距离很远，但是从地面观察无人机已经临近线路)，无人机飞行的机头朝向、以及无人机与输电线路的距离在地面无法准确判断。另外，同一输电线路，工作人员在不同时间作业时，其控制的无人机飞行时的机头方向、与输电线路的距离均不同。因此，完全靠工作人员的主观经验在地面控制机头方向、与输电线路的距离是比较困难的，这样，在后续无人机飞行验电过程中，无人机的机头方向、无人机飞行平面与输电线路的距离参数，均无法保证整个过程的参数一致性。

综上所述，现有技术中急需一种能够在无人机到达指定高度后，自动进行无人机机头朝向调整的方案，使得无需利用人眼“准确”观测无人机实际的机头方向、以及无人机飞行平面与输电线路之间的距离，就能够将无人机实际的机头方向调整为输电线路的垂线方向，从而顺利完成验电作业。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于无人机验电的机头定位方法，包括：样本采集步骤、将无人机机头朝向待测量线路并在到达指定高度后，将无人机以当前机头方向为中心，按照预设角度分别向左右两侧摆动，对不同摆动角度下的所述待测量线路进行测距，得到相应的距离和航向角，并将其作为样本数据，其中，所述指定高度与输电线路高度间隔有预设安全距离；过滤步骤、计算任意两个摆动角度下所述距离的差值，基于此，从所述样本数据中筛选出与所述待测量线路最相关的两个采样点；定位步骤、将由所述两个采样点和无人机构成的三角形在无人机飞行平面上进行投影，并根据所述两个采样点对应的航向角，确定投影三角形内无人机垂线方向的航向角，从而完成机头定位。

优选地，在所述过滤步骤中，包括：从所述样本数据中筛选出满足预设的测距仪扫描角度优化范围阈值的采样点，得到与所述待测量线路相关的所有采样点；根据任意两个采样点对应的距离的差值，确定构成最小所述差值的所述两个采样点。

优选地，在所述定位步骤中，包括：确定从所述无人机分别到所述两个采样点的方向所构成的夹角范围在无人机飞行平面上的投影，进一步确定所述无人机垂线方向与当前夹角范围投影的相对位置关系；根据所述相对位置关系，由当前夹角投影角度、所述两个采样点对应的投影点分别到所述无人机的距离，计算无人机垂线方向对应的航向角。

优选地，在根据所述相对位置关系，由当前夹角投影角度、所述两个采样点对应的投影点分别到所述无人机的距离，计算无人机垂线方向对应的航向角步骤中，包括：确定所述无人机垂线方向与第一边投影之间的第一偏角，或者确定所述无人机垂线方向与第二边投影之间的第二偏角，其中，所述第一边投影在所述投影三角形内第一投影点和所述无人机之间形成，所述第二边投影在所述投影三角形内第二投影点和所述无人机之间形成，进一步，当所述无人机垂线方向位于所述夹角范围投影内时，所述无人机垂线方向的航向角为所述第一投影点的航向角右转所述第一偏角、或者所述无人机垂线方向的航向角为所述第二投影点的航向角左转所述第二偏角；当所述无人机垂线方向位于所述夹角范围投影之外且偏右侧时，所述无人机垂线方向的航向角为所述第一投影点的航向角右转所述第一偏角、或者所述无人机垂线方向的航向角为所述第二投影点的航向角右转所述第二偏角；当所述无人机垂线方向位于所述夹角范围投影之外且偏左侧时，所述无人机垂线方向的航向角为所述第一投影点的航向角左转所述第一偏角、或者所述无人机垂线方向的航向角为所述第二投影点的航向角左转所述第二偏角。

优选地，在摆动测距过程中，包括：以当前机头方向为中心，按照预设的第一摆动范围分别向左、右转动，在所述第一摆动范围内每隔预设第一间隔角度处，测量相应采样点的所述距离和航向角；控制无人机恢复到所述当前机头方向，在预设的第二摆动范围内，从第二摆动范围最左侧开始，依次按照预设的第二间隔角度和第三间隔角度反向旋转，再从第二摆动范围最右侧开始，依次按照预设的第二间隔角度和第三间隔角度反向旋转，并测量相应采样点的所述距离和航向角，其中，所述第二摆动范围以所述当前机头方向为中线对称。

另一方面，本发明还提供了一种用于无人机验电的机头定位系统，包括：样本采集模块、其将无人机机头朝向待测量线路并在到达指定高度后，将无人机以当前机头方向为中心，按照预设角度分别向左右两侧摆动，对不同摆动角度下的所述待测量线路进行测距，得到相应的距离和航向角，并将其作为样本数据，其中，所述指定高度与输电线路高度间隔有预设安全距离；过滤模块、其计算任意两个摆动角度下所述距离的差值，基于此，从所述样本数据中筛选出与所述待测量线路最相关的两个采样点；定位模块、其将由所述两个采样点和无人机构成的三角形在无人机飞行平面上进行投影，并根据所述两个采样点对应的航向角，确定投影三角形内无人机垂线方向的航向角，从而完成机头定位。

优选地，所述过滤模块，包括：数据优化单元，其从所述样本数据中筛选出满足预设的测距仪扫描角度优化范围阈值的采样点，得到与所述待测量线路相关的所有采样点；有效点生成单元，其根据任意两个采样点对应的距离的差值，确定构成最小所述差值的所述两个采样点。

优选地，所述定位模块，包括：相对位置关系确定单元，其确定从所述无人机分别到所述两个采样点的方向所构成的夹角范围在无人机飞行平面上的投影，进一步确定所述无人机垂线方向与当前夹角范围投影的相对位置关系；垂线航向角生成单元，其根据所述相对位置关系，由当前夹角投影角度、所述两个采样点对应的投影点分别到所述无人机的距离，计算无人机垂线方向对应的航向角。

优选地，所述垂线航向角生成单元，其进一步确定所述无人机垂线方向与第一边投影之间的第一偏角，或者确定所述无人机垂线方向与第二边投影之间的第二偏角，所述第一边投影在所述投影三角形内第一投影点和所述无人机之间形成，所述第二边投影在所述投影三角形内第二投影点和所述无人机之间形成，其中，当所述无人机垂线方向位于所述夹角范围投影内时，所述无人机垂线方向的航向角为所述第一投影点的航向角右转所述第一偏角、或者所述无人机垂线方向的航向角为所述第二投影点的航向角左转所述第二偏角；当所述无人机垂线方向位于所述夹角范围投影之外且偏右侧时，所述无人机垂线方向的航向角为所述第一投影点的航向角右转所述第一偏角、或者所述无人机垂线方向的航向角为所述第二投影点的航向角右转所述第二偏角；当所述无人机垂线方向位于所述夹角范围投影之外且偏左侧时，所述无人机垂线方向的航向角为所述第一投影点的航向角左转所述第一偏角、或者所述无人机垂线方向的航向角为所述第二投影点的航向角左转所述第二偏角。

优选地，所述样本采集模块，包括：初次采集单元，其以当前机头方向为中心，按照预设的第一摆动范围分别向左、右转动，在所述第一摆动范围内每隔预设第一间隔角度处，测量相应采样点的所述距离和航向角；二次采集单元，其控制无人机恢复到所述当前机头方向，在预设的第二摆动范围内，从第二摆动范围最左侧开始，依次按照预设的第二间隔角度和第三间隔角度反向旋转，再从第二摆动范围最右侧开始，依次按照预设的第二间隔角度和第三间隔角度反向旋转，并测量相应采样点的所述距离和航向角，其中，所述第二摆动范围以所述当前机头方向为中线对称。

与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：

本发明提出了一种用于无人机验电的机头定位方法及系统。该方法及系统首先以实际机头方向为中心，在飞行平面内左右固定角度摆动获取无人机与待测量线路的距离，以此作为机头方向判断数据样本；而后根据不同电压等级作业最小安全距离，限制激光测距仪角度，并结合任意两点距离差值最小，对样本数据进行过滤，获取可用于机头定位计算的两个点；最后通过判断机头方向在两点左边、或中间、或右边，分别采用锐角三角形或钝角三角形原理计算机头方向。本发明采用的机头方向定位方法，全程无需人工干预，自动测试，自动运算，自动定位。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本申请实施例的用于无人机验电的机头定位方法的应用环境示意图。

图2是本申请实施例的用于无人机验电的机头定位方法的步骤图。

图3是本申请实施例的用于无人机验电的机头定位方法的具体流程图。

图4是本申请实施例的用于无人机验电的机头定位方法中定位步骤的第一个示例的原理示意图。

图5是本申请实施例的用于无人机验电的机头定位方法中定位步骤的第二个示例的原理示意图。

图6是本申请实施例的用于无人机验电的机头定位方法中定位步骤的第三个示例的原理示意图。

图7是本申请实施例的用于无人机验电的机头定位系统的结构框图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

随着物联网、大数据、云计算、人工智能等新技术的快速发展，无人机已广泛应用到石油、铁路、植保、物流服务等各个行业领域。在电力行业，为满足建设和发展坚强智能电网需求，转变输变电运检模式，一种采用“直升机、无人机和人工协同巡检”的新型运检模式发展起来。其中，无人机巡检由于方式灵活、成本低，不仅能够发现杆塔异物、绝缘子破损、防震锤滑移、线夹偏移等缺陷，还能够发现金具锈蚀、开口销与螺栓螺帽缺失、查找闪络故障点等人工巡检难以发现的缺陷，可与直升机和人工巡检方式协同配合，成为线路运检技术发展的重点方向之一。另外，依托无人机平台开展导线除异物、工具传递、复合绝缘子憎水性检测等辅助检修作业逐渐增多，有效减轻了作业人员劳动强度，提高了检修效率，确保了检修作业安全。现有验电器在平原地区使用不受限制，但线路跨越河流、山谷等区域作业人员无法抵达或杆塔，另外，在线路高度提升时非接触式验电器无法正常使用。

在无人机携带验电设备垂向飞行穿过输电线路时，为了防止无人机在临近输电线路飞行的情况下，容易受到电磁干扰，使得无人机的通信收到影响，因此，需要在实际应用过程中要求无人机的飞行高度与输电线路高度间隔出一定的安全距离，才可保障无人机的正常飞行。

由于现有机头定位方法一般由工作人员地面操控，实际作业过程中，无人机与作业人员的距离近时30m～50m，远时达到了100多米，如果利用人眼在地面观察无人机相对于输电线路的垂直方向时，存在视觉差(比如，无人机与线路距离很远，但是从地面观察无人机已经临近线路)，无人机飞行的机头朝向、以及无人机与输电线路的距离在地面无法准确判断。另外，同一输电线路，工作人员在不同时间作业时，其控制的无人机飞行时的机头方向、与输电线路的距离均不同。因此，完全靠工作人员的主观经验在地面控制机头方向、与输电线路的距离是比较困难的，这样，在后续无人机飞行验电过程中，无人机的机头方向、无人机飞行平面(其中，无人机飞行平面与地面平行)与输电线路的距离参数，均无法保证整个过程的参数一致性。

因此，为了解决上述技术问题，本发明提出了一种用于无人机验电场合下的无人机机头定位方法及系统。该方法及系统实施在无人机对当前输电线路验电点进行横向穿行验电操作之前，先以当前实际机头方向为中心，按照预设的不同角度左右摆动，并在每个摆动角度下测量(按照第一扫描角度范围)无人机与线路的距离(每个距离值对应有测距仪在测量出这个距离值时所对应的扫描角度)和相应的航向角，以此作为机头定位方向判断的数据样本；而后，根据不同输电线路电压等级所对应的无人机飞行高度与输电线路高度之间的最小安全距离，限制测距仪扫描角度，将与当前无人机验电线路最相关(这两个点在输电线路上、且距离无人机最近)的两个采样点；最后，将由这两个采样点和无人机构成的三角形在无人机飞行平面上进行投影，确定出投影三角形内无人机垂线方向的(目标)航向角，使得无人机按照当前目标航向角转动，实现无人机在实施横向穿行验电操作之前的机头自动定位功能。这样，本发明能够在无人机到达指定高度后，自动进行无人机机头朝向调整，使得无需利用人眼“准确”观测无人机实际的机头方向、以及无人机飞行平面与输电线路之间的距离，就能够将无人机实际的机头方向调整为输电线路的垂线方向，从而顺利完成验电作业。

在对本发明所述的机头定位方法进行说明之前，首先，针对本发明的应用环境进行说明。图1是本申请实施例的用于无人机验电的机头定位方法的应用环境示意图。在无人机验电过程中，为了保障无人机通信顺畅、并且能够有效测量到被测量输电线路相关情况，参考图1，一方面，需要控制无人机飞行高度与输电线路高度之间具有一定的安全距离，即无人机安全飞行范围h，还需要将无人机的机头方向垂直朝向(机位背向)于输送线路，并顺着该方向从输电线路飞入侧到飞出侧飞行，以横穿当前输送线路对应的验电点，才能够准确测量出当前输电线路是否带电。如图1所示，导线代表当前输送线路验电点处的输送线路横截面，无人机尖角为机头，无人机飞行平面可以位于距离输送线路高度之上的安全距离范围内，也可以位于距离输送线路高度之下的安全距离范围内，此时，图1中的无人机飞行方向为朝向左侧。在原有的实际应用过程中，需要地面工作人员通过人眼观测无人机的方式，不仅要把无人机的高度控制在指定的安全距离高度下，还需要把无人的机头方向控制在垂直于当前线路投影线(线路投影线为当前导线在飞行平面上的投影)的方向上。但由于地面工作人员与无人机的距离较远，用人眼目测这两个参数比较困难，因而，利用本发明所述的方法，只需要地面工作人员控制无人机达到安全距离范围内，且无人机机头大致冲向输电线路即可，便能够直接通过该方法自动完成无人机机头定位并进行角度调整的过程。

图2是本申请实施例的用于无人机验电的机头定位方法的步骤图。如图2所示，本发明所述的机头定位方法通过下述步骤S210～步骤S230完成。首先，步骤S210将无人机机头朝向待测量线路并在到达指定高度后，将无人机以当前机头方向为中心，按照预设固定角度在飞行平面内分别向左右两侧摆动，对不同摆动角度下的待测量线路进行测距，得到每个摆动角度(采样点)对应的距离和航向角，并将所有摆动角度对应的距离和相应航向角作为样本数据。其中，指定高度与输电线路高度间隔有上述安全距离范围h。需要说明的是，本发明实施例中所述的当前机头方向为在地面工作人员控制无人机达到指定高度后，通过目测将无人机机头大致冲向输电线路时对应的实际方向，是实施本发明所述的机头定位方法之前的与输电线路有较大偏差的实际方向。另外，参考图1，由于在本发明实施例中，无人机的摆动过程是在线路飞入侧处，以其自身的指定高度平面进行摆动测距。需要说明的是，无人机到达的飞行高度进行摆动测距的过程，是在飞行高度与输电线路高度之间具有安全距离间隔的情况下进行的，每个摆动角度处得到的距离目标点方向都是具有一定仰角(飞行高度低于输电线路高度)或俯角(飞行高度高于输电线路高度)的斜线。

在实际的摆动测距过程中，本发明会控制无人机在旋转到相应的摆动角度后，利用测距设备，按照第一扫描角度范围进行自上而下的扫描，得到设备扫描面内各点的距离信息和相应的航向角信息，将距离信息最小的点作为当前摆动角度下，设备扫描面内的目标点，从而得到该目标点的航向角信息、以及扫描到该目标点时对应的测距仪扫描角度。优选地，在本发明实施例中，测距设备可采用激光扫描测距仪或激光雷达在不同摆动角度对应的设备视野(扫描面)进行上下扫描，从而确定相应摆动角度下的目标位置(目标点)。其中，上下扫描的角度范围，也就是第一扫描角度范围，优选为-50°～+50°。

而后，进入到步骤S220中。在此还需要说明的是，由于待测量输电线路的类型不同，可能是三线制、四线制、六线制等，因此，本发明实施例中的定位方法中的待测量线路是指当前输送线路中距离无人机最近的线制。又由于在步骤S210中已经对所有摆动角度下的目标点距离值、航向角和测距仪扫描角度进行了确定，但在整个摆动测距过程中，各个摆动角度下的目标点除了待测量线路外，还可能会出现树木、输电线路内其他线制等因素的干扰，因此，在步骤S220中需要对上述步骤S210确定出的所有采样点进行过滤。

步骤S220计算任意两个摆动角度下对应的距离值的差值，基于此，从样本数据中筛选出与待测量线路最相关的两个采样点。具体地，需要先过滤上述干扰，并选取出与待测量线路相关的采样点；而后，根据任意两个摆动角度(将经过滤处理后的所有采样点中的任意两个采样点)下对应的距离值的差值，从所有经过过滤处理后的采样点中，筛选出最可能位于同一条距离无人机最近的线制内的两个采样点，即最相关的两个采样点，从而进入到步骤S230中。这样，用这两个采样点来模拟摆动测距过程中绘制出的待测量线路，从而进一步进行无人机机头定位。

步骤S230将由步骤S220筛选出的与待测量线路最相关的两个采样点和无人机构成的三角形(平面)在无人机飞行平面上进行投影，并根据这两个采样点对应的航向角，确定投影三角形内无人机垂线方向的航向角。此时，无人机根据当前得到的无人机垂线方向的航向角进行自动调整，使得当前无人机的机头方向准确的与输电线路方向处于空间垂直关系，从而对当前机头方向进行修正，以完成机头定位，继而使得无人机在无需人眼观测准确的飞行高度和基于当前飞行高度下的无人机准确的机头方向，便顺利实现机头的自动调整。

图3是本申请实施例的用于无人机验电的机头定位方法的具体流程图。下面结合图2和图3，对本发明所述的机头定位方法进行详细说明。

步骤S301控制无人机升至距离输电线路高度达到预设的安全高度范围的飞行高度，并控制无人机机头方向大致朝向输电线路(飞入侧)，从而进入到步骤S302中。具体地，控制无人机的飞行高度高于输电线路高度，且间隔距离处于安全高度范围之内；或者控制无人机的飞行高度低于输电线路高度，且间隔距离处于安全高度范围之内。在本发明实施例中，安全高度范围是与输电线路的电压等级有关系的，在确定好当前输电线路的电压等级后，需要依次计算理论上的无人机最小安全距离、实际验电作业操作时的最小安全距离(大于理论上的无人机最小安全距离)、建议无人机飞行的最小安全距离(大于实际验电作业操作时的最小安全距离)，进一步确定无人机安全高度范围(大于无人机飞行的最小安全距离)，参考下述表1。

具体地，理论上的无人机最小安全距离为通过理论计算得出的无人机与输电线路允许保持的最小距离。其中，理论上无人机最小安全距离参考了输电线路电压等级、线路布置方式、无人机电子元器件受电磁场影响阈值等因素，通过理论计算为试验研究提供距离参考和范围。实际作业安全距离为根据理论无人机最小安全距离计算得出的安全距离考虑一定预度，并结合试验研究获取无人机时间作业安全距离。实际作业最小安全距离比理论计算大，是因为验电作业时无人机本身的影响导致电磁场畸变，使得实际值相比于理论计算要大，故通过试验研究确定的实际作业最小安全距离比较理论计算的大。由于实际作业最小安全距离为试验研究获取，试验环境相对简单，考虑作业现场环境复杂，因此，建议无人机飞行最小安全距离比实际作业最小安全距离大。另外，为了防止在机头定位方法中进行激光测距时，利用测距设备扫到与输电线路附近无关的因素(例如：地面)，需要使得无人机安全高度范围比上述建议无人机飞行的最小安全距离范围大。若无人机安全高度比建议无人机飞行最小安全距离小，样本数据采集、测距时，测距设备可能扫描到地面，此时，有可能使得样本点的测距仪扫描角度刚好在下述测距仪扫描角度优化范围阈值之内，例：-25-+25，从而被识别为有效的样本点数据(过滤处理最终结果中的一个样本点)。因此，为了避免这一情况的发生，需要将无人机安全高度范围设定为大于建议无人机飞行的最小安全距离范围。

步骤S302以当前机头方向为中心，按照预设的第一摆动范围，在飞行平面内分别向左、右转动(本发明所述的左、右指的是在飞行平面内，且以当前机头方向为中心下的左右方向)，在第一摆动范围内每隔预设第一间隔角度，测量相应采样点的距离和航向角。具体地，控制无人机在飞行平面内，以当前机头方向为中心，向左旋转，每旋转第一间隔角度便停下一次，针对当前摆动角度进行测距，利用测距设备以上述第一扫描角度范围进行扫描，确定测量当前采样点对应的(无人机与扫描面内目标点的)距离值、航向角和目标点对应的测距仪扫描角度，直到对左侧所有摆动角度完成采样；而后，控制无人机恢复到当前机头方向；接着，按照同样的方式，控制无人机在飞行平面内，以当前机头方向为中心，向右旋转，每旋转第一间隔角度便停下一次，针对当前摆动角度进行测距，利用测距设备以上述第一扫描角度范围进行扫描，确定测量当前采样点对应的(无人机与扫描面内目标点的)距离值、航向角和目标点对应的测距仪扫描角度，直到对右侧所有摆动角度完成采样。

在一个实施例中，第一摆动范围优选为15°，第一间隔角度优选为5°。具体地，先向当前无人机机头方向，向左转动15°测距，而后向右转动10°测距，进一步向右转动5°，从而回到当前机头方向，并完成当前机头方向左侧所有不同摆动角度的数据样本的采集过程；然后，在无人机恢复到当前机头方向后，再次以当前机头方向为中心，先从飞机当前机头方向向右转15°测距，而后向左转动10°测距，进一步向左转动5°测距，从而回到当前机头方向，并完成当前机头方向右侧所有不同摆动角度的数据样本的采集过程。

这样，在完成初次样本采集后，进入到步骤S303中进行二次样本采集过程。步骤S303控制无人机恢复到当前机头方向后，在预设的第二摆动范围内，从第二摆动范围最左侧开始(进行第一次测距)，依次按照预设的第二间隔角度和第三间隔角度向当前第二摆动范围另一侧旋转(反向)旋转(分别进行第二、三次)，再从第二摆动范围最右侧开始(进行第一次测距)，依次按照预设的第二间隔角度和第三间隔角度向当前第二摆动范围另一侧旋转(反向)旋转(分别进行第二、三次)，并测量相应采样点的距离和航向角。其中，第二摆动范围以当前机头方向为中线而对称，第二摆动范围至少为第一摆动范围的两倍，在二次样本采集过程中，无论从第二摆动范围左侧还是后侧开始，第二次测距时所处的摆动角度和第三次测距时所处的摆动角度分布于当前机头方向的两侧。

具体地，控制无人机在飞行平面内，以当前机头方向为中心，先向左旋转至第二摆动范围最左侧进行第一次测距，而后，基于第二摆动范围最左侧的摆动角度，按照第二间隔角度反向旋转(向右，也就是向当前第二摆动范围另一侧旋转)进行第二次测距，进一步，基于第二次测距对应的摆动角度，按照第三间隔角度反向旋转(向右)进行第三次测距，每次测距操作需要利用测距设备以上述第一扫描角度范围进行扫描，确定测量当前采样点对应的(无人机与扫描面内目标点的)距离值、航向角和目标点对应的测距仪扫描角度；而后，控制无人机恢复到当前机头方向；接着，按照同样的方式，控制无人机在飞行平面内，以当前机头方向为中心，向右旋转至第二摆动范围最右侧进行第一次测距，而后，基于第二摆动范围最右侧的摆动角度，按照第二间隔角度反向旋转(向左，也就是向当前第二摆动范围另一侧旋转)进行第二次测距，进一步，基于第二次测距对应的摆动角度，按照第三间隔角度反向旋转(向左)进行第三次测距，每次测距操作需要利用测距设备以上述第一扫描角度范围进行扫描，确定测量当前采样点对应的(无人机与扫描面内目标点的)距离值、航向角和目标点对应的测距仪扫描角度。

在一个实施例中，第二摆动范围优选为60°，第二间隔角度优选为25°，第三间隔角度优选为20°。具体地，先向当前无人机机头方向，向左转动30°测距，而后向右转动25°测距，进一步向右转动20°，从而回到当前机头方向；然后，在无人机恢复到当前机头方向后，再次以当前机头方向为中心，先从飞机当前机头方向向右转30°测距，而后向左转动25°测距，进一步向左转动20°测距，从而回到当前机头方向，从而完成二次样本采集过程。

这样，利用上述步骤S302和步骤303完成了所有采样点的数据采集过程，从而进入到步骤S304中，以开始进行样本数据过滤处理。

步骤S304从通过步骤S302和步骤303得到的所有样本数据中筛选出满足预设的测距仪扫描角度优化范围阈值的采样点，得到与待测量线路相关的所有采样点的距离和航向角。在基于每个摆动角度处的测距过程中，测距设备会利用第一扫描角度范围进行自上而下扫描，从而选取出设备视野内距离无人机最近的目标点，由于第一扫描角度的范围较大，会使得扫描过程中可能选择到与待测量线路无关的目标点(例如：遮挡了当前角度下的待测量线路的树木、或者当前输电线路中的其他线制等干扰样本)，为了优化本发明的样本数据，需要将这些干扰样本过滤掉，故需要在步骤S304中利用测距仪扫描角度优化范围阈值，对所有采样点对应的测距仪扫描角度进行进一步限定，从而筛选出可能与待测量线路有关的所有采样点。

需要说明的是，由于上述第一扫描角度范围较大，使得设备目标视野中对应的扫描面的面积较大，致使在目标点确定时，会将在以某一测距仪扫描角度扫描到距离无人机最近的目标干扰点，为了优化本发明样本数据，需要先利用小于第一扫描角度的测距仪扫描角度优化范围阈值，从所有通过步骤S302和步骤303得到的样本数据中，筛选出每个采样点对应的测距仪扫描角度满足上述测距仪扫描角度优化范围阈值条件的所有采样点，从而将这些采样点作为与待测量线路相关的采样点。

进一步，本发明所述的测距仪扫描角度优化范围阈值，与无人机和待测量线路之间的距离有关，距离越远角度优化范围阈值约小，距离越近角度优化范围阈值约大。表1为无人机机头定位方法中各指标参数的一个具体示例。

表1

从表1中可以看出，本发明中的测距仪扫描角度优化范围阈值的确定，需要先根据输电线路的电压等级确定出无人机安全飞行高度范围h，从而进一步确定出测距仪扫描角度优化范围阈值，以达到过滤干扰采样点的目的。

而后，进入到步骤S305中，根据与待测量线路相关的所有采样点对应的距离值(测距结果的距离)，计算任意两个采样点对应的距离值的差值，将构成最小差值的两个采样点作为最终数据过滤处理的结果。这样，步骤S305利用各个经过数据优化处理的采样点对应的距离值进行两两求差处理，以选取出构成最小差值的两个采样点，确保了测距设备在旋转到不同摆动角度时，均扫描到了距离无人机最近的待测量线路上的点，从而进一步基于这两个同时位于待测量线路上的采样点，对无人机机头定位进行计算。

在确定出与待测量线路最相关的两个采样点后，进入到步骤S306中。步骤S306将由两个采样点和无人机构成的(倾斜向)三角形在无人机飞行平面上进行投影，得到相应的投影三角形，而后进入到步骤S307中。具体地，将无人机到第一采样点之间形成为倾斜向三角形内的第一边在无人机飞行平面上进行投影，得到第一边投影，第一采样点对应的投影点为第一投影点；将无人机到第二采样点之间形成为倾斜向三角形内的第二边，在无人机飞行平面上进行投影，得到第一边投影，第二采样点对应的投影点为第二投影点；第一边和第二边的夹角范围即为无人机分别到两个采样点的方向所构成的夹角范围，其投影后的角度保持不变以形成为当前夹角范围投影。由此可知，在本发明实施例中，无人机机头定位方向即为此处投影三角形内的无人机垂线方向，因此，只要求出这个方向的航向角，便可以对当前无人机的实际机头方向进行校正。

步骤S307确定无人机分别到两个采样点的方向所构成的夹角范围在飞行平面上的投影，进一步确定无人机垂线方向与当前夹角范围投影的相对位置关系，而后进入到步骤S308。在实际应用过程中，根据无人机当前机头方向与输电线路垂线方向(无人机垂线方向)的偏差，使得上述无人机垂线方向与此处的夹角范围投影可形成为以下三种相对位置关系：无人机垂线方向位于夹角范围投影内(参见图4，在这种情况下，表示无人机当前机头方向与输电线路垂线方向的偏差较小)、无人机垂线方向位于夹角范围投影之外且偏右侧(参见图5，在这种情况下，表示无人机当前机头方向与输电线路垂线方向的偏差较大，并且当前机头方向向右偏)、以及无人机垂线方向位于夹角范围投影之外且偏左侧(参见图6，在这种情况下，表示无人机当前机头方向与输电线路垂线方向的偏差较大，并且当前机头方向向左偏)。

步骤S308根据步骤S307确定出的相对位置关系，由当前夹角投影角度、两个采样点对应的投影点分别与无人机的距离，计算无人机垂线方向对应的航向角。具体地，首先，参考图4～图6，需要利用下述第一偏角计算式，计算出无人机垂线方向与投影三角形内的第一边投影之间的夹角(其中，第一边投影在投影三角形内第一投影点和无人机之间形成)，即第一偏角；或者参考图4～图6，利用第二偏角计算式，计算出确定出无人机垂线方向与投影三角形内的第二边投影之间的夹角(其中，第二边投影在投影三角形内第二投影点和无人机之间形成)，即第二偏角。其中，第一偏角计算式利用如下表达式表示：

其中，D₁＝d₁×cosα₁，D₂＝d₂×cosα₂，B表示第一偏角，A表示第一边与第二边的夹角，d₁表示第一边的长度(即无人机到第一采样点的距离)，d₂表示第二边的长度(即无人机到第二采样点的距离)，α₁表示第一边与无人机飞行平面的夹角(即第一采样点对应的测距仪扫描角度)，α₂表示第二边与无人机飞行平面的夹角(即第二采样点对应的测距仪扫描角度)，D₁表示第一边投影的长度(即无人机到第一投影点的距离)，D₂表示第二边投影的长度(即无人机到第二投影点的距离)。进一步，第二偏角计算式利用如下表达式表示：

其中，C表示第二偏角。然后，在第一偏角或第二偏角计算完成后，根据步骤S307确定出的当前相对位置关系，利用第一采样点的航向角和第一偏角，得到无人机垂线方向的航向角(具体地，先根据第一采样点的航向角，利用由第一边、第一边投影以及第一采样点到无人机飞行平面的方向所构成的第一采样点垂向三角形，计算出第一投影点的航向角；再根据第一投影点的航向角和上述第一偏角，得到无人机垂线方向的航向角)；或者利用第二采样点的航向角和第二偏角，也能得到无人机垂线方向的航向角(具体地，先根据第二采样点的航向角，利用由第二边、第二边投影以及第二采样点到无人机飞行平面的方向所构成的第二采样点垂向三角形，计算出第二投影点的航向角；再根据第二投影点的航向角和上述第二偏角，得到无人机垂线方向的航向角)。

图4是本申请实施例的用于无人机验电的机头定位方法中定位步骤的第一个示例的原理示意图。如图4所示，当无人机垂线方向位于夹角范围投影内时，投影三角形为锐角三角形。当前无人机垂线方向的航向角为第一投影点的航向角在飞行平面内水平右转第一偏角、或者无人机垂线方向航向角为第二投影点的航向角在飞行平面内水平左转第二偏角。

图5是本申请实施例的用于无人机验电的机头定位方法中定位步骤的第二个示例的原理示意图。如图5所示，当无人机垂线方向位于夹角范围投影之外且偏右侧时，投影三角形为钝角三角形。当前无人机垂线方向的航向角为第一投影点的航向角在飞行平面内水平右转第一偏角、或者当前无人机垂线方向航向角为第二投影点的航向角在飞行平面内水平右转第二偏角。

图6是本申请实施例的用于无人机验电的机头定位方法中定位步骤的第三个示例的原理示意图。如图5所示，当无人机垂线方向位于夹角范围投影之外且偏左侧时，投影三角形为钝角三角形。当前无人机垂线方向的航向角为第一投影点的航向角在飞行平面内水平左转第一偏角、或者无人机垂线方向航向角为第二投影点的航向角在飞行平面内水平左转第二偏角。

这样，通过上述方法计算出了当前无人机的机头定位方向，而后进入到步骤S309中，步骤S309无人机按照当前无人机垂向方向航向角，对机头方向进行自动调整。

另一方面，基于上述机头定位方法，本发明还提出了一种用于无人机验电的机头定位系统。图7是本申请实施例的用于无人机验电的机头定位系统的结构框图。如图7所示，本发明所述的机头定位系统包括：样本采集模块710、过滤模块720、和定位模块730。其中，样本采集模块710，其配置为将无人机机头朝向待测量线路并在到达指定高度后，将无人机以当前机头方向为中心，按照预设角度分别向左右两侧摆动，对不同摆动角度下的待测量线路进行测距，得到相应的距离和航向角，并将其作为样本数据，其中，指定高度与输电线路高度间隔有预设安全距离。过滤模块720，其配置为计算任意两个摆动角度下距离的差值，基于此，从样本数据中筛选出与待测量线路最相关的两个采样点。定位模块730，其配置为将由两个采样点和无人机构成的三角形在无人机飞行平面上进行投影，并根据两个采样点对应的航向角，确定投影三角形内无人机垂线方向的航向角，从而完成机头定位。

进一步，样本采集模块710包括：初次采集单元711和二次采集单元712。其中，初次采集单元711，其配置为以当前机头方向为中心，按照预设的第一摆动范围分别向左、右转动，在第一摆动范围内每隔预设第一间隔角度处，测量相应采样点的距离和航向角。二次采集单元712，其配置为控制无人机恢复到当前机头方向，在预设的第二摆动范围内，从第二摆动范围最左侧开始，依次按照预设的第二间隔角度和第三间隔角度反向旋转，再从第二摆动范围最右侧开始，依次按照预设的第二间隔角度和第三间隔角度反向旋转，并测量相应采样点的距离和航向角。其中，第二摆动范围以当前机头方向为中线对称。

进一步，过滤模块720包括：数据优化单元721和有效点生成单元722。其中，数据优化单元721，其配置为从样本数据中筛选出满足预设的测距仪扫描角度优化范围阈值的采样点，得到与待测量线路相关的所有采样点。有效点生成单元722，其配置为根据任意两个采样点对应的距离的差值，确定构成最小差值的两个采样点。

进一步，定位模块730包括：相对位置关系确定单元731和垂线航向角生成单元732。其中，相对位置关系确定单元731，其配置为确定从无人机分别到两个采样点的方向所构成的夹角范围在无人机飞行平面上的投影，进一步确定无人机垂线方向与当前夹角范围投影的相对位置关系。垂线航向角生成单元732，其配置为根据相对位置关系，由当前夹角投影角度、两个采样点对应的投影点分别到无人机的距离，计算无人机垂线方向对应的航向角。

更具体地说，垂线航向角生成单元732，其进一步配置为确定无人机垂线方向与第一边投影之间的第一偏角(其中，第一边投影在投影三角形内第一投影点和无人机之间形成)，或者确定无人机垂线方向与第二边投影之间的第二偏角(其中，第二边投影在投影三角形内第二投影点和无人机之间形成)，而后根据上述相对位置关系，利用第一投影点的航向角和第一偏角得到无人机垂线方向的航向角，或者利用第二投影点的航向角和第二偏角得到无人机垂线方向的航向角。

其中，当无人机垂线方向位于夹角范围投影内时，当前无人机垂线方向的航向角为第一投影点的航向角右转第一偏角、或者当前无人机垂线方向航向角为第二投影点的航向角左转第二偏角；当无人机垂线方向位于夹角范围投影之外且偏右侧时，当前无人机垂线方向的航向角为第一投影点的航向角右转第一偏角、或者当前无人机垂线方向航向角为第二投影点的航向角右转第二偏角；当无人机垂线方向位于夹角范围投影之外且偏左侧时，当前无人机垂线方向的航向角为第一投影点的航向角左转第一偏角、或者当前无人机垂线方向航向角为第二投影点的航向角左转第二偏角。

本发明公开了一种用于无人机验电的机头定位方法及系统。该方法及系统首先以实际机头方向为中心，在飞行平面内左右固定角度摆动获取无人机与待测量线路的距离，以此作为机头方向判断数据样本；而后根据不同电压等级作业最小安全距离，限制激光测距仪角度，并结合任意两点距离差值最小，对样本数据进行过滤，获取可用于机头定位计算的两个点；最后通过判断机头方向在两点左边、或中间、或右边，分别采用锐角三角形或钝角三角形原理计算机头方向。本发明采用的机头方向定位方法，全程无需人工干预，自动测试，自动运算，自动定位。

虽然本发明所披露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (8)

1.一种用于无人机验电的机头定位方法，包括：

样本采集步骤、将无人机机头朝向待测量线路并在到达指定高度后，将无人机以当前机头方向为中心，按照预设角度分别向左右两侧摆动，对不同摆动角度下的所述待测量线路进行测距，得到相应的距离和航向角，并将其作为样本数据，其中，所述指定高度与输电线路高度间隔有预设安全距离；

过滤步骤、计算任意两个摆动角度下所述距离的差值，基于此，从所述样本数据中筛选出与所述待测量线路最相关的两个采样点；

定位步骤、将由所述两个采样点和无人机构成的三角形在无人机飞行平面上进行投影，并根据所述两个采样点对应的航向角，确定投影三角形内无人机垂线方向的航向角，从而完成机头定位，其中，在所述过滤步骤中，包括：

从所述样本数据中筛选出满足预设的测距仪扫描角度优化范围阈值的采样点，得到与所述待测量线路相关的所有采样点；

根据任意两个采样点对应的距离的差值，确定构成最小所述差值的所述两个采样点。

2.根据权利要求1所述的机头定位方法，其特征在于，在所述定位步骤中，包括：

确定从所述无人机分别到所述两个采样点的方向所构成的夹角范围在无人机飞行平面上的投影，进一步确定所述无人机垂线方向与当前夹角范围投影的相对位置关系；

根据所述相对位置关系，由当前夹角投影角度、所述两个采样点对应的投影点分别到所述无人机的距离，计算无人机垂线方向对应的航向角。

3.根据权利要求2所述的机头定位方法，其特征在于，在根据所述相对位置关系，由当前夹角投影角度、所述两个采样点对应的投影点分别到所述无人机的距离，计算无人机垂线方向对应的航向角步骤中，包括：

确定所述无人机垂线方向与第一边投影之间的第一偏角，或者确定所述无人机垂线方向与第二边投影之间的第二偏角，其中，所述第一边投影在所述投影三角形内第一投影点和所述无人机之间形成，所述第二边投影在所述投影三角形内第二投影点和所述无人机之间形成，进一步，

当所述无人机垂线方向位于所述夹角范围投影内时，所述无人机垂线方向的航向角为所述第一投影点的航向角右转所述第一偏角、或者所述无人机垂线方向的航向角为所述第二投影点的航向角左转所述第二偏角；

当所述无人机垂线方向位于所述夹角范围投影之外且偏右侧时，所述无人机垂线方向的航向角为所述第一投影点的航向角右转所述第一偏角、或者所述无人机垂线方向的航向角为所述第二投影点的航向角右转所述第二偏角；

当所述无人机垂线方向位于所述夹角范围投影之外且偏左侧时，所述无人机垂线方向的航向角为所述第一投影点的航向角左转所述第一偏角、或者所述无人机垂线方向的航向角为所述第二投影点的航向角左转所述第二偏角。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的机头定位方法，其特征在于，在摆动测距过程中，包括：

以当前机头方向为中心，按照预设的第一摆动范围分别向左、右转动，在所述第一摆动范围内每隔预设第一间隔角度处，测量相应采样点的所述距离和航向角；

控制无人机恢复到所述当前机头方向，在预设的第二摆动范围内，从第二摆动范围最左侧开始，依次按照预设的第二间隔角度和第三间隔角度反向旋转，再从第二摆动范围最右侧开始，依次按照预设的第二间隔角度和第三间隔角度反向旋转，并测量相应采样点的所述距离和航向角，其中，所述第二摆动范围以所述当前机头方向为中线对称。

5.一种用于无人机验电的机头定位系统，包括：

样本采集模块、其将无人机机头朝向待测量线路并在到达指定高度后，将无人机以当前机头方向为中心，按照预设角度分别向左右两侧摆动，对不同摆动角度下的所述待测量线路进行测距，得到相应的距离和航向角，并将其作为样本数据，其中，所述指定高度与输电线路高度间隔有预设安全距离；

过滤模块、其计算任意两个摆动角度下所述距离的差值，基于此，从所述样本数据中筛选出与所述待测量线路最相关的两个采样点；

定位模块、其将由所述两个采样点和无人机构成的三角形在无人机飞行平面上进行投影，并根据所述两个采样点对应的航向角，确定投影三角形内无人机垂线方向的航向角，从而完成机头定位，其中，所述过滤模块，包括：

数据优化单元，其从所述样本数据中筛选出满足预设的测距仪扫描角度优化范围阈值的采样点，得到与所述待测量线路相关的所有采样点；

有效点生成单元，其根据任意两个采样点对应的距离的差值，确定构成最小所述差值的所述两个采样点。

6.根据权利要求5所述的机头定位系统，其特征在于，所述定位模块，包括：

相对位置关系确定单元，其确定从所述无人机分别到所述两个采样点的方向所构成的夹角范围在无人机飞行平面上的投影，进一步确定所述无人机垂线方向与当前夹角范围投影的相对位置关系；

垂线航向角生成单元，其根据所述相对位置关系，由当前夹角投影角度、所述两个采样点对应的投影点分别到所述无人机的距离，计算无人机垂线方向对应的航向角。

7.根据权利要求6所述的机头定位系统，其特征在于，

所述垂线航向角生成单元，其进一步确定所述无人机垂线方向与第一边投影之间的第一偏角，或者确定所述无人机垂线方向与第二边投影之间的第二偏角，所述第一边投影在所述投影三角形内第一投影点和所述无人机之间形成，所述第二边投影在所述投影三角形内第二投影点和所述无人机之间形成，其中，

当所述无人机垂线方向位于所述夹角范围投影内时，所述无人机垂线方向的航向角为所述第一投影点的航向角右转所述第一偏角、或者所述无人机垂线方向的航向角为所述第二投影点的航向角左转所述第二偏角；

当所述无人机垂线方向位于所述夹角范围投影之外且偏右侧时，所述无人机垂线方向的航向角为所述第一投影点的航向角右转所述第一偏角、或者所述无人机垂线方向的航向角为所述第二投影点的航向角右转所述第二偏角；

当所述无人机垂线方向位于所述夹角范围投影之外且偏左侧时，所述无人机垂线方向的航向角为所述第一投影点的航向角左转所述第一偏角、或者所述无人机垂线方向的航向角为所述第二投影点的航向角左转所述第二偏角。

8.根据权利要求5～7中任一项所述的机头定位系统，其特征在于，所述样本采集模块，包括：

初次采集单元，其以当前机头方向为中心，按照预设的第一摆动范围分别向左、右转动，在所述第一摆动范围内每隔预设第一间隔角度处，测量相应采样点的所述距离和航向角；

二次采集单元，其控制无人机恢复到所述当前机头方向，在预设的第二摆动范围内，从第二摆动范围最左侧开始，依次按照预设的第二间隔角度和第三间隔角度反向旋转，再从第二摆动范围最右侧开始，依次按照预设的第二间隔角度和第三间隔角度反向旋转，并测量相应采样点的所述距离和航向角，其中，所述第二摆动范围以所述当前机头方向为中线对称。

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