CN113031640B - 一种杆塔的无人机巡检实现方法、装置、终端设备及介质 - Google Patents

一种杆塔的无人机巡检实现方法、装置、终端设备及介质 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种杆塔的无人机巡检实现方法、装置、终端设备及介质。所述方法包括：获取待巡检杆塔任务，其中，所述待巡检杆塔任务中包括功能语义坐标系表达的巡检目标中的拍照参数值；其中，所述功能语义坐标系的至少一个坐标轴用于表征杆塔设定功能的变化方向；将所述巡检目标的拍照参数值，从所述功能语义坐标系转换至杆塔的位置坐标系中；根据坐标系转换后的拍照参数值，控制无人机对所述待巡检杆塔进行巡检。利用该方法，仅需根据以功能语义坐标系表达的巡检目标中的拍照参数即可控制无人机对待巡检杆塔进行巡检，无需预置巡检航线，降低了无人机巡检的成本。

Description

一种杆塔的无人机巡检实现方法、装置、终端设备及介质
技术领域
本发明实施例涉及电力技术领域，尤其涉及一种杆塔的无人机巡检实现方法、装置、终端设备及介质。
背景技术
输电线路是用变压器将发电机发出的电能升压后，再经断路器等控制设备接入输电线路来实现。按照结构形式，输电线路分为架空输电线路和电缆线路。架空输电线路由线路杆塔、导线、绝缘子、线路金具、拉线、杆塔基础、接地装置等构成，架设在地面之上。
为了满足人们的用电需求，输电线路布设地域广泛。目前在对输电线路进行巡检时，大多采用无人机自主巡检方式。在无人机自主巡检时，无人机基于预置的巡检航线，进行巡检。但是，在无人机自主巡检时，预置巡检航线需要耗费较多人力成本。
发明内容
本发明实施例提供了一种杆塔的无人机巡检实现方法、装置、终端设备及介质，降低了无人机巡检的成本。
第一方面，本发明实施例提供了一种杆塔的无人机巡检实现方法，包括：
获取待巡检杆塔任务，其中，所述待巡检杆塔任务中包括功能语义坐标系表达的巡检目标中的拍照参数值；其中，所述功能语义坐标系的至少一个坐标轴用于表征杆塔设定功能的变化方向；
将所述巡检目标的拍照参数值，从所述功能语义坐标系转换至杆塔的位置坐标系中；
根据坐标系转换后的拍照参数值，控制无人机对所述待巡检杆塔进行巡检。
进一步地，根据坐标系转换后的拍照参数值，控制无人机对所述待巡检杆塔进行巡检包括：
根据坐标系转换后的拍照参数值，以及所述待巡检杆塔的相对轮廓空间参数值，确定所述无人机对所述待巡检杆塔的相对巡检规划控制参数；
根据所述待巡检杆塔的绝对位置数据，将所述相对巡检规划控制参数转换为绝对巡检规划控制参数；
根据所述绝对巡检规划控制参数，控制无人机对所述待巡检杆塔进行巡检。
进一步地，根据坐标系转换后的拍照参数值，以及所述待巡检杆塔的相对轮廓空间参数值，确定所述无人机对所述待巡检杆塔的相对巡检规划控制参数，包括：
确定所述待巡检杆塔的相对轮廓空间参数值中对应拍照参数值的相对参数值；
将坐标系转换后的拍照参数值与所述相对参数值进行数学运算，确定所述无人机对所述待巡检杆塔的相对巡检规划控制参数。
进一步地，所述根据所述待巡检杆塔的绝对位置数据，将所述相对巡检规划控制参数转换为绝对巡检规划控制参数，包括：
根据所述待巡检杆塔塔脚中心点的绝对位置数据和所述待巡检杆塔的横担方向角，将所述相对巡检规划控制参数转换为绝对巡检规划控制参数；
其中，所述横担方向角表征所述位置坐标系中x轴和y轴的夹角。
进一步地，所述横担方向角根据所述待巡检杆塔和所述待巡检杆塔前后一级杆塔在同一位置处的绝对位置数据确定。
进一步地，所述横担方向角为180度与线路转角差值的一半，所述线路转角根据所述待巡检杆塔和所述待巡检杆塔前后一级杆塔在同一位置处的绝对位置数据确定。
进一步地，所述位置坐标系以所述待巡检杆塔塔脚中心点为坐标原点，以所述待巡检杆塔的电气回路方向为x轴方向，以横担方向为y轴方向，以垂直地面方向为z轴方向，所述x轴方向与y轴方向是否垂直基于电气方向确定，所述z轴垂直与x轴和y轴形成的平面。
第二方面，本发明实施例还提供了一种杆塔的无人机巡检实现装置，包括：
获取模块，用于获取待巡检杆塔任务，其中，所述待巡检杆塔任务中包括功能语义坐标系表达的巡检目标中的拍照参数值；其中，所述功能语义坐标系的至少一个坐标轴用于表征杆塔设定功能的变化方向；
转换模块，用于将所述巡检目标的拍照参数值，从所述功能语义坐标系转换至杆塔的位置坐标系中；
巡检模块，用于根据坐标系转换后的拍照参数值，控制无人机对所述待巡检杆塔进行巡检。
第三方面，本发明实施例还提供了一种终端设备，包括：
一个或多个处理器；
存储装置，用于存储一个或多个程序；
所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现本发明实施例提供的杆塔的无人机巡检实现方法。
第四方面，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现本发明实施例提供的杆塔的无人机巡检实现方法。
本发明实施例提供了一种杆塔的无人机巡检实现方法、装置、终端设备及介质，首先获取待巡检杆塔任务，其中，所述待巡检杆塔任务中包括功能语义坐标系表达的巡检目标中的拍照参数值；其中，所述功能语义坐标系的至少一个坐标轴用于表征杆塔设定功能的变化方向；其次将所述巡检目标的拍照参数值，从所述功能语义坐标系转换至杆塔的位置坐标系中；最后根据坐标系转换后的拍照参数值，控制无人机对所述待巡检杆塔进行巡检。利用上述技术方案，仅需根据以功能语义坐标系表达的巡检目标中的拍照参数即可控制无人机对待巡检杆塔进行巡检，无需预置巡检航线，降低了无人机巡检的成本。
附图说明
图1为本发明实施例一提供的一种杆塔的无人机巡检实现方法的流程示意图；
图2a为现有技术中WGS－84坐标系的示意图；
图2b为现有技术中地球中心坐标系的示意图；
图2c为现有技术中大地坐标系的示意图；
图2d为现有技术中机体坐标系的示意图；
图2e为本发明实施例提供的一种塔型结构示意图；
图2f为本发明实施例提供的一种交流线路双回耐张塔无人机巡检拍摄点位规划示意图；
图2g为本发明实施例提供的一种横担方向角示意图；
图3为本发明实施例二提供的一种杆塔的无人机巡检实现装置的结构示意图；
图4为本发明实施例三提供的一种终端设备的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
在更加详细地讨论示例性实施例之前应当提到的是，一些示例性实施例被描述成作为流程图描绘的处理或方法。虽然流程图将各项操作(或步骤)描述成顺序的处理，但是其中的许多操作可以被并行地、并发地或者同时实施。此外，各项操作的顺序可以被重新安排。当其操作完成时所述处理可以被终止，但是还可以具有未包括在附图中的附加步骤。所述处理可以对应于方法、函数、规程、子例程、子程序等等。此外，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本发明使用的术语“包括”及其变形是开放性包括，即“包括但不限于”。术语“基于”是“至少部分地基于”。术语“一个实施例”表示“至少一个实施例”。
需要注意，本发明中提及的“第一”、“第二”等概念仅用于对相应内容进行区分，并非用于限定顺序或者相互依存关系。
需要注意，本发明中提及的“一个”、“多个”的修饰是示意性而非限制性的，本领域技术人员应当理解，除非在上下文另有明确指出，否则应该理解为“一个或多个”。
实施例一
图1为本发明实施例一提供的一种杆塔的无人机巡检实现方法的流程示意图，该方法可适用于对杆塔进行无人机巡检的情况，该方法可以由杆塔的无人机巡检实现装置来执行，其中该装置可由软件和/或硬件实现，并一般集成在终端设备上，在本实施例中终端设备包括但不限于：电脑或无人机等设备。
我国国土面积辽阔，地形复杂，山地，高源等地势占我国国土总面积的67％，为满足人们的用电需求，高压输电线路架设在这种复杂的地理环境中，电力杆塔、金具、绝缘子、导地线等直接暴露在恶劣的自然环境之中，会产生磨损、锈蚀、老化等损伤，一旦发生导线断线，绝缘子污闪等情况，会导致大面积停电事故，因此需要对高压输电线路定期巡检，但复杂的地形条件给输电线路的人工巡检带来了很大的困难，且工作效率很低，有些杆塔比较高，仅凭人员在塔下望远镜观察，很难发现缺陷，需要人员登塔检查。感应电、高空作业等潜在危险无不威胁着巡检人员的安全。
随着科技发展，无人机以其成本低、体积重量小、可以远距离操控等优点技术逐步被应用到输电线路的巡检中。在目前实际无人机巡检中，仍以手动控制为主，手动控制无人机有许多缺点：比如地理位置复杂的地方，难以携带设备靠近杆塔，且人的视线范围有限，超视距飞行对操控人员技术水平要求高，很容易碰到拉线、周围树木等导致炸机，且手动控制无人机航迹是杂乱无章的，而电池电量有限，不必要的飞行会进一步降低续航能力；手动控制时，需要操作人员精力高度集中，当工作量较大时，身体容易产生疲惫，影响巡检效率和安全。由于手动控制无人机巡检有很多不足，人们开始研究无人机自主巡检，自主巡检可以规划更加合理的巡检航线，高效利用电池续航能力，节约人力成本，降低巡检人员安全风险。
在设计整个系统时，无论是确定电力杆塔各个位置点的坐标，还是无人机巡检飞行时的运动以及位姿状态都需要使用对应的坐标系作为参考，通过建立一套系统坐标系定量的去描述这些位置坐标以及运动状态，才能确保无人机在自主巡检作业中保持稳定、高效。本发明提出了一种输电线路周边空间相对位置的定义方法，建立人类自然语言描述的坐标与三维空间绝对坐标之间的可转换关系，使自然语言表达的输电线路空间相对位置信息，可以被计算机直接理解，并可自动转换成飞行巡检需要的三维空间轨道控制坐标和工作目标坐标。
具体的，如图1所示，本发明实施例一提供的一种杆塔的无人机巡检实现方法，包括如下步骤：
S110、获取待巡检杆塔任务，其中，所述待巡检杆塔任务中包括功能语义坐标系表达的巡检目标中的拍照参数值；其中，所述功能语义坐标系的至少一个坐标轴用于表征杆塔设定功能的变化方向。
在本实施例中，待巡检杆塔任务可以理解为待巡检杆塔的任务。待巡检杆塔任务可以认为是对待巡检杆塔进行巡检时所需完成的任务。待巡检杆塔任务可以通过参数输入界面输入。功能语义坐标系可以理解为基于杆塔设定功能的变化方向描述的坐标系。其中，设定功能不作限定，可以为杆塔所包括的所有功能。杆塔设定功能的变化方向可以按照输电专业人员对杆塔周围空间目标位置的日常表达习惯，参考人体相对定向原则确定。
示例性的，本实施例可以为输电线路杆塔定义一个物理前、后方向，以塔上某一回线路的电气回路前、后作为杆塔的前、后方向；参考人体左右方向确定杆塔的左右，左右方向沿横担布置方向；以人类自然上、下定义杆塔的上、下方向，从而形成功能语义坐标系。
巡检目标可以为待巡检杆塔上或待巡检杆塔预设距离内的需要巡检的目标。巡检目标可以包括下述至少一项：巡检规划类别、巡检任务类别、巡检规划规则和拍照要求参数。巡检任务类别包括通道巡检、精细化巡检和追弧巡检。巡检规划规则包括下述至少一项：安全飞行轴线确定规则、安全飞行立面确定规则、安全飞行高度确定规则、轨道转移点确定规则、定位精度和应急反应规则。巡检规划类别可以认为是巡检规划规则所属类别。拍照要求参数可以认为是拍摄参数值。拍摄参数值可以理解为用于控制无人机巡检拍摄的参数。在通过拍摄参数值控制无人机巡检时，可以对拍摄参数值进行处理，以得到无人机能够识别的参数，以控制无人机巡检。在一个示例中，拍摄参数值可以为对待巡检杆塔进行巡检时表征无人机拍摄点位的参数。示例性的，拍摄参数值可以为杆塔最上层左侧横担挂点，向下2米，向前3米。拍摄参数值可以通过功能语义坐标系表达，以符合输电专业人员对杆塔周围空间目标位置的日常表达习惯。
本实施例在对待巡检杆塔进行巡检时，仅需获取拍照参数值即可完成巡检，无需预置巡检航线，降低了无人机巡检的成本。
拍照参数值可以预存在无人机上，也可以预存在上位机上。本实施例在获取到指示对待巡检杆塔进行巡检的指示信息后，可以获取待巡检杆塔任务。指示信息的具体内容不作限定，示例性的，指示信息可以为用于标识待巡检杆塔的标识信息；又可以为用于标识待巡检杆塔前后一级塔的标识信息。如指示信息为50，50可以为第50号杆塔的标识信息，待巡检杆塔可以为50号杆塔。又如，指示信息可以为49和51，49可以为第49号杆塔的标识信息，51可以为第51号杆塔的标识信息，待巡检杆塔可以为50号杆塔，其中，49号杆塔为50号杆塔前一级的杆塔，51号杆塔为50号杆塔后一级的杆塔。
S120、将所述巡检目标的拍照参数值，从所述功能语义坐标系转换至杆塔的位置坐标系中。
获取拍照参数后，本步骤可以将拍照参数转换至杆塔的位置坐标系中，以便于控制无人机进行巡检。其中，位置坐标系可以理解为以杆塔所在位置建立的坐标系。位置坐标系可以以杆塔上任一点为坐标原点，以电气回路方向、横担方向和垂直地面方向建立坐标轴；还可以以杆塔上任一点为坐标原点，以电气回路方向、横担方向和杆体方向建立坐标轴，此处不作限定。
位置坐标系和功能语义坐标系可以存在对应关系。如功能语义坐标系中坐标轴可以对应于位置坐标系中的坐标轴，如功能语义坐标系中的左右对应位置坐标系中以横担方向确定的坐标轴，功能语义坐标系中的前后可以对应位置坐标系中以电气方向确定的坐标轴，功能语义坐标系中的上下方向可以对应位置坐标系中以垂直地面方向确定的坐标轴。
在将拍照参数值，从功能语义坐标系转换至位置坐标系时，可以进行坐标轴的转换。示例性的，拍照参数在功能语义坐标系下为杆塔最上层左侧横担挂点，向下2米，向前3米，转换至位置坐标系后可以为杆塔最上层左侧横担挂点，在z轴上移动-2米，向x轴移动3米。
S130、根据坐标系转换后的拍照参数值，控制无人机对所述待巡检杆塔进行巡检。
在得到坐标转换后的拍照参数值后，本步骤可以控制无人机进行巡检。具体的，可以基于转换后的拍照参数值，确定出无人机所需飞至的坐标点，从而控制无人机飞行至该坐标点，以实现对巡检目标的巡检。
本实施例中，巡检目标可以包括预置的待巡检杆塔上所需巡检的所有目标，也可以包括待巡检杆塔上部分需要巡检的目标。部分需要巡检的目标的指示不作限定，如可以通过上位机指示，如上位机指示对待巡杆塔的通道巡检，对待巡检杆塔的杆塔精细化巡检或对待巡检杆塔进行追弧巡检。通道巡检的目的是为了保证导线下方有足够的安全距离以免受外力破坏，对威胁线路安全的树木或施工等隐患及时发现并处理。杆塔精细化是精细巡视杆塔本体的任务，对杆塔金具、绝缘子等重要设备进行观测，其效率和安全性要远大于人工。追弧巡检是无人机沿着导线近距离观测的方法，用以检测导线是否有松股等安全隐患。
不同的巡检目标可以对应有不同的拍照参数值，拍照参数值可以基于安全飞行规则和所需巡检目标所处实际场景确定。安全飞行规则包括但不限于：安全飞行轴线、安全飞行立面、安全飞行高度、轨道转移点规划原则、定位精度、应急反应原则。基于所需巡检目标所处实际场景确定的拍照参数值在控制无人机巡检时，可以保证无人机所拍摄的图像包括杆塔上所需巡检的点位。
本发明实施例一提供的一种杆塔的无人机巡检实现方法，首先获取待巡检杆塔任务，其中，所述待巡检杆塔任务中包括功能语义坐标系表达的巡检目标中的拍照参数值；其中，所述功能语义坐标系的至少一个坐标轴用于表征杆塔设定功能的变化方向；其次将所述巡检目标的拍照参数值，从所述功能语义坐标系转换至杆塔的位置坐标系中；最后根据坐标系转换后的拍照参数值，控制无人机对所述待巡检杆塔进行巡检。利用上述技术方案，仅需根据以功能语义坐标系表达的巡检目标中的拍照参数即可控制无人机对待巡检杆塔进行巡检，无需预置巡检航线，降低了无人机巡检的成本。
在上述实施例的基础上，提出了上述实施例的变型实施例，在此需要说明的是，为了使描述简要，在变型实施例中仅描述与上述实施例的不同之处。
在一个实施例中，根据坐标系转换后的拍照参数值，控制无人机对所述待巡检杆塔进行巡检包括：
根据坐标系转换后的拍照参数值，以及所述待巡检杆塔的相对轮廓空间参数值，确定所述无人机对所述待巡检杆塔的相对巡检规划控制参数；
根据所述待巡检杆塔的绝对位置数据，将所述相对巡检规划控制参数转换为绝对巡检规划控制参数；
根据所述绝对巡检规划控制参数，控制无人机对所述待巡检杆塔进行巡检。
相对轮廓空间参数值可以理解为表征杆塔在空间中相对轮廓的参数值。如杆塔长宽高，横担长宽高，横担上绝缘子长宽高等。
转换后的拍照参数值中可以包括杆塔组成部件的描述，如转换后的拍照参数可以包括杆塔最上层左侧横担挂点。基于相对轮廓空间参数值，可以获取转换后的拍照参数中对应描述的相对参数值，如从相对轮廓空间参数值中获取杆塔最上层左侧横担的长宽高。相对参数值可以理解为转换后拍照参数中杆塔所包括部件在空间中的参数值，如在空间中相对于杆塔塔脚中心点的参数值。
将坐标系转换后的拍照参数值中对应相对轮廓空间参数值的描述转换为数值的形式后，可以得到相对巡检规划控制参数。相对巡检规划控制参数可以认为是在位置坐标系下的用于巡检规划的控制参数。
为了能够控制无人机巡检，可以将该相对巡检规划控制参数转换成绝对巡检规划控制参数。绝对巡检规划控制参数可以认为是在大地坐标系下的用于巡检规划的控制参数。
在进行绝对巡检规划控制参数转换时，可以基于待巡检杆塔的绝对位置数据和相对巡检规划控制参数，得到转换后的绝对巡检规划控制参数。
在得到绝对巡检规划控制参数后，本实施例可以基于绝对规划控制参数控制无人机对待巡检杆塔进行巡检，如将该绝对巡检规划控制参数转化至机体坐标系下，以控制无人机对待巡检杆塔巡检。
在一个实施例中，根据坐标系转换后的拍照参数值，以及所述待巡检杆塔的相对轮廓空间参数值，确定所述无人机对所述待巡检杆塔的相对巡检规划控制参数，包括：
确定所述待巡检杆塔的相对轮廓空间参数值中对应拍照参数值的相对参数值；
将坐标系转换后的拍照参数值与所述相对参数值进行数学运算，确定所述无人机对所述待巡检杆塔的相对巡检规划控制参数。
在确定相对巡检规划控制参数时，本实施例可以从待巡检杆塔的相对轮廓空间参数值中获取对应坐标系转换后的拍照参数值的相对参数值。
在得到相对参数值后，可以将坐标系转换后的拍照参数值中除对应相对轮廓空间参数值外的参数值与相对参数值进行数学运算以得到相对巡检规划控制参数。
示例性的，坐标系转换后的参数值为杆塔最上层左侧横担挂点，在z轴上移动-2米，向x轴移动3米。相对参数值可以为杆塔最上层左侧横担挂点的相对于待巡检杆塔的绝对位置数据的长宽高，则相对巡检规划控制参数可以为z轴和x轴对应数值的加减运算。如，将左侧横担挂点的高减去2m，宽加上3m，以得到相对巡检规划控制参数。
在一个实施例中，所述根据所述待巡检杆塔的绝对位置数据，将所述相对巡检规划控制参数转换为绝对巡检规划控制参数，包括：
根据所述待巡检杆塔塔脚中心点的绝对位置数据和所述待巡检杆塔的横担方向角，将所述相对巡检规划控制参数转换为绝对巡检规划控制参数；
其中，所述横担方向角表征所述位置坐标系中x轴和y轴的夹角。
本实施例中，绝对位置数据可以为待巡检杆塔塔脚中心点的绝对位置数据。塔脚中心点可以为塔脚连线的中点。绝对位置数据可以为大地坐标系下的位置数据。
在位置坐标系的x轴和y轴不垂直时，可以结合横担方向角确定绝对巡检规划控制参数。在位置坐标系的x轴和y轴垂直时，也可以结合横担方向确定绝对巡检规划控制参数，也可以不结合横担方向角确定绝对巡检规划控制参数。
此处不限定如何基于塔脚中间点的绝对位置数据和横担方向角确定绝对巡检规划控制参数。
在一个实施例中，所述横担方向角根据所述待巡检杆塔和所述待巡检杆塔前后一级杆塔在同一位置处的绝对位置数据确定。
横担方向角可以用于表征横担方向与电气方向间的夹角。在确定横担方向角时，本实施例可以基于待巡检杆塔、待巡检杆塔前一级杆塔和待巡检杆塔后一级杆塔的绝对位置数据确定横担方向角。如基于待巡检杆塔、待巡检杆塔前一级杆塔和待巡检杆塔后一级杆塔在同一位置处(如塔脚中心点)的绝对位置数据确定线路转角，然后基于线路转角确定横担方向角。
在一个实施例中，所述横担方向角为180度与线路转角差值的一半，所述线路转角根据所述待巡检杆塔和所述待巡检杆塔前后一级杆塔在同一位置处的绝对位置数据确定。
线路转角可以认为是待巡检杆塔与待巡检杆塔前一级杆塔的连线与待巡检杆塔与待巡检杆塔后一级杆塔的连线所形成的夹角。
在一个实施例中，所述位置坐标系以所述待巡检杆塔塔脚中心点为坐标原点，以所述待巡检杆塔的电气回路方向为x轴方向，以横担方向为y轴方向，以垂直地面方向为z轴方向，所述x轴方向与y轴方向是否垂直基于电气方向确定，所述z轴垂直与x轴和y轴形成的平面。
位置坐标系中x轴，y轴和z轴的正向不作限定。示例性的，位置坐标系中的x轴的正向可以为电气回路的前进方向，y轴的正向可以为杆塔右侧横担所在方向。
以下对本发明进行示例性的描述，本发明提供的杆塔的无人机巡检实现方法可以基于输电线路周边空间相对位置的定义和转换。众所周知，要确定一个物体的位置首先要知道它当前的坐标，而且对于任何一个运动，在没有坐标系参考的情况下是没有任何意义的，所以在设计整个无人机自主巡检系统前需要建立坐标系。在无人机运动当中，主要涉及WGS－84坐标系、地球中心坐标系、大地(NED)坐标系以及体坐标系。
图2a为现有技术中WGS－84坐标系的示意图，参见图2a，WGS－84坐标系(WorldGeodetic System)：是一种国际上采用的地心坐标系。坐标原点为地球质心，其地心空间直角坐标系的Z轴指向国际时间局(BIH)1984.0定义的协议地极(CTP)方向，X轴指向BIH1984.0的协议子午面和CTP赤道的交点，Y轴与Z轴、X轴垂直构成右手坐标系，称为1984年世界大地坐标系。WGS－84坐标系是一个国际协议地球参考系统(ITRS)，是目前国际上统一采用的大地坐标系，GPS广播星历是以WGS-84坐标系为根据的。
图2b为现有技术中地球中心坐标系的示意图，参见图2b，地球中心坐标系(Earth-Centered Earth-Fixed，ECEF)与地球固联，且随着地球转动。图中O即为坐标原点，位置在地球质心，X轴通过格林尼治线和赤道线的交点，正方向为原点指向交点方向，Z轴通过原点指向北极，Y轴与X、Z轴构成右手坐标系。图2b中，φ、λ表示纬度和经度，是WGS-84坐标系的参数，x、y、z为ECEF坐标系的描述。
图2c为现有技术中大地坐标系的示意图，大地坐标系(North-East-DownCoordinate System，NED)，从定义来分类，局部切线平面可分为基于垂直和水平尺寸定义的平面，其表现在纵坐标为上还是下。纵坐标为上时，称为ENU(东、北、天)坐标系，主要用于地理方面；纵坐标为下时，称为大地坐标系，并且各个坐标轴之间满足“右手法则”，如图2c所示，该坐标系主要描述无人机飞行时所处空间位置以及巡检目标所处空间位置，一般坐标系原点Ow设置为无人机起飞点，Xw轴方向为地理的正北，Yw轴方向为地理的正东方向，Zw轴则垂直XwOwYw平面向下，而通常使用的定位系统获取定位数据一般都是WGS-84坐标系下的经度、纬度以及高度，在使用时一般会将其转换到NED坐标系下，要完成转换则需先把WGS-84坐标系转换为ECEF坐标系，然后再将ECEF坐标系转换为NED坐标系。
图2d为现有技术中机体坐标系的示意图，参见图2d，若将无人机看作为一个机体构造规则的刚体，机体坐标系的原点设置为无人机的重心位置，坐标系Xb轴方向一般设置为机头方向，Yb轴方向为垂直机头方向向右，最后Zb轴方向垂直XbObYb平面向下，各轴之间满足“右手法则”。机体坐标系是无人机的基础坐标系，无人机中惯性测量单元(IMU)测量的各轴的姿态角以及加速度信息都是在该坐标系下的，当要描述无人机的运动时，就必须将机体坐标系转换到NED坐标系下。
本发明在通过无人机巡检时，在原有杆塔台账资料基础上，结合无人机飞行需要、现场实际情况和巡视人员的巡视经验，建立全新的供无人机巡检专用数据库。数据库主要包括两个部分：塔型资料数据库和杆塔资料数据库。塔型资料数据库的来源主要是线路竣工资料中的塔型设计图和部分典型设计杆塔图纸，主要内容为不同塔型的呼高种类、塔头结构、各相横担长度和宽度间距表达所有塔型一条信息是一个塔型。杆塔资料数据库的来源为线路竣工资料和实际测量，主要内容为具体杆塔的经纬度坐标、高程、杆塔呼高、绝缘子挂线情况、金具配置等数据，为无人机航迹自动规划提供基础数据支持。
图2e为本发明实施例提供的一种塔型结构示意图，图2f为本发明实施例提供的一种交流线路双回耐张塔无人机巡检拍摄点位规划示意图，参见图2e和图2f，每条线路每基杆塔塔脚中心点GPS坐标、塔型结构，各横担长、宽，呼高，全高等数据都可以从建立的无人机巡检专用数据库中检索得到，根据《架空输电线路无人机自主巡检技术导则》确定拍摄点，以“B.6交流线路双回耐张塔”为例，如下图2f所示，要计算各拍摄点坐标，首先需要对输电线路周边空间相对位置进行定义，日常巡检中，人们对输电线路周边空间位置的描述可分为三步，首先是以导、地线挂点为描述基准点，其次确定一个相对于基准点的方向，即前后、左右、上下，第三步是估算相对于基准点，向某个方向上的位移值。例如，杆塔最上层左侧横担挂点，向下2米向前3米的位置，按输电专业人员对空间目标位置的日常表达习惯，参考人体相对定向原则，先给输电线路杆塔定义一个物理前、后方向，以塔上某一回线路的电气回路前、后作为杆塔的前、后方向；参考人体左右方向确定杆塔的左右，左右方向沿横担布置方向；以人类自然上、下定义杆塔的上、下方向。为了符合日常表达习惯，本发明作如下定义：前后方向为输电线路架设方向，与左右方向不一定垂直，但前后左右方向面与上下方向垂直。当杆塔上有多个电气回路时，存在多个电气回路方向，以某个电气回路定义的输电线路物理方向，可能与回路方向不一致，系统要内置一个转换规则。
输电线路周边空间相对位置需要转换成三维空间坐标，具体方法是：左右位移计算：取基面中心经纬度坐标与基准点高程形成基准点高度上的中心坐标，该中心坐标与基准点坐标之间的连线，形成左右方向计算基准线，左右位移沿方向移动。上下位移计算：保持经纬度不变，上下位移时，基准点高程加减位移量。前后位移计算：取前(后)杆塔，与基准点相同回路相同相别挂点坐标，与基准点坐标连线，形成前(后)方向计算基准线，前后位移沿该方向移动。
图2g为本发明实施例提供的一种横担方向角示意图，参见图2g，为了解决前后方向与左右方向不垂直的坐标转换问题，本发明引入了横担方向角概念，横担方向角＝(180°-线路转角)/2，通过前后共三基杆塔的坐标采用空间向量的方法计算出线路的横担方向角，该杆塔全部拍照点坐标和拍照物高度均可通过以上数据计算得出，拍照点坐标用于相机的对准，拍照物高度用于可变焦相机的调焦或者定焦相机的拍摄距离调整。
通过以上方法可以画出输电线路杆塔几何结构三维构造图，也就是杆塔的三维模型，根据杆塔形状、无人机应与杆塔之间保持的安全距离以及周边环境计算出准确的拍摄点坐标，完成坐标转换，应用无人机自主巡检控制。
在无人机对杆塔巡检时，可以通过如下步骤实现：
第一步，制定安全飞行规则：确定安全飞行轴线、安全飞行立面、安全飞行高度、轨道转移点规划原则、定位精度、应急反应原则等安全飞行规则。
第二步，建立三维数学模型。以杆塔基面中心点为原点，线路前进方向为Y坐标正方向，杆塔右侧为X坐标正方向，垂直地面向上为Z坐标正方向，建立三维坐标系，此坐标系，不是三维正交坐标系，X与Y方向不一定垂直，Z方向与XY面垂直。建立杆塔周边空间点与三维坐标系转换关系。建立三维坐标第与卫星定位坐标转换关系。
第三步，第一次简化处理。不考虑电力线路杆塔的位置和实际高度，只取杆塔头部的电气结构布置，将几百万基杆塔分成几千种塔型处理。电力线路基础信息台账中，杆塔明细表对每一基杆塔的塔型均有记录。一般二三十公里电力线路，一百基左右杆塔，塔型只有几种。二三百公里的电力线路塔，一千基左右杆塔，塔型只有十几种。全国电力塔型的总数量在千种左右。
第四步，第二次简化处理。将塔型进一步简化成直线型和耐张型两种样式。每种塔型是耐张型还是直线型，是确定的。每种样式对应的巡检要求不同。
第五步，建立拍照要求录入模板，结合第一步安全飞行规则，生成相对坐标参数。我们把巡检拍照要求分成直线塔和耐张塔两种，录入拍照目标中心点的相对位置、拍照要求、机位点相对位置。以录入直线串横担侧金具拍照要求为例，拍照角度为垂直线路外侧时，拍照目标中心点相对位置为三个参数，横担向下0.1米，向前位移0米，向左位移0米；拍照目标大小为一个参数，1.5米；拍照机位的相对位置为三个参数，横担向下0米，向前位移0米，向左位移6米。如果感觉照片在垂直线路外侧拍照信息不全，想改成顺线路45度拍照，只要改一下机位点相对位置的前后位移这个参数，则所有直线杆塔全部顺线路45度拍照。此例中,拍照机位的相对位置第2个参数改成，向前位移6米即可。
第六步，第一次参数自动分配，生成分塔型相对坐标巡检规划参数。录入巡检工作要求，并建立相对坐标参数后，进行第一次自动分配。巡检拍照要求和相对坐标参数，被自动分配到塔型库，直线塔巡检检拍照要求匹配直线塔，耐张塔巡检拍照匹配到耐张塔。系统调取各个塔型的结构参数，自动完成分塔型相对坐标巡检规划参数，即每个塔型形成一套相对坐标表达的飞行巡检规划控制参数。
第七步：第二次参数自动分配，完成任务规划。接到具体规划任务后，按杆塔明细表中的塔型将塔型模板自动分配到塔基上，读取塔基中心三维坐标、杆塔呼高，和塔型模板中的相对坐标参数，一起输入到三维数学模型中，计算出飞行轨道控制坐标、巡检作业控制参数，然后生成巡检机器人可执行的巡检飞行任务指令，完成巡检任务规划。
实施例二
图3为本发明实施例二提供的一种杆塔的无人机巡检实现装置的结构示意图，该装置可适用于对杆塔进行无人机巡检的情况，其中该装置可由软件和/或硬件实现，并一般集成在终端设备上。
如图3所示，该装置包括：
获取模块31，用于获取待巡检杆塔任务，其中，所述待巡检杆塔任务中包括功能语义坐标系表达的巡检目标中的拍照参数值；其中，所述功能语义坐标系的至少一个坐标轴用于表征杆塔设定功能的变化方向；
转换模块32，用于将所述巡检目标的拍照参数值，从所述功能语义坐标系转换至杆塔的位置坐标系中；
巡检模块33，用于根据坐标系转换后的拍照参数值，控制无人机对所述待巡检杆塔进行巡检。
在本实施例中，该装置首先通过获取模块31获取待巡检杆塔任务，其中，所述待巡检杆塔任务中包括功能语义坐标系表达的巡检目标中的拍照参数值；其中，所述功能语义坐标系的至少一个坐标轴用于表征杆塔设定功能的变化方向；其次通过转换模块32将所述巡检目标的拍照参数值，从所述功能语义坐标系转换至杆塔的位置坐标系中；最后通过巡检模块33根据坐标系转换后的拍照参数值，控制无人机对所述待巡检杆塔进行巡检。
本实施例提供了一种杆塔的无人机巡检实现装置，仅需根据以功能语义坐标系表达的巡检目标中的拍照参数即可控制无人机对待巡检杆塔进行巡检，无需预置巡检航线，降低了无人机巡检的成本。
进一步地，巡检模块33，具体用于：
根据坐标系转换后的拍照参数值，以及所述待巡检杆塔的相对轮廓空间参数值，确定所述无人机对所述待巡检杆塔的相对巡检规划控制参数；
根据所述待巡检杆塔的绝对位置数据，将所述相对巡检规划控制参数转换为绝对巡检规划控制参数；
根据所述绝对巡检规划控制参数，控制无人机对所述待巡检杆塔进行巡检。
进一步地，巡检模块33根据坐标系转换后的拍照参数值，以及所述待巡检杆塔的相对轮廓空间参数值，确定所述无人机对所述待巡检杆塔的相对巡检规划控制参数，包括：
确定所述待巡检杆塔的相对轮廓空间参数值中对应拍照参数值的相对参数值；
将坐标系转换后的拍照参数值与所述相对参数值进行数学运算，确定所述无人机对所述待巡检杆塔的相对巡检规划控制参数。
进一步地，巡检模块33根据所述待巡检杆塔的绝对位置数据，将所述相对巡检规划控制参数转换为绝对巡检规划控制参数，包括：
根据所述待巡检杆塔塔脚中心点的绝对位置数据和所述待巡检杆塔的横担方向角，将所述相对巡检规划控制参数转换为绝对巡检规划控制参数；
其中，所述横担方向角表征所述位置坐标系中x轴和y轴的夹角。
进一步地，所述横担方向角根据所述待巡检杆塔和所述待巡检杆塔前后一级杆塔在同一位置处的绝对位置数据确定。
进一步地，所述横担方向角为180度与线路转角差值的一半，所述线路转角根据所述待巡检杆塔和所述待巡检杆塔前后一级杆塔在同一位置处的绝对位置数据确定。
进一步地，所述位置坐标系以所述待巡检杆塔塔脚中心点为坐标原点，以所述待巡检杆塔的电气回路方向为x轴方向，以横担方向为y轴方向，以垂直地面方向为z轴方向，所述x轴方向与y轴方向是否垂直基于电气方向确定，所述z轴垂直与x轴和y轴形成的平面。
上述杆塔的无人机巡检实现装置可执行本发明任意实施例所提供的杆塔的无人机巡检实现方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。
实施例三
图4为本发明实施例三提供的一种终端设备的结构示意图。如图4所示，本发明实施例三提供的终端设备包括：一个或多个处理器41和存储装置42；该终端设备中的处理器41可以是一个或多个，图4中以一个处理器41为例；存储装置42用于存储一个或多个程序；所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器41执行，使得所述一个或多个处理器41实现如本发明实施例中任一项所述的杆塔的无人机巡检实现方法。
所述终端设备还可以包括：输入装置43和输出装置44。
终端设备中的处理器41、存储装置42、输入装置43和输出装置44可以通过总线或其他方式连接，图4中以通过总线连接为例。
该终端设备中的存储装置42作为一种计算机可读存储介质，可用于存储一个或多个程序，所述程序可以是软件程序、计算机可执行程序以及模块，如本发明实施例所提供杆塔的无人机巡检实现方法对应的程序指令/模块(例如，杆塔的无人机巡检实现装置中的模块，包括：获取模块31、转换模块32和巡检模块33)。处理器41通过运行存储在存储装置42中的软件程序、指令以及模块，从而执行终端设备的各种功能应用以及数据处理，即实现上述方法实施例中杆塔的无人机巡检实现方法。
存储装置42可包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序；存储数据区可存储根据终端设备的使用所创建的数据等。此外，存储装置42可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非易失性固态存储器件。在一些实例中，存储装置42可进一步包括相对于处理器41远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至设备。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
输入装置43可用于接收输入的数字或字符信息，以及产生与终端设备的用户设置以及功能控制有关的键信号输入。输出装置44可包括显示屏等显示设备。
并且，当上述终端设备所包括一个或者多个程序被所述一个或者多个处理器41执行时，程序进行如下操作：
获取待巡检杆塔任务，其中，所述待巡检杆塔任务中包括功能语义坐标系表达的巡检目标中的拍照参数值；其中，所述功能语义坐标系的至少一个坐标轴用于表征杆塔设定功能的变化方向；
将所述巡检目标的拍照参数值，从所述功能语义坐标系转换至杆塔的位置坐标系中；
根据坐标系转换后的拍照参数值，控制无人机对所述待巡检杆塔进行巡检。
实施例四
本发明实施例四提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时用于执行杆塔的无人机巡检实现方法，该方法包括：
获取待巡检杆塔任务，其中，所述待巡检杆塔任务中包括功能语义坐标系表达的巡检目标中的拍照参数值；其中，所述功能语义坐标系的至少一个坐标轴用于表征杆塔设定功能的变化方向；
将所述巡检目标的拍照参数值，从所述功能语义坐标系转换至杆塔的位置坐标系中；
根据坐标系转换后的拍照参数值，控制无人机对所述待巡检杆塔进行巡检。
可选的，该程序被处理器执行时还可以用于执行本发明任意实施例所提供的杆塔的无人机巡检实现方法。
本发明实施例的计算机存储介质，可以采用一个或多个计算机可读的介质的任意组合。计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质。计算机可读存储介质例如可以是，但不限于电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、只读存储器(Read Only Memory，ROM)、可擦式可编程只读存储器(ErasableProgrammable Read Only Memory，EPROM)、闪存、光纤、便携式CD-ROM、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。
计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于：电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。
计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于：无线、电线、光缆、无线电频率(Radio Frequency，RF)等等，或者上述的任意合适的组合。
可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本发明操作的计算机程序代码，所述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言，诸如Java、Smalltalk、C++，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络，包括局域网(LAN)或广域网(WAN)，连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (9)

1.一种杆塔的无人机巡检实现方法，其特征在于，包括：
获取待巡检杆塔任务，其中，所述待巡检杆塔任务中包括功能语义坐标系表达的巡检目标中的拍照参数值；其中，所述功能语义坐标系的至少一个坐标轴用于表征杆塔设定功能的变化方向；
将所述巡检目标的拍照参数值，从所述功能语义坐标系转换至杆塔的位置坐标系中；
根据坐标系转换后的拍照参数值，控制无人机对所述待巡检杆塔进行巡检；根据坐标系转换后的拍照参数值，控制无人机对所述待巡检杆塔进行巡检包括：
根据坐标系转换后的拍照参数值，以及所述待巡检杆塔的相对轮廓空间参数值，确定所述无人机对所述待巡检杆塔的相对巡检规划控制参数；
根据所述待巡检杆塔的绝对位置数据，将所述相对巡检规划控制参数转换为绝对巡检规划控制参数；
根据所述绝对巡检规划控制参数，控制无人机对所述待巡检杆塔进行巡检。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据坐标系转换后的拍照参数值，以及所述待巡检杆塔的相对轮廓空间参数值，确定所述无人机对所述待巡检杆塔的相对巡检规划控制参数，包括：
确定所述待巡检杆塔的相对轮廓空间参数值中对应拍照参数值的相对参数值；
将坐标系转换后的拍照参数值与所述相对参数值进行数学运算，确定所述无人机对所述待巡检杆塔的相对巡检规划控制参数。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述待巡检杆塔的绝对位置数据，将所述相对巡检规划控制参数转换为绝对巡检规划控制参数，包括：
根据所述待巡检杆塔塔脚中心点的绝对位置数据和所述待巡检杆塔的横担方向角，将所述相对巡检规划控制参数转换为绝对巡检规划控制参数；
其中，所述横担方向角表征所述位置坐标系中x轴和y轴的夹角。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述横担方向角根据所述待巡检杆塔和所述待巡检杆塔前后一级杆塔在同一位置处的绝对位置数据确定。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述横担方向角为180度与线路转角差值的一半，所述线路转角根据所述待巡检杆塔和所述待巡检杆塔前后一级杆塔在同一位置处的绝对位置数据确定。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述位置坐标系以所述待巡检杆塔塔脚中心点为坐标原点，以所述待巡检杆塔的电气回路方向为x轴方向，以横担方向为y轴方向，以垂直地面方向为z轴方向，所述x轴方向与y轴方向是否垂直基于电气方向确定，所述z轴垂直与x轴和y轴形成的平面。
7.一种杆塔的无人机巡检实现装置，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取待巡检杆塔任务，其中，所述待巡检杆塔任务中包括功能语义坐标系表达的巡检目标中的拍照参数值；其中，所述功能语义坐标系的至少一个坐标轴用于表征杆塔设定功能的变化方向；
转换模块，用于将所述巡检目标的拍照参数值，从所述功能语义坐标系转换至杆塔的位置坐标系中；
巡检模块，用于根据坐标系转换后的拍照参数值，控制无人机对所述待巡检杆塔进行巡检；
巡检模块，具体用于：根据坐标系转换后的拍照参数值，以及所述待巡检杆塔的相对轮廓空间参数值，确定所述无人机对所述待巡检杆塔的相对巡检规划控制参数；根据所述待巡检杆塔的绝对位置数据，将所述相对巡检规划控制参数转换为绝对巡检规划控制参数；根据所述绝对巡检规划控制参数，控制无人机对所述待巡检杆塔进行巡检。
8.一种终端设备，其特征在于，包括：
一个或多个处理器；
存储装置，用于存储一个或多个程序；
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如权利要求1-6中任一所述的杆塔的无人机巡检实现方法。
9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-6中任一所述的杆塔的无人机巡检实现方法。
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