CN113359864B - 一种无人机巡线航迹规划方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无人机飞行控制领域，特别是涉及一种无人机巡线航迹规划方法及其系统。该方法步骤如下：S1：为无人机划分目标巡线区域。S2：获取当前无人机的目标巡线区域的地图，并查询地图中包含的所有电力设施和无人机换电站的位置坐标。S3：生成包含目标巡线区域内所有电力设施的第一轨迹点。S4：生成包含目标巡线区域内所有电力设施的第二轨迹点。S5：生成包含目标巡线区域内无人机换电站的补给点。S6：生成一条包含当前目标巡线区域内所有第一轨迹点的预设路径。S7：判定无人机是否需要电力补给进而对预设路径进行调整。本发明解决了现有无人机执行电力巡线任务时需要进行人工飞行操控，且无人机控制过程繁琐，巡线效率不高的问题。

Description

一种无人机巡线航迹规划方法及其系统

技术领域

本发明涉及无人机飞行控制领域，特别是涉及一种无人机巡线航迹规划方法及其系统。

背景技术

电力设备在使用过程中需要进行定期巡查，及时发现可能存在的安全隐患，进而排除隐患保障电力用户的用电稳定性。现有的电力设备巡线任务主要由人工完成，管理人员对各自辖区内的所有电力设施进行巡视。

随着无人机技术的发展，无人机被越来越多地应用到电力巡线中，通过无人机对辖区内的所有电力设施进行巡视时，管理人员只需要操控相关的无人机按照需要巡视路径进行飞行即可，无需实际进入到辖区内的各个位置，这大大降低了管理人员的工作负担。此外，无人机相对管理人员而言，可以从上部的俯视角度巡视电力设施，因此安全性更高，观察的效果更好。

但是在现有技术条件下，无人机执行电力巡线任务时，需要配置相关的飞行操控人员。而且由于无人机的操控距离有限，在进行大区域巡视时，容易出现无人机飞出控制范围之外的情况，因此操控人员也需要进行位置移动。此外，考虑到无人机的电量有限，巡航距离也受到限制，因此还需要在飞行过程频繁进行返航更换电池，非常麻烦。

发明内容

基于此，有必要针对无人机执行电力巡线任务时需要进行人工飞行操控，且无人机控制过程繁琐，巡线效率不高的问题；提供一种无人机巡线航迹规划方法及其系统，实现无人机自动巡线。

一种无人机巡线航迹规划方法，该规划方法包括如下步骤：

S1：为无人机划分目标巡线区域，目标巡线区域为整个待执行巡线任务的区域的子区域。

S2：获取当前无人机的目标巡线区域的地图，并查询地图中包含的所有电力设施和无人机换电站的位置坐标。定义电力设施中的各个零星电力设备为点目标，定义穿越目标巡线区域的电力架空线路为线目标，定义包含多个集中的电力设备的电力设施站点为面目标。

S3：生成包含目标巡线区域内所有电力设施的第一轨迹点。其中，点目标以其中心处的位置坐标为第一轨迹点，线目标以其两端点的位置坐标为第一轨迹点；面目标以其边界上的任意一点的位置坐标为第一轨迹点。

S4：生成包含目标巡线区域内所有电力设施的第二轨迹点。其中，点目标以其第一轨迹点为第二轨迹点，线目标以其包含的各个电力杆塔的位置坐标为第二轨迹点；面目标以其中预设的各个航路点为第二轨迹点。

S5：生成包含目标巡线区域内无人机换电站的补给点；补给点为无人机换电站中心处的位置坐标。

S6：获取当前目标巡线区域内的所有第一轨迹点，以与无人机当前位置最接近的第一轨迹点为起始点，生成一条包含所有第一轨迹点的预设路径。

其中，预设路径中经过线目标时，路径方向为从其中的一个第一轨迹点运动至另一个第一轨迹点。预设路径中经过面目标时，路径方向为从其中的一个航路点出发，遍历面目标中的所有航路点。

S7：对预设路径进行调整，调整方法包括：在经过每一个第二轨迹点时分别获取：

(1)无人机的当前剩余航程K。

(2)当前第二轨迹点a对应的下一第二轨迹点b的位置，以及当前第二轨迹点a与下一第二轨迹点b之间的距离L1。

(3)与当前第二轨迹点a最接近的补给点n的位置。

(4)与下一轨迹点b最接近的补给点m的位置，以及下一轨迹点b与补给点m之间的距离L2。

然后根据获取的数据作出如下判断和决策：

Ⅰ.当K＞L1+L2时，无人机继续飞行至下一第二轨迹点b；

Ⅱ.当K≤L1+L2时，无人机飞行至补给点n；并在完成电池更换后回到当前第二轨迹点a，然后继续飞行至下一第二轨迹点b。

作为本发明进一步的改进，在预设路径中，无人机经过线目标时，先到达与前一个第一轨迹点距离最接近的线目标的其中一个第一轨迹点处，然后沿着架空线路的方向依次经过线目标中的所有第二轨迹点，最后达到线目标中的另外一个第一轨迹点处。

本发明提供的巡线航迹规划方法是一种自动的话的规划方法，能够对目标选线区域内的所有电力设施达到全方位覆盖，且生成一条航程较短的最佳路径。同时可以根据需要在飞行路径中增加动力补给的路径，有效提高巡线任务的覆盖范围。

作为本发明进一步的改进，面目标中的航路点的生成方法如下：

(1)通过面目标的地图获取面目标的轮廓及其区域。

(2)定义无人机在固定巡线高度状态下对面目标巡线区域的视野直径长度为d，以

为网格宽度对面目标的区域进行进行网格化处理。

(3)获取位于面目标的轮廓内的网格的所有顶点；以上顶点的位置即为所需的航路点。

作为本发明进一步的改进，无人机遍历航路点的路径通过欧拉路径算法获取。

作为本发明进一步的改进，预设路径的生成方法如下：

(1)建立一个轨迹点集，轨迹点集在初始状态下包含当前目标巡线区域内的所有第一轨迹点。

(2)建立一个完成点集，完成点集在初始状态下为空集。

(3)确定预设路径的起始点后，将起始点对应的第一轨迹点从轨迹点集中移除，并添加到完成点集中。

(4)然后判断起始点是否为某个线目标中的第一轨迹点：

ⅰ.是则确定线目标中的另一个第一轨迹点为下一第一轨迹点；

ⅱ.否则将轨迹点集中与起始点位置最接近第一轨迹点作为下一轨迹点。

(5)将上步骤确定的下一轨迹点作为起始点，并返回执行步骤(3)-(4)，直到轨迹点集中的所有第一轨迹点均被移除变为空集。

(6)记录轨迹点集变为空集过程中各个第一轨迹点的移除顺序，得到一个第一轨迹点队列。对第一轨迹点队列中的相邻两个第一轨迹点的空间位置进行连线，得到的路径即为预设路径。

作为本发明进一步的改进，无人机换电站均匀分布在待执行巡线任务的所有区域内；无人机换电站内的管理人员为进入站点内的无人机更换电池。

作为本发明进一步的改进，无人机在飞行过程中根据一个预设高度对自身的飞行高度进行调节，并保持无人机与下方的电力设备的高度差保持在预设高度的误差范围内。

本发明还包括一种无人机巡线航迹规划系统，该规划系统采用前述的无人机巡线航迹规划方法生成自身的飞行路径；规划系统包括：地图获取模块，第一轨迹点生成模块，第二轨迹点生成模块，预设路径生成模块，换电判别模块，以及真实路径控制模块。

其中，地图获取模块用于获取无人机负责巡视的目标巡线区域的地图，地图中包含目标巡线区域内的所有电力设施和无人机换电站的位置坐标。

第一轨迹点生成模块用于获取目标巡线区域内的所有第一轨迹点；定义电力设施中的各个零星电力设备为点目标；定义穿越目标巡线区域的电力架空线路为线目标；定义包含多个集中的电力设备的电力设施站点为面目标。

其中，目标巡线区域内的第一轨迹点包括：所有点目标中心处的位置坐标点；所有线目标的两端点处的位置坐标点；表征各个面目标位置的一个位置坐标点。

第二轨迹点生成模块用于获取目标巡线区域内的所有第二轨迹点；第二轨迹点包括：所有点目标的第一轨迹点；所有线目标中包含的各个电力塔杆的位置坐标；所有面目标中包含的各个航路点。

预设路径生成模块用于根据获取的各个第一轨迹点生成一个预设的飞行路径，预设路径为遍历目标巡线区域内所有电力设施的最佳飞行路径，预设路径的生成方法如下：(1)建立一个轨迹点集，轨迹点集在初始状态下包含当前目标巡线区域内的所有第一轨迹点。(2)建立一个完成点集，完成点集在初始状态下为空集。(3)确定预设路径的起始点后，将起始点对应的第一轨迹点从轨迹点集中移除，并添加到完成点集中。(4)然后判断起始点是否为某个线目标中的第一轨迹点：是则确定线目标中的另一个第一轨迹点为下一第一轨迹点；否则将轨迹点集中与起始点位置最接近第一轨迹点作为下一轨迹点。(5)将上步骤确定的下一轨迹点作为起始点，并返回执行步骤(3)-(4)，直到轨迹点集中的所有第一轨迹点均被移除变为空集。(6)记录轨迹点集变为空集过程中各个第一轨迹点的移除顺序，得到一个第一轨迹点队列；对第一轨迹点队列中的相邻两个第一轨迹点的空间位置进行连线，得到的路径即为预设路径。

换电判别模块，其用于在无人机到达任意一个第二轨迹点时判定无人机是否需要进行电池更换：是则到达最近的无人机换电站，否则飞往下一个第二轨迹点。

真实路径控制模块用于控制无人机的飞行路径，真实路径控制模块的控制方法如下：(1)获取预设路径生成模块生成的预设路径。(2)将预设路径中的各个线目标的路径替换为依次经过相应线目标中的所有第二轨迹点的路径。(3)在预设路径中的各个面目标处，增加遍历面目标中所有第二轨迹点的路径。(4)控制无人机按照(3)中调整后的路径进行飞行，并在飞行路径到达任意一个第二轨迹点时，获取换电判别模块的判定结果，对当前飞行路径进行调整。

作为本发明进一步的改进，换电判别模块通过如下步骤判定是否需要进行电池更换：

分别获取：无人机的当前剩余航程K。当前第二轨迹点a对应的下一第二轨迹点b的位置，以及当前第二轨迹点a与下一第二轨迹点b之间的距离L1。与当前第二轨迹点a最接近的补给点n的位置。与下一轨迹点b最接近的补给点m的位置，以及下一轨迹点b与补给点m之间的距离L2。

根据获取的数据作出如下判断和决策：

Ⅰ.当K＞L1+L2时，无人机继续飞行至下一第二轨迹点b。

Ⅱ.当K≤L1+L2时，无人机飞行至补给点n；并在完成电池更换或充电后回到当前第二轨迹点a，然后继续飞行至下一第二轨迹点b。

作为本发明进一步的改进，第二轨迹点生成模块中还包括一个航路点生成子单元，所述航路点生成子单元用于获取各个面目标中的航路点，航路点生成子单元生成各个航路点的方法如下：

(1)通过面目标的地图获取面目标的轮廓及其区域；

(2)定义无人机在固定巡线高度状态下对面目标巡线区域的视野直径长度为d，以

为网格宽度对面目标的区域进行进行网格化处理。

(3)获取位于面目标的轮廓内的网格的所有顶点；所述顶点即为所述航路点。

本发明提供的一种无人机巡线航迹规划方法及其系统，具有如下有益效果：

1、该无人机巡线航迹规划方法和系统可以对无人机巡线过程中的飞行轨迹进行自动规划，无需人工进行飞行操控，进而可以大幅度提高电力设施巡线任务的工作效率，降低执行该任务的人员成本。

2、本发明提供的巡线航迹规划方法能够对巡视过程中不同类型的电力设施采用不同的巡视策略。实现对目标区域内所有电力设施的全覆盖，准确全面完成所有目标区域的巡视任务，对所有电力设备进行全方位巡查和准确采像，不留监视死角。

3、本发明提供的方案不仅适用于小范围的巡线任务，而且使用大范围超航程的巡线任务，无人机在执行任务时，可以根据规划的路径在适当的时机达到补给站点进行动力补给。

4、本实施例中规划的路径不仅实现了对整个目标巡线区域的全方位巡视，还设计出了最佳的飞行路径，飞行路径的航程较短。这样可以有效缩短巡视时间，提高巡线效率；也具有更好的节能环保效益。

附图说明

图1为本发明实施例1中的一种无人机巡线航迹规划方法的流程图；

图2为本发明实施例1中预设路径生成方法的流程图；

图3为本发明实施例1中判定无人机是否需要电力补给的方法流程图；

图4为本发明实施例2中一种无人机巡线航迹规划系统的系统拓补图；

图5为本发明实施例2的无人机巡线航迹规划系统中高度调整模块的模块示意图。

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。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“或/及”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

实施例1

本实施例提供一种无人机巡线航迹规划方法，如图1所示，该规划方法包括如下步骤：

S1：为无人机划分目标巡线区域，目标巡线区域为整个待执行巡线任务的区域的子区域。在实际应用场景下，整个待执行巡线任务的区域通常相对较大，整个区域内分布有大量电力设施。这些电力设备具体包括变电所、变电站、开闭所、开关柜、变压器、以及架空的中高压输电线路，输电线路中每隔一段设置的电杆或电塔，等等。这些电力设备就是执行巡线任务过程中实际需要检查的设施。考虑到无人机在使用过程中具有巡航能力的限制，因此为了提高选线效率，缩短当个巡线周期的任务时长，需要对整个待执行巡线任务的区域进行分割，使得每个无人机仅需要负责其中的部分区域，每个无人机负责的区域成为该无人机的目标巡线区域。

S2：获取当前无人机的目标巡线区域的地图，并查询地图中包含的所有电力设施和无人机换电站的位置坐标。定义电力设施中的各个零星电力设备为点目标，定义穿越目标巡线区域的电力架空线路为线目标，定义包含多个集中的电力设备的电力设施站点为面目标。

本实施例中，在服务器或其它后台管理系统中存储有待执行巡线任务的区域的地图。该地图为专用地图，地图中主要标记该区域内包含的所有电力设施。无人机在生成自身的飞行路径之前，首先需要获取目标巡线区域内的地图，确定该区域内包含的所有电力设施。

在本实施例中不同的电力设施的巡视方法是不一样的。例如对于一个变压器和开关柜等电力设备，只需要经过该区域并对下方的设备进行简单巡视即可完成检查。而对于架空的高压线路，则需要沿着线路的延伸方向进行检查，不可偏移高压线路的方向。另外，对于那些变电站、开闭所等包含很多电力设备的站点，则需要在整个站点上访进行全方位巡视，保证能够检查到站点内的每一区域。因此在本实施例中对于不同电力设施分别定义了不同的类型，分别为点目标、线目标和面目标，通过这种类型区分可以便于针对不同设施采用不同的巡视方案；即对应的路径规划方法不同。

S3：生成包含目标巡线区域内所有电力设施的第一轨迹点。其中，点目标以其中心处的位置坐标为第一轨迹点，线目标以其两端点的位置坐标为第一轨迹点；面目标以其边界上的任意一点的位置坐标为第一轨迹点。

本实施例先对目标巡线区域内的所有电力设施进行初步划分。在巡线过程中，考虑到点目标只需要飞行路径经过即可，因此将点目标的位置划分为一个第一轨迹点。而对于线目标则需要无人机的飞行路径完整经过路线，因此需要将线目标的两个端点均划分为第一轨迹点，线目标对于从哪一端开始巡视没有要求，因此线目标中的两个第一轨迹点的优先级是相同的，但是线目标中的第一轨迹点实际上是一个具有方向的点，即线目标中的首先包含在飞行路径上的第一轨迹点总是指向线目标中的另一个第一轨迹点。对于线目标来说，从任意一个方法开始巡视均可，只需要保证飞行路径完成包括面目标的所有区域即可，本实施例中以面目标中的轮廓线上任意一点作为第一轨迹点。生成的第一轨迹点可以看做是目标巡线区域内的所有电力设施的一个理想化模型，即各个第一轨迹点只需要考虑其位置坐标即可，无需考虑对应的电力设施的其他特征。本实施例中通过这种模型能够有效刻画各个电力设施的位置和类型；进而为后期的路径规划奠定数据基础。

S4：生成包含目标巡线区域内所有电力设施的第二轨迹点。其中，点目标以其第一轨迹点为第二轨迹点，线目标以其包含的各个电力杆塔的位置坐标为第二轨迹点；面目标以其中预设的各个航路点为第二轨迹点。

为了使得路径规划更加准确和细致，本实施例力中进一步引入了第二轨迹点的概念；第二轨迹点可以看成是对第一轨迹点的模型的补充，通过第二轨迹点可以对原第一轨迹点对应的线目标和面目标进行更为精细的描述。例如，在线目标中将各个电力塔杆的位置坐标作为第二轨迹点，因此巡视线目标时就可以按照各个第二轨迹点的连线方向作为最终的巡视路径。而对于面目标，可以在面目标内设置一系列的航路点，当无人机依次遍历所有航路点后，就完成了对整个面目标对应区域额巡视任务，这里的各个航路点就是面目标的第二轨迹点，无人机在巡视面目标时的路径即为遍历面目标中所有第二轨迹点的路径。

本实施例中，面目标中航路点的生成方法如下：

(1)通过面目标的地图获取面目标的轮廓及其区域。

(2)定义无人机在固定巡线高度状态下对面目标巡线区域的视野直径长度为d，以

为网格宽度对面目标的区域进行进行网格化处理。

(3)获取位于面目标的轮廓内的网格的所有顶点；以上顶点的位置即为所需的航路点。

本实施例中生成的航路点的特征在于：当无人机分别停留在各个航路点上之时，无人机的视野范围完成包含了整个面目标的区域。这样当无人机遍历所有航路点之后，就可以完成对整个面目标区域进行巡视的要求。

S5：生成包含目标巡线区域内无人机换电站的补给点；补给点为无人机换电站中心处的位置坐标。

本实施例中，考虑到无人机的续航里程有限，还设置了一些无人机换电站，作为无人机的动力补给站点。本实施例中，无人机换电站均匀分布在待执行巡线任务的所有区域内；无人机换电站内的管理人员为进入站点内的无人机更换电池；进而使得无人机可以快速开展接下来的巡线任务。除了进行电池更换之外，还可以进行充电，以对无人机进行动力补给，本实施例中考虑到换电池的速度相对充电更快，因此选择前者。当然，在其它实施例中，也可以通过充电的方式完成动力补给，随着充电技术的不断进步，当充电的速度可以达到换电池的水平时，则可以在其它实施例中选择二者中的任意一种方式。

本实施例中的方案，主要针对以电池为动力源的无人机进行描述，在其它实施例中也可以采用以柴油、航空煤油或其它燃料为动力的无人机。此时在相应的方案中，则可以通过补充燃料的方式进行动力补给。

S6：获取当前目标巡线区域内的所有第一轨迹点，以与无人机当前位置最接近的第一轨迹点为起始点，生成一条包含所有第一轨迹点的预设路径。

其中，预设路径中经过线目标时，路径方向为从其中的一个第一轨迹点运动至另一个第一轨迹点。预设路径中经过面目标时，路径方向为从其中的一个航路点出发，遍历面目标中的所有航路点。

具体地，在本实施例中，最终生成的预设路径的情况如下：无人机首先搜索目标巡视区域内最接近的一个第一轨迹点，该点为起始点，然后分别生成遍历所有第一轨迹点的路径。其中，当经的第一轨迹点为线目标中的点时，则按照线目标的真实路径进行规划，依次经过线目标中的各个第二轨迹点，并到达线目标的另外一个第一轨迹点。而经过的第一轨迹点为面目标时，则先不去搜索下一个第一轨迹点，而是对当前面目标内的第二轨迹点进行遍历，最后再寻找下一第一轨迹点。

本实施例中，无人机遍历航路点的路径通过欧拉路径算法获取。由于本实施例中的航路点是通过网格化处理后选择出的网格顶点；因此在理论上说，所有的航路点都不是奇点；所以可以找到一条遍历所有航路点的最短路径。本实施例通过欧拉路径算法完成这一过程，欧拉路径算法就是针对该场景的一种路径规划算法。

在本实施例中，如图2所示，预设路径的生成方法如下：

(1)建立一个轨迹点集，轨迹点集在初始状态下包含当前目标巡线区域内的所有第一轨迹点。

(2)建立一个完成点集，完成点集在初始状态下为空集。

(3)确定预设路径的起始点后，将起始点对应的第一轨迹点从轨迹点集中移除，并添加到完成点集中。

(4)然后判断起始点是否为某个线目标中的第一轨迹点：

ⅰ.是则确定线目标中的另一个第一轨迹点为下一第一轨迹点；

ⅱ.否则将轨迹点集中与起始点位置最接近第一轨迹点作为下一轨迹点。

(5)将上步骤确定的下一轨迹点作为起始点，并返回执行步骤(3)-(4)，直到轨迹点集中的所有第一轨迹点均被移除变为空集。

(6)记录轨迹点集变为空集过程中各个第一轨迹点的移除顺序，得到一个第一轨迹点队列。对第一轨迹点队列中的相邻两个第一轨迹点的空间位置进行连线，得到的路径即为预设路径。

S7：对预设路径进行调整，调整方法如图3所示，包括如下过程：在经过每一个第二轨迹点时分别获取：

(1)无人机的当前剩余航程K。

(2)当前第二轨迹点a对应的下一第二轨迹点b的位置，以及当前第二轨迹点a与下一第二轨迹点b之间的距离L1。

(3)与当前第二轨迹点a最接近的补给点n的位置。

(4)与下一轨迹点b最接近的补给点m的位置，以及下一轨迹点b与补给点m之间的距离L2。

然后根据获取的数据作出如下判断和决策：

Ⅰ.当K＞L1+L2时，无人机继续飞行至下一第二轨迹点b；

Ⅱ.当K≤L1+L2时，无人机飞行至补给点n；并在完成电池更换后回到当前第二轨迹点a，然后继续飞行至下一第二轨迹点b。

本实施例中，通过以上步骤得到的预设路径涵盖了目标区域内所有的第一轨迹点和第二轨迹点，即实现了对所有电力设施的全面、准确覆盖，按照该路径飞行可以完成多所有电力设施的巡视任务。但是考虑到无人机的续航能力，本实施例还在预设路径上进行调整，在飞行路径中增加了动力补给的过程。动力补给的时机判断是基于预设路径中的第二轨迹点完成的。

本实施例的换电策略的整体思路是：在每经过一个第二轨迹点时，判断无人机的剩余航程是否能够同时满足达到下一第二轨迹点和下一轨迹点对应的最接近补给点的要求。是的话就可以飞往下一第二轨迹点，否则就应该立即去当前第二轨迹点最接近的补给点进行动力补给。

经过这一步骤之后，无人机最终的飞行路径应当是预设路径叠加中间的各个动力补给过程的路径。

本实施例中，无人机按照规划的路径进行飞行时，飞行高度的控制方法如下：

无人机在飞行过程中根据一个预设高度对自身的飞行高度进行调节，并保持无人机与下方的电力设备的高度差保持在预设高度的误差范围内。即无人机在飞行过程中会不断获取下方的目标的高度，这个过程可以通过测高雷达来完成，然后根据自身高度和目标的高度计算高度差；无人机飞行时会保持一个相对固定的高度差。这个高度差是一个预设的专家经验值，高度差应满足使得无人机能够实现有效避障，且无人机能够对下方的目标进行清晰采像。

实施例2

本实施例提供一种无人机巡线航迹规划系统，该规划系统采用如实施例1述的无人机巡线航迹规划方法生成自身的飞行路径；如图4所示，规划系统包括：地图获取模块，第一轨迹点生成模块，第二轨迹点生成模块，预设路径生成模块，换电判别模块，以及真实路径控制模块。

其中，地图获取模块用于获取无人机负责巡视的目标巡线区域的地图，地图中包含目标巡线区域内的所有电力设施和无人机换电站的位置坐标。

第一轨迹点生成模块用于获取目标巡线区域内的所有第一轨迹点；定义电力设施中的各个零星电力设备为点目标；定义穿越目标巡线区域的电力架空线路为线目标；定义包含多个集中的电力设备的电力设施站点为面目标。

其中，目标巡线区域内的第一轨迹点包括：所有点目标中心处的位置坐标点；所有线目标的两端点处的位置坐标点；表征各个面目标位置的一个位置坐标点。

第二轨迹点生成模块用于获取目标巡线区域内的所有第二轨迹点；第二轨迹点包括：所有点目标的第一轨迹点；所有线目标中包含的各个电力塔杆的位置坐标；所有面目标中包含的各个航路点。

预设路径生成模块用于根据获取的各个第一轨迹点生成一个预设的飞行路径，预设路径为遍历目标巡线区域内所有电力设施的最佳飞行路径，预设路径的生成方法如下：(1)建立一个轨迹点集，轨迹点集在初始状态下包含当前目标巡线区域内的所有第一轨迹点。(2)建立一个完成点集，完成点集在初始状态下为空集。(3)确定预设路径的起始点后，将起始点对应的第一轨迹点从轨迹点集中移除，并添加到完成点集中。(4)然后判断起始点是否为某个线目标中的第一轨迹点：是则确定线目标中的另一个第一轨迹点为下一第一轨迹点；否则将轨迹点集中与起始点位置最接近第一轨迹点作为下一轨迹点。(5)将上步骤确定的下一轨迹点作为起始点，并返回执行步骤(3)-(4)，直到轨迹点集中的所有第一轨迹点均被移除变为空集。(6)记录轨迹点集变为空集过程中各个第一轨迹点的移除顺序，得到一个第一轨迹点队列；对第一轨迹点队列中的相邻两个第一轨迹点的空间位置进行连线，得到的路径即为预设路径。

换电判别模块，其用于在无人机到达任意一个第二轨迹点时判定无人机是否需要进行电池更换：是则到达最近的无人机换电站，否则飞往下一个第二轨迹点。

真实路径控制模块用于控制无人机的飞行路径，真实路径控制模块的控制方法如下：(1)获取预设路径生成模块生成的预设路径。(2)将预设路径中的各个线目标的路径替换为依次经过相应线目标中的所有第二轨迹点的路径。(3)在预设路径中的各个面目标处，增加遍历面目标中所有第二轨迹点的路径。(4)控制无人机按照(3)中调整后的路径进行飞行，并在飞行路径到达任意一个第二轨迹点时，获取换电判别模块的判定结果，对当前飞行路径进行调整。

其中，换电判别模块通过如下步骤判定是否需要进行电池更换：

依次获取无人机的当前剩余航程K；当前第二轨迹点a对应的下一第二轨迹点b的位置，以及当前第二轨迹点a与下一第二轨迹点b之间的距离L1。与当前第二轨迹点a最接近的补给点n的位置。与下一轨迹点b最接近的补给点m的位置，以及下一轨迹点b与补给点m之间的距离L2。

根据获取的数据作出如下判断和决策：

(Ⅰ)当K＞L1+L2时，无人机继续飞行至下一第二轨迹点b。

(Ⅱ)当K≤L1+L2时，无人机飞行至补给点n；并在完成电池更换或充电后回到当前第二轨迹点a，然后继续飞行至下一第二轨迹点b。

作为本发明进一步的改进，第二轨迹点生成模块中还包括一个航路点生成子单元，所述航路点生成子单元用于获取各个面目标中的航路点，航路点生成子单元生成各个航路点的方法如下：

(1)通过面目标的地图获取面目标的轮廓及其区域；

(2)定义无人机在固定巡线高度状态下对面目标巡线区域的视野直径长度为d，以

为网格宽度对面目标的区域进行进行网格化处理。

(3)获取位于面目标的轮廓内的网格的所有顶点；所述顶点即为所述航路点。

此外，如图5所示，本实施例中的无人机巡线航迹规划系统还包括高度调整模块，高度调整模块用于对无人机飞行过程中的高度进行实时调整，从而避免无人机与巡视目标或障碍物发生碰撞，具体的高度调整模块包括测高单元、误差计算单元和目标高度调节单元；测高单元用于测量无人机的与下方的巡视目标之间的实际高度差。误差计算单元用于获取一个预设高度差，并计算出实际高度差与预设高度差之间的偏差。目标高度调节单元用于获取误差计算单元计算出的偏差，并控制无人机对其实际飞行高度进行调整以消除该偏差。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种无人机巡线航迹规划方法，其特征在于：所述规划方法包括如下步骤：

S1：为无人机划分目标巡线区域，所述目标巡线区域为整个待执行巡线任务的区域的子区域；

S2：获取当前无人机的所述目标巡线区域的地图，并查询所述地图中包含的所有电力设施和无人机换电站的位置坐标；定义所述电力设施中的各个零星电力设备为点目标，定义穿越所述目标巡线区域的电力架空线路为线目标，定义包含多个集中的电力设备的电力设施站点为面目标；

S3：生成包含目标巡线区域内所有电力设施的第一轨迹点；所述点目标以其中心处的位置坐标为第一轨迹点，所述线目标以其两端点的位置坐标为第一轨迹点；所述面目标以其边界上的任意一点的位置坐标为第一轨迹点；

S4：生成包含目标巡线区域内所有电力设施的第二轨迹点；所述点目标以其第一轨迹点为第二轨迹点，所述线目标以其包含的各个电力杆塔的位置坐标为第二轨迹点；所述面目标以其中预设的各个航路点为第二轨迹点；

S5：生成包含目标巡线区域内所有无人机换电站的补给点，所述补给点为所述无人机换电站中心处的位置坐标；

S6：获取当前目标巡线区域内的所有第一轨迹点，以与无人机当前位置最接近的第一轨迹点为起始点，生成一条包含所有第一轨迹点的预设路径；

其中，所述预设路径中经过所述线目标时，路径方向为从其中的一个第一轨迹点运动至另一个第一轨迹点；所述预设路径中经过所述面目标时，路径方向为从其中的一个航路点出发，遍历所述面目标中的所有航路点；

S7：对所述预设路径进行调整；调整方法包括：在经过每一个第二轨迹点时分别获取：

(1)无人机的当前剩余航程K；

(2)当前第二轨迹点a对应的下一第二轨迹点b的位置，以及当前第二轨迹点a与下一第二轨迹点b之间的距离L1；

(3)与当前第二轨迹点a最接近的补给点n的位置；

(4)与所述下一轨迹点b最接近的补给点m的位置，以及下一轨迹点b与补给点m之间的距离L2；

并根据获取的数据作出如下判断和决策：

(Ⅰ)当K＞L1+L2时，无人机继续飞行至下一第二轨迹点b；

(Ⅱ)当K≤L1+L2时，无人机飞行至补给点n；并在完成电池更换后回到当前第二轨迹点a，然后继续飞行至下一第二轨迹点b。

2.根据权利要求1所述的无人机巡线航迹规划方法，其特征在于：在所述预设路径中，无人机经过所述线目标时，先到达与前一个第一轨迹点距离最接近的线目标的其中一个第一轨迹点处，然后沿着架空线路的方向依次经过所述线目标中的所有第二轨迹点，最后达到线目标中的另外一个第一轨迹点处。

3.根据权利要求2所述的无人机巡线航迹规划方法，其特征在于：所述面目标中航路点的生成方法如下：

(1)通过所述面目标的地图获取所述面目标的轮廓及其区域；

(2)定义无人机在固定巡线高度状态下对面目标巡线区域的视野直径长度为d，以

为网格宽度对所述面目标的区域进行进行网格化处理；

(3)获取位于所述面目标的轮廓内的网格的所有顶点；所述顶点即为所述航路点。

4.根据权利要求3所述的无人机巡线航迹规划方法，其特征在于：无人机遍历所述航路点的路径通过欧拉路径算法获取。

5.根据权利要求1所述的无人机巡线航迹规划方法，其特征在于：所述预设路径的生成方法如下：

(1)建立一个轨迹点集，所述轨迹点集在初始状态下包含当前目标巡线区域内的所有第一轨迹点；

(2)建立一个完成点集，所述完成点集在初始状态下为空集；

(3)确定预设路径的起始点后，将起始点对应的所述第一轨迹点从轨迹点集中移除，并添加到完成点集中；

(4)然后判断所述起始点是否为某个线目标中的第一轨迹点：

(ⅰ)是则确定所述线目标中的另一个第一轨迹点为下一第一轨迹点；

(ⅱ)否则将轨迹点集中与所述起始点位置最接近第一轨迹点作为下一轨迹点；

(5)将上步骤确定的下一轨迹点作为起始点，并返回执行步骤(3)-(4)，直到所述轨迹点集中的所有第一轨迹点均被移除变为空集；

(6)记录所述轨迹点集变为空集过程中各个第一轨迹点的移除顺序，得到一个第一轨迹点队列；对所述第一轨迹点队列中的相邻两个第一轨迹点的空间位置进行连线，得到的路径即为所述预设路径。

6.根据权利要求1所述的无人机巡线航迹规划方法，其特征在于：所述无人机换电站均匀分布在待执行巡线任务的所有区域内；无人机换电站内的管理人员为进入站点内的无人机更换电池。

7.根据权利要求1所述的无人机巡线航迹规划方法，其特征在于：无人机在飞行过程中根据一个预设高度对自身的飞行高度进行调节，并保持无人机与下方的电力设备的高度差保持在预设高度的误差范围内。

8.一种无人机巡线航迹规划系统，其特征在于，所述规划系统采用如权利要求1-7任意一项所述的无人机巡线航迹规划方法生成自身的飞行路径；所述规划系统包括：

地图获取模块，其用于获取无人机负责巡视的目标巡线区域的地图，所述地图中包含所述目标巡线区域内的所有电力设施和无人机换电站的位置坐标；

第一轨迹点生成模块，其用于获取所述目标巡线区域内的所有第一轨迹点；定义所述电力设施中的各个零星电力设备为点目标；定义穿越所述目标巡线区域的电力架空线路为线目标；定义包含多个集中的电力设备的电力设施站点为面目标；所述目标巡线区域内的第一轨迹点包括：所有点目标中心处的位置坐标点；所有线目标的两端点处的位置坐标点；表征各个面目标位置的一个位置坐标点；

第二轨迹点生成模块，其用于获取所述目标巡线区域内的所有第二轨迹点；所述第二轨迹点包括：所有点目标的第一轨迹点；所有线目标中包含的各个电力塔杆的位置坐标；所有面目标中包含的各个航路点；

预设路径生成模块，其用于根据获取的各个第一轨迹点生成一个预设的飞行路径，所述预设路径为遍历所述目标巡线区域内所有电力设施的最佳飞行路径，所述预设路径的生成方法如下：(1)建立一个轨迹点集，所述轨迹点集在初始状态下包含当前目标巡线区域内的所有第一轨迹点；(2)建立一个完成点集，所述完成点集在初始状态下为空集；(3)确定预设路径的起始点后，将起始点对应的所述第一轨迹点从轨迹点集中移除，并添加到完成点集中；(4)然后判断所述起始点是否为某个线目标中的第一轨迹点：是则确定所述线目标中的另一个第一轨迹点为下一第一轨迹点；否则将轨迹点集中与所述起始点位置最接近第一轨迹点作为下一轨迹点；(5)将上步骤确定的下一轨迹点作为起始点，并返回执行步骤(3)-(4)，直到所述轨迹点集中的所有第一轨迹点均被移除变为空集；(6)记录所述轨迹点集变为空集过程中各个第一轨迹点的移除顺序，得到一个第一轨迹点队列；对所述第一轨迹点队列中的相邻两个第一轨迹点的空间位置进行连线，得到的路径即为所述预设路径；

换电判别模块，其用于在无人机到达任意一个第二轨迹点时判定无人机是否需要进行电池更换：是则到达最近的无人机换电站，否则飞往下一个第二轨迹点；以及

真实路径控制模块，其用于控制所述无人机的飞行路径，所述真实路径控制模块的控制方法如下：(1)获取预设路径生成模块生成的预设路径；(2)将预设路径中的各个线目标的路径替换为依次经过相应线目标中的所有第二轨迹点的路径；(3)在预设路径中的各个面目标处，增加遍历所述面目标中所有第二轨迹点的路径；(4)控制无人机按照(3)中调整后的路径进行飞行，并在飞行路径到达任意一个第二轨迹点时，获取换电判别模块的判定结果，对当前飞行路径进行调整。

9.根据权利要求8所述的无人机巡线航迹规划系统，其特征在于：所述换电判别模块通过如下步骤判定是否需要进行电池更换：

分别获取：无人机的当前剩余航程K；当前第二轨迹点a对应的下一第二轨迹点b的位置，以及当前第二轨迹点a与下一第二轨迹点b之间的距离L1；与当前第二轨迹点a最接近的补给点n的位置；与所述下一轨迹点b最接近的补给点m的位置，以及下一轨迹点b与补给点m之间的距离L2；

根据获取的数据作出如下判断和决策：

(Ⅰ)当K＞L1+L2时，无人机继续飞行至下一第二轨迹点b；

(Ⅱ)当K≤L1+L2时，无人机飞行至补给点n；并在完成电池更换或充电后回到当前第二轨迹点a，然后继续飞行至下一第二轨迹点b。

10.根据权利要求8所述的无人机巡线航迹规划系统，其特征在于：所述第二轨迹点生成模块中还包括一个航路点生成子单元，所述航路点生成子单元用于获取各个面目标中的航路点，所述航路点生成子单元生成各个航路点的方法如下：

(1)通过所述面目标的地图获取所述面目标的轮廓及其区域；

(2)定义无人机在固定巡线高度状态下对面目标巡线区域的视野直径长度为d，以

为网格宽度对所述面目标的区域进行进行网格化处理；

(3)获取位于所述面目标的轮廓内的网格的所有顶点；所述顶点即为所述航路点。

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