CN115046531A - 一种基于无人机的杆塔测量方法、电子平台和存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无人机的杆塔测量方法、电子平台和存储介质；方法包括以下步骤：坐标建立：选择第一目标杆塔，以第一目标杆塔底部为中心建立第一空间直角坐标系；无人机起升：启动无人机，所述无人机上搭载有云台镜头，记录无人机的起升坐标；正射对准：控制无人机移动至杆塔正上方的第一位置，拍摄第一杆塔图像；倾斜对准：控制无人机在水平方向上移动至第二位置，拍摄第二杆塔图像；坐标解算：通过第一位置的坐标、第二位置的坐标和云台镜头的转角，解算杆塔的物理信息。本发明通过数学方法计算获取杆塔的三维坐标和杆塔的海拔高程，还可通过调节靶环大小改变测量精度，并在各个测量点处拍摄照片留档；本发明广泛应用与杆塔测量领域。

Description

一种基于无人机的杆塔测量方法、电子平台和存储介质

技术领域

本发明涉及无人机技术领域，尤其是一种基于无人机的杆塔测量方法、设备和存储介质。

背景技术

目前，依托无人机从空中开展对地测量的手段主要有可见光倾斜摄影测量和激光雷达扫描测量两种方法。

可见光倾斜摄影测量是通过拍摄照片进行测量的方法。其利用相机的小孔成像原理，把照片中的像素点转化为空间三角形，再结合照片中的像控点(事先布设在被测区域内的色板)和相机坐标，解算出照片中目标点的坐标。由于该方法需要事先人工布设色板，并需要图形工作站和相关软件处理照片像素点之间的空间三角形，且测量值受天气和光照影响很大；因此可见光倾斜摄影的测量精度和效率存在很大问题。

激光雷达扫描测量是利用激光反射原理，计算发射点(激光雷达)与反射点(被测物体)之间的距离，并根据空间三角形的几何关系和雷达坐标，换算出反射点(被测点)的三维坐标。激光雷达较重且功耗大，需要中大型无人机开展作业，因此不适用于飞行障碍较多的作业场景。

目前市面上缺乏一种针对复杂飞行环境的杆塔测量方法，无法满足本领域的操作需求。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种基于无人机的杆塔测量方法、电子平台和存储介质。

本发明的第一方面提供了一种基于无人机的杆塔测量方法，包括以下步骤：

坐标建立：选择第一目标杆塔，以第一目标杆塔底部为中心建立第一空间直角坐标系；

无人机起升：启动无人机，所述无人机上搭载有云台镜头，记录无人机的起升坐标；

正射对准：控制无人机移动至杆塔正上方的第一位置，拍摄第一杆塔图像；

倾斜对准：控制无人机在水平方向上移动至第二位置，拍摄第二杆塔图像；

坐标解算：通过第一位置的坐标、第二位置的坐标和云台镜头的转角，解算杆塔的物理信息。

进一步地，所述第一空间直角坐标系的一条坐标轴与大地水准面垂直。

进一步地，所述正射对准，具体包括以下步骤：

在云台镜头中设置靶环，靶环的半径可调；

控制云台镜头的拍摄角度与大地水准面垂直；

控制无人机移动，使得杆塔顶端位于云台镜头靶环范围内；

将此时无人机的位置确定为第一位置；

拍摄第一杆塔图像。

进一步地，所述倾斜对准,具体包括以下步骤：

控制无人机在水平方向上移动至第二位置；

调整云台镜头的拍摄角度，使得杆塔顶端位于云台镜头靶环范围内；

拍摄第二杆塔图像。

进一步地，所述坐标解算，具体包括以下步骤：

获取第一位置的坐标(x1,y1,z1)、第二位置的坐标(x2,y2,z1)和云台镜头的转角θ；其中，z轴为所述空间直角坐标系中与大地水准面垂直的坐标轴；

通过以下公式计算第一位置和第二位置在大地水准面上的距离L：

通过以下公式计算无人机的海拔高度与杆塔高度的高差H：

得到杆塔顶端坐标(x1,y1,z1-H)和杆塔的海拔高程z1-H，作为杆塔的物理信息输出。

进一步地，在控制无人机移动时，如果移动路径上遇到障碍物，执行以下步骤：

通过云台镜头获取障碍物轮廓，判断障碍物轮廓与移动路径之间的位置关系；

与障碍物轮廓保持预设距离，跨越障碍物进行移动。

进一步地，在完成第一目标杆塔的测量之后，如果还有杆塔需要测量，执行以下步骤：

选择与第一目标杆塔距离最近的杆塔作为第二目标杆塔，以第二目标杆塔底部为中心建立第二空间直角坐标系；

将第一空间直角坐标系中的坐标换算至第二空间直角坐标系中；

基于第二空间直角坐标系执行正射对准、倾斜对准和坐标解算步骤，直至完成所有杆塔的测量；

如果没有杆塔需要测量，执行以下步骤：

控制无人机返回起升坐标位置，完成无人机降落。

进一步地，还包括以下步骤：

通过RTK定位对第一空间直角坐标系和第二空间直角坐标系进行校正。

本发明的第二方面公开了一种电子平台，包括以下模块；

坐标建立模块：所述坐标建立模块用于选择第一目标杆塔，以第一目标杆塔底部为中心建立第一空间直角坐标系；

无人机起升模块：所述无人机起升模块用于启动无人机，所述无人机上搭载有云台镜头，记录无人机的起升坐标；

正射对准模块：所述正射对准模块用于控制无人机移动至杆塔正上方的第一位置，拍摄第一杆塔图像；

倾斜对准模块：所述倾斜对准模块用于控制无人机在水平方向上移动至第二位置，拍摄第二杆塔图像；

坐标解算模块：所述坐标解算模块用于通过第一位置的坐标、第二位置的坐标和云台镜头的转角，解算杆塔的物理信息。

本发明第三方面公开了一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述存储介质存储有程序，所述程序被处理器执行实现一种基于无人机的杆塔测量方法。

本发明具有如下有益效果：本发明通过数学方法计算获取杆塔的三维坐标和杆塔的海拔高程，操作简单易用；还可通过调节靶环大小改变测量精度，并在各个测量点处拍摄照片留档；十分契合复杂环境下杆塔测量的使用需求。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例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申请的一些实施例，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是本发明一种基于无人机的杆塔测量方法基本流程图；

图2是本发明一种基于无人机的杆塔测量方法的一具体实施例中执行步骤流程；

图3是本发明一种基于无人机的杆塔测量方法的坐标解算示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

在实际的无人机测量工作中，常常需要对不同位置的单点(小于10cmX10cm的局部区域)，测量其三维坐标(如电力线路杆塔、通讯铁塔的顶部)。对于这类场景，如果综合考虑效率、便捷性、准确性三个方面，实施可见光倾斜摄影测量和激光雷达扫描测量会存在一定的成本过剩或是环境不兼容问题。

本实施例中以测量电力线路杆塔为例，描述了一种基于无人机的杆塔测量方法，如图1所示。本实施例具体包括以下步骤：

S1.坐标建立：选择第一目标杆塔，以第一目标杆塔底部为中心建立第一空间直角坐标系；

S2.无人机起升：启动无人机，无人机上搭载有云台镜头，记录无人机的起升坐标；

S3.正射对准：控制无人机移动至杆塔正上方的第一位置，拍摄第一杆塔图像；

S4.倾斜对准：控制无人机在水平方向上移动至第二位置，拍摄第二杆塔图像；

S5.坐标解算：通过第一位置的坐标、第二位置的坐标和云台镜头的转角，解算杆塔的物理信息。

本实施例的方法执行主体不限于人工执行或AI执行，下面以AI执行为例，具体论述各步骤具体内容：

S1.坐标建立：选择第一目标杆塔，以第一目标杆塔底部为中心建立第一空间直角坐标系。

步骤S1中，所需测量的杆塔信息通过与作业平台同步获取；在所需测量的杆塔信息大于一份时，本实施例AI通过距离判定确定测量顺序。杆塔的测量顺序可以由本领域技术人员根据自身需求决定，本申请在此不做限定。

确定第一目标杆塔后，以第一目标杆塔底部为中心建立第一空间直角坐标系。为方便后续坐标解算，第一空间直角坐标系中设置一条与大地水准面垂直的坐标轴；其余坐标轴可选与地球经线和纬线平行，即建立经纬度坐标系。使用x0y0z表示第一空间直角坐标系，其中z轴是与大地水准面垂直的坐标轴。

S2.无人机起升：启动无人机，无人机上搭载有云台镜头，记录无人机的起升坐标。

本实施例在步骤S2中描述所使用无人机信息。本实施例所使用无人机搭载GPS模块和云台镜头；通过GPS模块确定无人机的实时经纬度以及海拔高度，以便后续测算移动距离以及确定无人机在第一空间直角坐标系中的坐标；通过云台镜头对第一目标杆塔进行拍摄。

S3.正射对准，控制无人机移动至杆塔正上方的第一位置，拍摄第一杆塔图像。

正射对准具体包括以下步骤：

S3-1.在云台镜头中设置靶环，靶环的半径可调；

S3-2.控制云台镜头的拍摄角度与大地水准面垂直；

S3-3.控制无人机移动，使得杆塔顶端位于云台镜头靶环范围内；

S3-4.将此时无人机的位置确定为第一位置，记录第一位置的坐标(x1,y1,z1)；

S3-5.拍摄第一杆塔图像。

参考图3，本实施例在云台镜头中设置靶环，靶环可位于云台镜头中心位置或其他位置。由于靶环的大小和杆塔顶端的坐标精度直接相关，因此可通过设置靶环的大小控制测量精度，靶环越小则测量精度越高，测量时间越长；靶环越大则测量精度越低，测量时间越短。本实施例中控制云台镜头拍摄角度与大地水准面垂直，这样在杆塔顶端位于靶环之中时，可以用此刻无人机的水平面坐标表示杆塔顶端的水平面坐标。控制无人机飞行至杆塔顶端上方P1(x1,y1,z1)位置，通过图像识别深度学习方法识别杆塔顶端，当杆塔顶端位于云台镜头靶环之中时，可以认为无人机位于第一目标杆塔的正上方。第一目标杆塔的水平面坐标为(x1,y1)。无人机拍摄第一杆塔图像作为留档。

S4.倾斜对准：控制无人机在水平方向上移动至第二位置，拍摄第二杆塔图像。

倾斜对准具体包括以下步骤：

S4-1.控制无人机在水平方向上移动至第二位置，记录第二位置的坐标(x2,y2,z1)；

S4-2.调整云台镜头的拍摄角度，使得杆塔顶端位于云台镜头靶环范围内，记录云台镜头的转角θ；

S4-3.拍摄第二杆塔图像。

参考图3，本实施例在完成步骤S3，控制无人机悬停在同一高度后，控制无人机水平移动至P2(x2,y2,z1)位置。由于无人机为水平移动，因此P2位置和P1位置的z轴坐标(高程)是相同的。此时由于云台镜头朝向大地水准面拍摄，杆塔顶端必然不位于靶环之中，调整云台镜头的拍摄角度，令杆塔顶端重新位于靶环之中，记录云台镜头的转角θ。无人机拍摄第二杆塔图像作为留档。

S5.坐标解算：通过第一位置的坐标、第二位置的坐标和云台镜头的转角，解算杆塔的物理信息。

坐标解算具体包括以下步骤：

参考图3，在获取第一位置的坐标(x1,y1,z1)、第二位置的坐标(x2,y2,z1)和云台镜头的转角θ后，可以发现，围绕P1、P2和杆塔顶端形成了一个直角三角形。因此本实施例可以通过距离公式和三角函数计算得到杆塔顶端的坐标。

首先通过以下公式计算P1位置和P2位置在大地水准面上的距离L：

然后通过以下公式计算无人机的海拔高度与杆塔高度的高差H：

得到杆塔顶端坐标(x1,y1,z1-H)和杆塔的海拔高程z1-H。杆塔顶端坐标和杆塔的海拔高程作为杆塔的物理信息输出。

在一部分实施例中，可以在无人机中设置一个安全高差h，AI通过判断无人机的海拔高度与杆塔高度的高差H和安全高差h的大小确定测得的杆塔物理信息置信度。当H>h时，判断杆塔物理信息为可信的；当H<h时，判断飞行高度过低，测得的杆塔物理信息不可信，需要重新测量。

在本发明的另一些实

本实施例中针对一些测量过程中的突发情况设置了相应的预案。在控制无人机移动时，如果移动路径上遇到障碍物，执行以下步骤：

S6-1.通过云台镜头获取障碍物轮廓，判断障碍物轮廓与移动路径之间的位置关系；

S6-2.与障碍物轮廓保持预设距离，跨越障碍物进行移动。

由于无人机在测量过程中可能遇到建筑或是鸟类干扰测量，因此在无人机移动遭遇障碍物时，通过图像识别深度学习方法识别建筑物轮廓，并操作无人机与建筑物轮廓保持预设的距离进行作业。因此本实施例适用于飞行障碍较多的作业场景，可以实现自动避障。例如杆塔周围有大树干扰检测，则控制无人机与大树保持距离移动，避免无人机接触树叶而坠毁。

本实施例中，在完成第一目标杆塔的测量之后，将第一目标杆塔的物理信息在数据库中更新，并数据库中预先存储的杆塔所在位置海拔高度等地理位置信息，对测量的物理信息进行调整。

本实施例中，在完成第一目标杆塔的测量之后，如果还有杆塔需要测量，执行以下步骤：

选择与第一目标杆塔距离最近的杆塔作为第二目标杆塔，以第二目标杆塔底部为中心建立第二空间直角坐标系；

将第一空间直角坐标系中的坐标换算至第二空间直角坐标系中；

基于第二空间直角坐标系执行正射对准、倾斜对准和坐标解算步骤，直至完成所有杆塔的测量；

如果没有杆塔需要测量，执行以下步骤：

控制无人机返回起升坐标位置，完成无人机降落。

本实施例中目标杆塔的选择是本领域技术人员可以根据自身需求进行设定的，本实施例在此不作限定。

本实施例还可通过RTK(Real-time kinematic，实时动态)定位对第一空间直角坐标系和第二空间直角坐标系进行校正。由于坐标换算过程中可能存在一些误差，因此可通过与GPS系统通信，使用RTK定位对坐标系进行校正。

参考图2，以人工操作方式描述本实施例流程。本领域技术人员通过手机APP平台实现对无人机的控制操作。

2.1通过USB线缆或者wifi，建立手机APP与无人机之间的通讯连接；

2.2在APP中查看无人机的状态信息，如电机、电量、GPS、RTK等；

2.3用遥控器或者APP软件，遥控无人机飞往被测点上方附近；

2.4云台正射瞄准：调整云台镜头垂直向下，遥控微调无人机悬停在被测点正上方，此时被测点处于手机屏幕正中的圆圈内(下图中的红色圆圈)，点按APP的拍照按钮，APP软件记录下无人机当前悬停位置(空间位置P1)的三维坐标，同时遥控无人机拍摄一张云台角度为正射(垂直向下)的照片，作为存档文件。

2.5云台倾斜瞄准：保持无人机姿态不变，遥控无人机平移1～2米，重新调整云台镜头，使得目标点再次处于手机屏幕中心的圆圈内。此时再次点按APP的拍照按钮，APP软件再次记录无人机当前位置(空间位置P2)的三维坐标和云台的转动角度，同时遥控无人机拍摄第二张照片(云台角度为倾斜)。

2.6当前测量完成，遥控无人机飞往下一个目标测量点。

本实施例介绍了搭载一种基于无人机的杆塔测量方法的一种电子平台，包括以下模块；

坐标建立模块：坐标建立模块用于选择第一目标杆塔，以第一目标杆塔底部为中心建立第一空间直角坐标系；

无人机起升模块：无人机起升模块用于启动无人机，无人机上搭载有云台镜头，记录无人机的起升坐标；

正射对准模块：正射对准模块用于控制无人机移动至杆塔正上方的第一位置，拍摄第一杆塔图像；

倾斜对准模块：倾斜对准模块用于控制无人机在水平方向上移动至第二位置，拍摄第二杆塔图像；

坐标解算模块：坐标解算模块用于通过第一位置的坐标、第二位置的坐标和云台镜头的转角，解算杆塔的物理信息。

本发明实施例还公开了一种计算机程序产品或计算机程序，该计算机程序产品或计算机程序包括计算机指令，该计算机指令存储在计算机可读存储介质中。计算机设备的处理器可以从计算机可读存储介质读取该计算机指令，处理器执行该计算机指令，使得该计算机设备执行图1所示的方法。

在一些可选择的实施例中，在方框图中提到的功能/操作可以不按照操作示图提到的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能/操作，连续示出的两个方框实际上可以被大体上同时地执行或所述方框有时能以相反顺序被执行。此外，在本发明的流程图中所呈现和描述的实施例以示例的方式被提供，目的在于提供对技术更全面的理解。所公开的方法不限于本文所呈现的操作和逻辑流程。可选择的实施例是可预期的，其中各种操作的顺序被改变以及其中被描述为较大操作的一部分的子操作被独立地执行。

此外，虽然在功能性模块的背景下描述了本发明，但应当理解的是，除非另有相反说明，所述的功能和/或特征中的一个或多个可以被集成在单个物理装置和/或软件模块中，或者一个或多个功能和/或特征可以在单独的物理装置或软件模块中被实现。还可以理解的是，有关每个模块的实际实现的详细讨论对于理解本发明是不必要的。更确切地说，考虑到在本文中公开的装置中各种功能模块的属性、功能和内部关系的情况下，在工程师的常规技术内将会了解该模块的实际实现。因此，本领域技术人员运用普通技术就能够在无需过度试验的情况下实现在权利要求书中所阐明的本发明。还可以理解的是，所公开的特定概念仅仅是说明性的，并不意在限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求书及其等同方案的全部范围来决定。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”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。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨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，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种基于无人机的杆塔测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

坐标建立：选择第一目标杆塔，以第一目标杆塔底部为中心建立第一空间直角坐标系；

无人机起升：启动无人机，所述无人机上搭载有云台镜头，记录无人机的起升坐标；

正射对准：控制无人机移动至杆塔正上方的第一位置，拍摄第一杆塔图像；

倾斜对准：控制无人机在水平方向上移动至第二位置，拍摄第二杆塔图像；

坐标解算：通过第一位置的坐标、第二位置的坐标和云台镜头的转角，解算杆塔的物理信息。

2.根据权利要求1所述的一种基于无人机的杆塔测量方法，其特征在于，所述第一空间直角坐标系的一条坐标轴与大地水准面垂直。

3.根据权利要求2所述的一种基于无人机的杆塔测量方法，其特征在于，所述正射对准，具体包括以下步骤：

在云台镜头中设置靶环，靶环的半径可调；

控制云台镜头的拍摄角度与大地水准面垂直；

控制无人机移动，使得杆塔顶端位于云台镜头靶环范围内；

将此时无人机的位置确定为第一位置；

拍摄第一杆塔图像。

4.根据权利要求3所述的一种基于无人机的杆塔测量方法，其特征在于，所述倾斜对准,具体包括以下步骤：

控制无人机在水平方向上移动至第二位置；

调整云台镜头的拍摄角度，使得杆塔顶端位于云台镜头靶环范围内；

拍摄第二杆塔图像。

5.根据权利要求4所述的一种基于无人机的杆塔测量方法，其特征在于，所述坐标解算，具体包括以下步骤：

获取第一位置的坐标(x1,y1,z1)、第二位置的坐标(x2,y2,z1)和云台镜头的转角θ；其中，z轴为所述空间直角坐标系中与大地水准面垂直的坐标轴；

通过以下公式计算第一位置和第二位置在大地水准面上的距离L：

通过以下公式计算无人机的海拔高度与杆塔高度的高差H：

得到杆塔顶端坐标(x1,y1,z1-H)和杆塔的海拔高程z1-H，作为杆塔的物理信息输出。

6.根据权利要求1所述的一种基于无人机的杆塔测量方法，其特征在于，在控制无人机移动时，如果移动路径上遇到障碍物，执行以下步骤：

通过云台镜头获取障碍物轮廓，判断障碍物轮廓与移动路径之间的位置关系；

与障碍物轮廓保持预设距离，跨越障碍物进行移动。

7.根据权利要求1所述的一种基于无人机的杆塔测量方法，其特征在于，在完成第一目标杆塔的测量之后，如果还有杆塔需要测量，执行以下步骤：

选择与第一目标杆塔距离最近的杆塔作为第二目标杆塔，以第二目标杆塔底部为中心建立第二空间直角坐标系；

将第一空间直角坐标系中的坐标换算至第二空间直角坐标系中；

基于第二空间直角坐标系执行正射对准、倾斜对准和坐标解算步骤，直至完成所有杆塔的测量；

如果没有杆塔需要测量，执行以下步骤：

控制无人机返回起升坐标位置，完成无人机降落。

8.根据权利要求7所述的一种基于无人机的杆塔测量方法，其特征在于，还包括以下步骤：

通过RTK定位对第一空间直角坐标系和第二空间直角坐标系进行校正。

9.一种电子平台，其特征在于，包括以下模块；

坐标建立模块：所述坐标建立模块用于选择第一目标杆塔，以第一目标杆塔底部为中心建立第一空间直角坐标系；

无人机起升模块：所述无人机起升模块用于启动无人机，所述无人机上搭载有云台镜头，记录无人机的起升坐标；

正射对准模块：所述正射对准模块用于控制无人机移动至杆塔正上方的第一位置，拍摄第一杆塔图像；

倾斜对准模块：所述倾斜对准模块用于控制无人机在水平方向上移动至第二位置，拍摄第二杆塔图像；

坐标解算模块：所述坐标解算模块用于通过第一位置的坐标、第二位置的坐标和云台镜头的转角，解算杆塔的物理信息。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述存储介质存储有程序，所述程序被处理器执行实现如权利要求1-8中任一项所述的方法。

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