CN115291626A - 一种无人机电缆巡航监控路径规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人机电缆巡航监控路径规划方法，根据电网电缆分布情况，将障碍物和电缆塔杆位置进行标记并在计算机地图上设置圆柱形柱桩，确定无人机巡航的最大巡航范围、最大巡航时间和极端环境判别参数，以电缆塔杆的圆柱形柱桩的圆面中心记录三维坐标，确定巡航监控路径范围内的电缆塔杆数量，同时生成一条三维巡航路线L，根据不同无人机型号，设置安全监控距离，无人机实际飞行过程中的高度偏差，形成新巡航路线Lp；在无人机约束条件预设值的情况下，进行巡航路径规划，实现电缆巡航监控路径适用于各种不同的巡航环境，提高巡航效率，对电缆进行实时损坏度评估，减少人工检测带来的误判，减少资源浪费，提高维修人员的工作效率。

Description

一种无人机电缆巡航监控路径规划方法

技术领域

本发明涉及无人机技术领域，尤其是涉及一种无人机电缆巡航监控路径规划方法。

背景技术

随着智能设备的发展，无人机技术也在日常生产的各个领域，如航拍、农业、快递运输、灾难救援、野生动物观测、传染病监控、测绘、新闻报道、电力巡检、救灾、影视拍摄等诸多领域有着广泛的应用。

电缆供电是现代生活最常见的供电手段，而电缆的磨损检查费时费力，且很多细微的电缆异常不易被操作工人发现，因此，利用无人机的航拍摄像头对电缆线路的巡航监控并对该巡航路径进行规划对电缆线路的检修有着重大的意义。

此外，在实际应用场景中，往往受到电池技术的限制，无人机的续航时间非常有限，为了使无人机能够长时间的自动巡航，通常在某一固定位置设置有自动充电设备，无人机在电量不足时返回自动充电设备进行充电，并在充电完成后继续进行巡航，延长了无人机的工作时间；然而，现有技术中因无人机需要返回自动充电设备进行充电，导致无人机仅能在以自动充电设备为中心的一段范围内进行巡航，限制了无人机的巡航范围。

例如，一种在中国专利文献上公开的“一种无人机路径规划方法”，其公开号为CN112327907A，包括无人机需要返回自动充电设备进行充电，导致无人机仅能在以自动充电设备为中心的一段范围内进行巡航，限制了无人机的巡航范围的问题。

发明内容

本发明是为了克服现有技术中，无法合理地利用无人机的航拍摄像头对电缆线路的巡航监控并对该巡航路径进行规划，且无人机受到电池技术的限制，续航时间非常有限的问题，提供一种无人机电缆巡航监控路径规划方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种无人机电缆巡航监控路径规划方法，包括以下步骤：

步骤SA1：记录电网电缆的分布情况，将所有障碍物、电缆塔杆的位置坐标上传到无人机机载计算机中，在无人机机载计算机的地图上设置圆柱形柱桩包裹障碍物和电缆塔杆；

步骤SA2：确定无人机巡航约束条件和无人机续航能力的约束条件，即确定无人机的最大巡航范围lmax、最大巡航时间tmax和极端环境判别参数Tex，；

步骤SA3：根据步骤SA2中的约束条件，以电缆塔杆的圆柱形柱桩的圆面中心记录三维坐标为（xi，yi，zi），以障碍物的圆柱形柱桩的圆面中心记录平面二维坐标为（xj，yj，zj）,其中，xi为第i个塔杆经度，yi为第i个塔杆纬度，zi为第i个塔杆顶端水平高度；

步骤SA4：根据步骤S2中获得的电缆塔杆二维坐标（xi，yi，zi），确定巡航监控路径范围内的电缆塔杆数量i（i=1,2,3,…n），同时生成一条三维巡航路线L（x1，y1，z1，x2，y2，z2，x3，y3，z3,…xn，yn，zn），所述巡航路线L以以下逻辑生成：以坐标为（x1，y1，z1）的塔杆为起点，距离（x1，y1，z1）最近的塔杆标记为（x2，y2，z2），距离（x2，y2，z2）最近的塔杆标记为（x3，y3，z3），以此类推，距离（xn-1，yn-1，zn-1）最近的塔杆标记为（xn，yn，zn），其中任意一条塔杆在标记过程中只标记一次；

步骤SA5：根据不同无人机型号，设置安全监控距离为a，无人机实际飞行过程中的高度偏差为b，将a，b加入巡航路线L，形成新巡航路线Lp（x1，y1+a+b，z1，x2，y2+a+b，z2，x3，y3+a+b，z3,…xn，yn+a+b，zn）,以Lp做为实际的巡航监控路线。

在上述过程中，在无人机进行规划路径的巡航监控前，先进行无人机约束条件的预设值，包括以下内容：

A.假设无人机在各节点间按照可行的最短路径飞行，在整个路网规划中最短路径不变，且路径规划前可获知准确的最短路径路程；

B.假设无人机以指定的巡航速度、巡航高度进行巡航飞行，且续航时间、巡航路程数固定不变；

C.路径规划前，获取每一个电缆塔柱的位置、形状和分布状态；

D.路径规划前进行环境检测，以确定极端环境对无人机飞行时间、飞行空间和飞行状态的影响范围和影响程度。

通过最短路径路程得到无人机的在正常环境下的最大巡航范围lmax、最大巡航时间tmax；以及极端环境阈值Tex和在极端环境状态下的最大巡航范围lmax、最大巡航时间tmax；进而更好地对无人机的巡航路径和无人机的充电阈值进行正常状态和极端环境状态的分别设定，智能调整无人机的工作时间和巡航路径规划。

作为优选，所述路径规划方法还包括无人机充电基点的坐标规划，包括以下步骤：

步骤SB1：获取步骤SA3和步骤SA4中记录的塔杆坐标数据；

步骤SB2：根据（x1，y1，z1），（x2，y2，z2）和（x3，y3，z3）三点的坐标，将三个位置两两连接形成三角型区域，在这个三角型区域的重心位置，设置无人机充电基点，其坐标为P1（（x1+x2+x3）/3，（y1+y2+y3）/3，（z1+z2+z3）/3）;

步骤SB3：每个基点的三角型区域的最后一个坐标点设置为下一个三角型区域的初始坐标点，即P1（（x1+x2+x3）/3，（y1+y2+y3）/3，（z1+z2+z3）/3），P2（（x3+x4+x5）/3，（y3+y4+y5）/3，（z3+z4+z5）/3）…，Pn（（x2n-1+x2n+x2n+1）/3，（y2n-1+y2n +y2n+1）/3，（z2n -1+z2n +z2n+1）/3）。

以三个电缆塔杆坐标为基础设置三角型区域，以该三角型区域的重心为充电基点坐标，减少无人机达到充电阈值时回到基点进行充电的路径，提高无人机的巡航效率，降低资源浪费。

作为优选，所述基点还包括无人机巡航控制设备，实时采集无人机的当前电量和接收无人机到的电缆损坏状态数据，对无人机进行续航或回航充电的指令。

作为优选，所述无人机巡航过程中，接收当前三角型区域基点发送的控制信号，当无人机电量不足或接收到基点发送的紧急改航信号时，回到三角区内的基点进行充电或新的航线数据，重新进行巡航。

作为优选，所述无人机包括基点测距模块，实时计算当前无人机位置与当前三角型区域内基点和相邻三角型区域基点的距离，当无人机处于电缆塔杆处接收到基点发送的返航信号时，选择离当前无人机所处位置最近的基点进行返航操作。

对充电基点和巡航路径进行距离规划，减少无人机在智能巡航过程中的充电路程，提高无人机巡航效率，减少因为无人机受到电池技术的限制，续航时间非常有限所带来效率的影响。

作为优选，所述无人机对电缆的被检测数据包括电缆向下曲度、电缆表面反光度和当前通电状态下电缆的表面温度。

作为优选，所述无人机采集的实时电缆的被检测数据发送回基站进行加权数值评分，当数值评分达到损坏阈值，则由无人机将该条电缆相邻的两个电缆塔杆坐标发送到维护中心，并对该条电缆做上标记，记录每一条电缆的维修次数和维修情况。

利用无人机上自带的摄像机，对电缆进行实时检测，并记录当前电缆的物理状态，将电缆的向下曲度、表面橡胶反光度和电缆表面温度进行计分制加权综合评估，得到一个损坏评分，并将该评分与预设值的损坏阈值评分进行比对，快速反馈巡航过程中被检测电缆的损坏状态，并发送损坏位置、损坏程度到维修人员处，减少人工检测带来的误判，从而降低资源浪费，提高维修人员的工作效率。

因此，本发明的有益效果如下所示：

在无人机约束条件预设值的情况下，进行巡航路径规划，实现电缆巡航监控路径适用于各种不同的巡航环境，提高巡航效率；

对电缆塔杆坐标进行取点划分三角区域，以三角区域的重心为充电和信号基点位置，提高无人机充电和信息交互效率，降低无人机因受到电池技术的限制，续航时间非常有限所带来的续航影响；

对电缆进行实时损坏度评估，对电缆的损坏度有准确的数据参照和定位，减少人工检测带来的误判，减少资源浪费，提高维修人员的工作效率。

附图说明

图1是本发明的巡航线路规划模型建立流程图；

图2是本发明的无人机充电基点位置规划流程图；

图3是本发明的充电及信号基点位置规划示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步具体的描述。

如图1所示，一种无人机电缆巡航监控路径规划方法，包括以下步骤：

步骤SA1：记录电网电缆的分布情况，将所有障碍物、电缆塔杆的位置坐标上传到无人机机载计算机中，在无人机机载计算机的地图上设置圆柱形柱桩包裹障碍物和电缆塔杆；

步骤SA2：确定无人机巡航约束条件和无人机续航能力的约束条件，即确定无人机的最大巡航范围lmax、最大巡航时间tmax和极端环境判别参数Tex，；

步骤SA3：根据步骤SA2中的约束条件，以电缆塔杆的圆柱形柱桩的圆面中心记录三维坐标为（xi，yi，zi），以障碍物的圆柱形柱桩的圆面中心记录平面二维坐标为（xj，yj，zj）,其中，xi为第i个塔杆经度，yi为第i个塔杆纬度，zi为第i个塔杆顶端水平高度；

步骤SA4：根据步骤S2中获得的电缆塔杆二维坐标（xi，yi，zi），确定巡航监控路径范围内的电缆塔杆数量i（i=1,2,3,…n），同时生成一条三维巡航路线L（x1，y1，z1，x2，y2，z2，x3，y3，z3,…xn，yn，zn），所述巡航路线L以以下逻辑生成：以坐标为（x1，y1，z1）的塔杆为起点，距离（x1，y1，z1）最近的塔杆标记为（x2，y2，z2），距离（x2，y2，z2）最近的塔杆标记为（x3，y3，z3），以此类推，距离（xn-1，yn-1，zn-1）最近的塔杆标记为（xn，yn，zn），其中任意一条塔杆在标记过程中只标记一次；

步骤SA5：根据不同无人机型号，设置安全监控距离为a，无人机实际飞行过程中的高度偏差为b，将a，b加入巡航路线L，形成新巡航路线Lp（x1，y1+a+b，z1，x2，y2+a+b，z2，x3，y3+a+b，z3,…xn，yn+a+b，zn）,以Lp做为实际的巡航监控路线。

在上述过程中，在无人机进行规划路径的巡航监控前，先进行无人机约束条件的预设值，包括以下内容：

A.假设无人机在各节点间按照可行的最短路径飞行，在整个路网规划中最短路径不变，且路径规划前可获知准确的最短路径路程；

B.假设无人机以指定的巡航速度、巡航高度进行巡航飞行，且续航时间、巡航路程数固定不变；

C.路径规划前，获取每一个电缆塔柱的位置、形状和分布状态；

D.路径规划前进行环境检测，以确定极端环境对无人机飞行时间、飞行空间和飞行状态的影响范围和影响程度。

通过最短路径路程得到无人机的在正常环境下的最大巡航范围lmax、最大巡航时间tmax；以及极端环境阈值Tex和在极端环境状态下的最大巡航范围lmax、最大巡航时间tmax；进而更好地对无人机的巡航路径和无人机的充电阈值进行正常状态和极端环境状态的分别设定，智能调整无人机的工作时间和巡航路径规划。

如图2所示，所述路径规划方法还包括无人机充电基点的坐标规划，包括以下步骤：

步骤SB1：获取步骤SA3和步骤SA4中记录的塔杆坐标数据；

步骤SB2：根据（x1，y1，z1），（x2，y2，z2）和（x3，y3，z3）三点的坐标，将三个位置两两连接形成三角型区域，在这个三角型区域的重心位置，设置无人机充电基点，其坐标为P1（（x1+x2+x3）/3，（y1+y2+y3）/3，（z1+z2+z3）/3）;

步骤SB3：每个基点的三角型区域的最后一个坐标点设置为下一个三角型区域的初始坐标点，即P1（（x1+x2+x3）/3，（y1+y2+y3）/3，（z1+z2+z3）/3），P2（（x3+x4+x5）/3，（y3+y4+y5）/3，（z3+z4+z5）/3）…，Pn（（x2n-1+x2n+x2n+1）/3，（y2n-1+y2n +y2n+1）/3，（z2n -1+z2n +z2n+1）/3）。

以三个电缆塔杆坐标为基础设置三角型区域，以该三角型区域的重心为充电基点坐标，减少无人机达到充电阈值时回到基点进行充电的路径，提高无人机的巡航效率，降低资源浪费。

所述基点还包括无人机巡航控制设备，实时采集无人机的当前电量和接收无人机到的电缆损坏状态数据，对无人机进行续航或回航充电的指令。

所述无人机巡航过程中，接收当前三角型区域基点发送的控制信号，当无人机电量不足或接收到基点发送的紧急改航信号时，回到三角区内的基点进行充电或新的航线数据，重新进行巡航。

所述无人机包括基点测距模块，实时计算当前无人机位置与当前三角型区域内基点和相邻三角型区域基点的距离，当无人机处于电缆塔杆处接收到基点发送的返航信号时，选择离当前无人机所处位置最近的基点进行返航操作。

对充电基点和巡航路径进行距离规划，减少无人机在智能巡航过程中的充电路程，提高无人机巡航效率，减少因为无人机受到电池技术的限制，续航时间非常有限所带来效率的影响。

所述无人机对电缆的被检测数据包括电缆向下曲度、电缆表面反光度和当前通电状态下电缆的表面温度。

所述无人机采集的实时电缆的被检测数据发送回基站进行加权数值评分，当数值评分达到损坏阈值，则由无人机将该条电缆相邻的两个电缆塔杆坐标发送到维护中心，并对该条电缆做上标记，记录每一条电缆的维修次数和维修情况。

利用无人机上自带的摄像机，对电缆进行实时检测，并记录当前电缆的物理状态，将电缆的向下曲度、表面橡胶反光度和电缆表面温度进行计分制加权综合评估，得到一个损坏评分，并将该评分与预设值的损坏阈值评分进行比对，快速反馈巡航过程中被检测电缆的损坏状态，并发送损坏位置、损坏程度到维修人员处，减少人工检测带来的误判，从而降低资源浪费，提高维修人员的工作效率。

在上述对电缆物理状态的检测评估中，设置各项检测数值的额定阈值或常驻阈值，当偏离额定阈值20%以内，每提高0.5%，内置的数据异常计分增加1；当偏离当前设定阈值20%-35%时，每提高0.25%，内置的数据异常计分增加1；当偏离当前设定阈值超过35%，直接通过通讯模块向风险评估模块发送数据异常信号，进行风险评估。当数据异常计分在30以内，则风险评估为“不严重”，记为D级故障；当数据异常计分在30-50，则风险评估为“较严重”，记为C级故障；当数据异常计分在50-75，则风险评估为“严重”记为B级故障；当数据异常计分超过75或当前数据偏离设定阈值超过35%，则风险评估为“非常严重”，记为A级故障；在对数据异常计分的同时，同时记录当前发生采集数据异常的位置，并对发生异常的位置进行重要程度划分。

通过对数据异常程度和产生位置的综合判断，将数据异常情况分为8个等级，进行报警处理的同时将上述故障等级和故障记录进行历史数据记录，无人机将这些数据实时发送到充电基站，每一个月进行数据更替，最多数据存储周期为一年，方便后续划分易损坏区域，减少维修工作人员的工作负担。

以上依据图式所示的实施例详细说明了本发明的构造、特征及作用效果，但以上仅为本发明的较佳实施例，需要言明的是，上述实施例及其优选方式所涉及的技术特征，本领域技术人员可以在不脱离、不改变本发明的设计思路以及技术效果的前提下，合理地组合搭配成多种等效方案；因此，本发明不以图面所示限定实施范围，凡是依照本发明的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种无人机电缆巡航监控路径规划方法，其特征是，包括以下步骤

步骤SA1：记录电网电缆的分布情况，将所有障碍物、电缆塔杆的位置坐标上传到无人机机载计算机中，在无人机机载计算机的地图上设置圆柱形柱桩包裹障碍物和电缆塔杆；

步骤SA2：确定无人机的最大巡航范围lmax、最大巡航时间tmax和极端环境判别参数Tex；

步骤SA3：根据步骤SA2中的约束条件，以电缆塔杆的圆柱形柱桩的圆面中心记录三维坐标为（xi，yi，zi），以障碍物的圆柱形柱桩的圆面中心记录平面二维坐标为（xj，yj，zj）,其中，xi为第i个塔杆经度，yi为第i个塔杆纬度，zi为第i个塔杆顶端水平高度；

步骤SA4：根据步骤S2中获得的电缆塔杆二维坐标（xi，yi，zi），确定巡航监控路径范围内的电缆塔杆数量i（i=1,2,3,…n），同时生成一条三维巡航路线L（x1，y1，z1，x2，y2，z2，x3，y3，z3,…xn，yn，zn），所述巡航路线L以以下逻辑生成：以坐标为（x1，y1，z1）的塔杆为起点，距离（x1，y1，z1）最近的塔杆标记为（x2，y2，z2），距离（x2，y2，z2）最近的塔杆标记为（x3，y3，z3），以此类推，距离（xn-1，yn-1，zn-1）最近的塔杆标记为（xn，yn，zn），其中任意一条塔杆在标记过程中只标记一次；

步骤SA5：根据不同无人机型号，设置安全监控距离为a，无人机实际飞行过程中的高度偏差为b，将a，b加入巡航路线L，形成新巡航路线Lp（x1，y1+a+b，z1，x2，y2+a+b，z2，x3，y3+a+b，z3,…xn，yn+a+b，zn）,以Lp做为实际的巡航监控路线。

2.根据权利要求1所述的一种无人机电缆巡航监控路径规划方法，其特征是，所述路径规划方法还包括无人机充电基点的坐标规划，包括以下步骤：

步骤SB1：获取步骤SA3和步骤SA4中记录的塔杆坐标数据；

步骤SB2：根据（x1，y1，z1），（x2，y2，z2）和（x3，y3，z3）三点的坐标，将三个位置两两连接形成三角型区域，在这个三角型区域的重心位置，设置无人机充电基点，其坐标为P1（（x1+x2+x3）/3，（y1+y2+y3）/3，（z1+z2+z3）/3）;

步骤SB3：每个基点的三角型区域的最后一个坐标点设置为下一个三角型区域的初始坐标点，即P1（（x1+x2+x3）/3，（y1+y2+y3）/3，（z1+z2+z3）/3），P2（（x3+x4+x5）/3，（y3+y4+y5）/3，（z3+z4+z5）/3）…，Pn（（x2n-1+x2n+x2n+1）/3，（y2n-1+y2n +y2n+1）/3，（z2n -1+z2n+z2n+1）/3）。

3.根据权利要求1或2所述的一种无人机电缆巡航监控路径规划方法，其特征是，所述基点还包括无人机巡航控制设备，实时采集无人机的当前电量和接收无人机到的电缆损坏状态数据，对无人机进行续航或回航充电的指令。

4.根据权利要求3所述的一种无人机电缆巡航监控路径规划方法，其特征是，所述无人机巡航过程中，接收当前三角型区域基点发送的控制信号，当无人机电量不足或接收到基点发送的紧急改航信号时，回到三角区内的基点进行充电或新的航线数据，重新进行巡航。

5.根据权利要求2或3或4所述的一种无人机电缆巡航监控路径规划方法，其特征是，所述无人机包括基点测距模块，实时计算当前无人机位置与当前三角型区域内基点和相邻三角型区域基点的距离，当无人机处于电缆塔杆处接收到基点发送的返航信号时，选择离当前无人机所处位置最近的基点进行返航操作。

6.根据权利要求1所述的一种无人机电缆巡航监控路径规划方法，其特征是，所述无人机对电缆的被检测数据包括电缆向下曲度、电缆表面反光度和当前通电状态下电缆的表面温度。

7.根据权利要求4或6所述的一种无人机电缆巡航监控路径规划方法，其特征是，所述无人机采集的实时电缆的被检测数据发送回基站进行加权数值评分，当数值评分达到损坏阈值，则由无人机将该条电缆相邻的两个电缆塔杆坐标发送到维护中心，并对该条电缆做上标记，记录每一条电缆的维修次数和维修情况。

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