CN115629617A - 一种无人机塔杆巡检航线自动规划方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供的一种无人机杆塔巡检航线自动规划方法，根据塔型类型，自动识别待巡检的杆塔上的目标点，然后根据所述杆塔上的目标点，自动生成航线，减少人工操纵无人机干预过多的问题，并且，对输电线路上的多个杆塔统一进行航线规划，大大提高了无人机杆塔航线自动规划的效率。

Description

一种无人机塔杆巡检航线自动规划方法

技术领域

本发明属于航线规划技术领域，尤其涉及一种无人机杆塔巡检航线自动规划方法。

背景技术

对于输电线路的巡检主要是针对电力杆塔制定巡检任务，传统的巡检方式是采用人工巡检的方式，由巡检人员携带装备爬上电力杆塔上进行缺陷检查，杆塔的高度基本都超过10米，且塔身都带有高压电，再加上杆塔往往处于人迹罕至的深山或者高原地区，如果突发极端的天气情况，危险系数剧增，这些严酷的自然环境以及其他危险因素无时无刻不威胁着巡检人员的生命安全，同时还存在其它弊端，比如人工巡检的作业效率低下，巡检人员需要攀爬每一座电力杆塔，这本身效率就非常低。

正是由于人工巡检存在的一系列弊端，传统的电力杆塔巡检方式正在逐渐被摒弃，随着当今社会科技、工业的发展以及无人机技术的兴起，成功的给寻求高效率、安全的巡检方式带来了曙光。由于无人机成本低、体积以及重量小，可以远距离操控、定点悬停等特点，通过将无人机结合到电力杆塔巡检当中，有希望实现高效安全的巡检方式。

然而，在实际无人机巡检当中，目前仍然以手动控制为主，但是手动控制无人机巡检仍然存在许多不足之处。比如，若是在地理位置复杂的地方，难以携带设备近距离靠近电力杆塔，而人的视力范围有限，难以目测无人机和电力杆塔以及障碍物之间的距离，一旦操作不注意则很容易造成无人机撞毁等风险；并且手动控制无人机巡检时的航迹路线通常是杂乱、随机性比较强的，导致无人机巡检时的续航能力进一步降低，从而降低巡检的效率。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述技术方案的不足，提供一种无人机杆塔巡检航线自动规划方法，根据塔型类型，自动识别待巡检的杆塔上的目标点，然后根据所述杆塔上的目标点，自动生成航线，减少人工操纵无人机干预过多的问题，并且，对输电线路上的多个杆塔统一进行航线规划，大大提高了无人机杆塔航线自动规划的效率。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，为了实现上述目的，提供一种无人机杆塔巡检航线自动规划方法，包括以下步骤：

步骤1：判断需要巡检的杆塔塔型，根据所述杆塔塔型自动确定所述杆塔上待拍照的目标点；

具体地，若当前杆塔的杆塔类型是直线杆塔，则所述杆塔上待拍照的目标点包括绝缘子串、悬垂绝缘子横担端、挂点；

若当前杆塔的杆塔类型是耐张杆塔，则所述杆塔上待拍照的目标点包括耐张绝缘子横担端、耐张绝缘子串，挂点；

更进一步地，确定挂点具体包括：根据点云数据确定所述目标点，将所述杆塔点云图一分为二，面向大号侧，向左侧延伸或向右侧延伸都为塔外，即远离输电杆塔的方向，其中，小号侧、大号侧是依据实际线路走向塔号牌序号相对来进行确定的，例如：站在2号塔一侧，左侧为1，右侧为3，此时1为小号侧，3为大号侧；

已知输电杆塔塔型和横担中心点的基础上，以耐张绝缘子串为例，以横担中心点为基准，向大号侧、小号侧方向外延1/2塔头长度，等0.5m间隔划分提取点云，即：沿塔切面的法向量的正反两个方向构造延伸向量，在向量方向上等0.5m距离划分构造矩形范围，提取局部点云，当点云高程范围小于1.5m，同时外延距离大于1/4塔头长度时，则判断已找到左右挂点位置并记录，其中，耐张塔存在前后两组绝缘子单元，靠近塔号牌数字小的绝缘子单元为小号侧，另一侧为大号侧；

获取下挂点到所属横担中心点线段的中点，以此中点为中心构造半径为1.5m的球型范围，若该范围内点云个数大于1，则认为有跳线绝缘子并记录标记，否则不记录，记录的跳线绝缘子(也可为导线端挂点或跳线最低点)作为后续需要添加的跳线绝缘子拍照点，此处指提取结构点，针对不同的塔型描述会不同，比如：输电线路交流直线塔此处为导线端挂点，输电线路交流耐张塔此处为跳线，在后面的拍照点添加时会在此控制点的空间位置处添加对应拍照点点位，通过横担中心点提取跳线绝缘子，为关联提取的信息，先提取横担、再提取挂点的时候，以当前横担为基准提取到的挂点数据会记录所属横担ID，进行关系记录，方便关联计算；

以横担中心点为基准，按从下到上、从左到右、先小号侧后大号侧的顺序提取并组织记录挂点位置信息，该挂点包括之前的左右挂点及跳线绝缘子。输电杆塔一般存在多层横担，需要找到并记录每层横担的左右挂点以及跳线最低点；同时每个单元结构基本一样，重复执行找到并记录其余挂点位置信息；

步骤2：确定所述待拍照的目标点坐标；

为了实现对电力杆塔的自主巡检，需要规划好无人机巡检作业的航线，而航线是由一系列目标点坐标信息去约束的，因此，需要确定塔杆上待巡检的目标点坐标；

具体地，在确定所述目标点的坐标过程中，各地电力公司通常在建造电力杆塔时会有相对应的设计图纸，根据该设计图纸可以轻松得到电力杆塔的三维结构图，然后将无人机的起飞点作为坐标系的原点建立坐标系，然后选取所述塔杆上的两个明显的点作为约束点，比如说选择地线的挂点P₁和P₂，通过测量原点与P₁和P₂的x，y，z三个方向的距离，即可得到P₁和P₂在所述坐标系的坐标P₁（x₁，y₁，z₁）和P₂（x₂，y₂，z₂）；根据P₁和P₂即可得到所述塔杆的所有位置的坐标，最后根据该坐标系确定所有所述目标点的坐标；

步骤3：根据所述步骤2中确定的目标点坐标，自动生成所述无人机的飞行航线；

通常为了获得杆塔上目标点的高清晰度的图像，无人机的拍照点与所述目标点之间的距离越近越好，但是这在无形中可能会产生一些潜在的隐患，首先如果无人机与杆塔的距离过近，在遇到强风等恶劣天气时，无人机飞行时本身会产生抖动以及位置偏移，若没有足够的调整距离，很有可能无人机与杆塔会发生碰撞，造成不必要的损失。其次由于电力杆塔上的高压导线会产生电磁场，而无人机所搭载的各类设备会因为电磁干扰原因造成较大的数据误差，尤其是无人机的导航系统，如果无人机与杆塔距离过近，其受到强烈的电磁干扰不仅会影响巡检作业，而且可能导致无人机失稳、定位误差大等问题，从而可能造成无人机与杆塔相撞或者是坠机的情况，所以在生成无人机的飞行航线时，需要充分考虑上述的影响，根据一些巡检人员在巡检作业时得出的经验，无人机机身与电力杆塔之间的水平距离一般保持在8m左右，根据无人机机身与电力杆塔的水平距离自动生成所述无人机的航线，具体地，根据所述步骤2确定的目标点，设置目标点远离所述杆塔8m水平距离8m的点位拍照点，根据设置的多个所述拍照点生成所述无人机的航线。

在保证巡检工作安全完成的同时需要提高巡检的效率，毕竟受限于无人机的续航能力提高巡检效率能够减少每一座杆塔的巡检时间，因此如何将拍照点位置串联起来组成一条合理的巡检航迹显得尤为重要。

通常电力杆塔同一塔型是单线分布的，整体塔身主要结构是左右对称的，且高压线主要分布在塔身的两侧，这点由常见的鼓型塔可以看出，根据巡检要求以及整个电力杆塔的结构特点，在选择拍照点的位置时充分考虑了这些特点，所以将拍照点位置选择在杆塔的两侧，由此便避开输电线，在串联起这些拍照点也就是规划巡检航线时，需要充分考虑这些特点；

步骤4：检查所述航线与电线，树木之间的距离，判断所述距离是否满足飞行条件，若满足飞行条件，则进行下一步；若不满足飞行条件，则需要对航线进行修改在进行步骤4；

具体地，所述步骤4具体包括：对所述自动巡检航线进行安全检测，获取不满足所述输电杆塔的安全要求的拍照点区段，筛选出待调整拍照点；对所述待调整拍照点进行调整，具体地，可延长所述拍照点与所述目标点的水平距离，直至满足飞行条件；然后根据所述拍照点，自动生成巡检航线。

具体地，所述飞行条件具体为：无人机距离电线的最小安全距离应大于等于8米以及在航线上不存在树木障碍物；

步骤5：对一个杆塔规划完航线后，进行下一个杆塔的航线规划；直到规划完所有作业任务规定的需要巡检的杆塔。

具体地，当规划完一个杆塔的航线后，先不控制无人机起飞进行巡检，而是通过电力公司提供的杆塔建造图纸，确实下一个杆塔的坐标，进而执行步骤1-4，确定下一个杆塔的航线；直至作业要求里的所有杆塔航线均规划完，再控制无人机起飞进行巡检，即一次飞行，可以完成输电线路上多个杆塔的巡检，以提高巡检效率。

基于上述技术方案，本申请提供的一种无人机杆塔巡检航线自动规划方法，具有如下技术效果：根据塔型类型，自动识别待巡检的杆塔上的目标点，然后根据所述杆塔上的目标点，自动生成航线，减少人工操纵无人机干预过多的问题，并且，对输电线路上的多个杆塔统一进行航线规划，大大提高了无人机杆塔航线自动规划的效率。

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要介绍，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，对于本领域的普通技术人员来讲，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为本申请实施例提供的无人机杆塔巡检航线自动规划方法流程图；

图2为本申请实施例中提供的电力杆塔的三维结构图；

图3为本申请实施例中提供的多个杆塔分布图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

下面首先结合附图对本申请所涉及的概念进行说明。在此需要指出的是，以下对各个概念的说明，仅为了使本申请的内容更加容易理解，并不表示对本申请保护范围的限定。

在本实施例的实例中，为了实现上述目的，如图1所示，提供一种无人机杆塔巡检航线自动规划方法，包括以下步骤：

步骤1：判断需要巡检的杆塔塔型，根据所述杆塔塔型自动确定所述杆塔上待拍照的目标点；

具体地，若当前杆塔的杆塔类型是直线杆塔，则所述杆塔上待拍照的目标点包括绝缘子串、悬垂绝缘子横担端、挂点；

若当前杆塔的杆塔类型是耐张杆塔，则所述杆塔上待拍照的目标点包括耐张绝缘子横担端、耐张绝缘子串，挂点；

更进一步地，确定挂点具体包括：根据点云数据确定所述目标点，将所述杆塔点云图一分为二，面向大号侧，向左侧延伸或向右侧延伸都为塔外，即远离输电杆塔的方向，其中，小号侧、大号侧是依据实际线路走向塔号牌序号相对来进行确定的，例如：站在2号塔一侧，左侧为1，右侧为3，此时1为小号侧，3为大号侧；

已知输电杆塔塔型和横担中心点的基础上，以耐张绝缘子串为例，以横担中心点为基准，向大号侧、小号侧方向外延1/2塔头长度，等0.5m间隔划分提取点云，即：沿塔切面的法向量的正反两个方向构造延伸向量，在向量方向上等0.5m距离划分构造矩形范围，提取局部点云，当点云高程范围小于1.5m，同时外延距离大于1/4塔头长度时，则判断已找到左右挂点位置并记录，其中，耐张塔存在前后两组绝缘子单元，靠近塔号牌数字小的绝缘子单元为小号侧，另一侧为大号侧；

获取下挂点到所属横担中心点线段的中点，以此中点为中心构造半径为1.5m的球型范围，若该范围内点云个数大于1，则认为有跳线绝缘子并记录标记，否则不记录，记录的跳线绝缘子(也可为导线端挂点或跳线最低点)作为后续需要添加的跳线绝缘子拍照点，此处指提取结构点，针对不同的塔型描述会不同，比如：输电线路交流直线塔此处为导线端挂点，输电线路交流耐张塔此处为跳线，在后面的拍照点添加时会在此控制点的空间位置处添加对应拍照点点位，通过横担中心点提取跳线绝缘子，为关联提取的信息，先提取横担、再提取挂点的时候，以当前横担为基准提取到的挂点数据会记录所属横担ID，进行关系记录，方便关联计算；

以横担中心点为基准，按从下到上、从左到右、先小号侧后大号侧的顺序提取并组织记录挂点位置信息，该挂点包括之前的左右挂点及跳线绝缘子。输电杆塔一般存在多层横担，需要找到并记录每层横担的左右挂点以及跳线最低点；同时每个单元结构基本一样，重复执行找到并记录其余挂点位置信息；

步骤2：确定所述待拍照的目标点坐标；

为了实现对电力杆塔的自主巡检，需要规划好无人机巡检作业的航线，而航线是由一系列目标点坐标信息去约束的，因此，需要确定塔杆上待巡检的目标点坐标；

具体地，在确定所述目标点的坐标过程中，各地电力公司通常在建造电力杆塔时会有相对应的设计图纸，根据该设计图纸可以轻松得到电力杆塔的三维结构图，然后将无人机的起飞点作为坐标系的原点建立坐标系，然后选取所述塔杆上的两个明显的点作为约束点，比如说选择地线的挂点P1和P2，通过测量原点与P1和P2的x，y，z三个方向的距离，即可得到P1和P2在所述坐标系的坐标P1（x1，y1，z1）和P2（x2，y2，z2）；根据P1和P2即可得到所述塔杆的所有位置的坐标，最后根据该坐标系确定所有所述目标点的坐标；

步骤3：根据所述步骤2中确定的目标点坐标，自动生成所述无人机的飞行航线；

通常为了获得杆塔上目标点的高清晰度的图像，无人机的拍照点与所述目标点之间的距离越近越好，但是这在无形中可能会产生一些潜在的隐患，首先如果无人机与杆塔的距离过近，在遇到强风等恶劣天气时，无人机飞行时本身会产生抖动以及位置偏移，若没有足够的调整距离，很有可能无人机与杆塔会发生碰撞，造成不必要的损失。其次由于电力杆塔上的高压导线会产生电磁场，而无人机所搭载的各类设备会因为电磁干扰原因造成较大的数据误差，尤其是无人机的导航系统，如果无人机与杆塔距离过近，其受到强烈的电磁干扰不仅会影响巡检作业，而且可能导致无人机失稳、定位误差大等问题，从而可能造成无人机与杆塔相撞或者是坠机的情况，所以在生成无人机的飞行航线时，需要充分考虑上述的影响，根据一些巡检人员在巡检作业时得出的经验，无人机机身与电力杆塔之间的水平距离一般保持在8m左右，根据无人机机身与电力杆塔的水平距离自动生成所述无人机的航线；具体地，根据所述步骤2确定的目标点，设置目标点远离所述杆塔8m水平距离8m的点位拍照点，根据设置的多个所述拍照点生成所述无人机的航线。

在保证巡检工作安全完成的同时需要提高巡检的效率，毕竟受限于无人机的续航能力提高巡检效率能够减少每一座杆塔的巡检时间，因此如何将拍照点位置串联起来组成一条合理的巡检航迹显得尤为重要。

通常电力杆塔同一塔型是单线分布的，整体塔身主要结构是左右对称的，且高压线主要分布在塔身的两侧，这点由常见的鼓型塔可以看出，根据巡检要求以及整个电力杆塔的结构特点，在选择拍照点的位置时充分考虑了这些特点，所以将拍照点位置选择在杆塔的两侧，由此便避开输电线，在串联起这些拍照点也就是规划巡检航线时，需要充分考虑这些特点；

步骤4：检查所述航线与电线，树木之间的距离，判断所述距离是否满足飞行条件，若满足飞行条件，则进行下一步；若不满足飞行条件，则需要对航线进行修改在进行步骤4；

具体地，所述步骤4具体包括：对所述自动巡检航线进行安全检测，获取不满足所述输电杆塔的安全要求的拍照点区段，筛选出待调整拍照点；对所述待调整拍照点进行调整，具体地，可延长所述拍照点与所述目标点的水平距离，直至满足飞行条件然后根据所述拍照点，自动生成巡检航线。

具体地，所述飞行条件具体为：无人机距离电线的最小安全距离应大于等于8米以及在航线上不存在树木障碍物；

步骤5：对一个杆塔规划完航线后，进行下一个杆塔的航线规划；直到规划完所有作业任务规定的需要巡检的杆塔。

如附图3所示，将2861-2866号杆塔均进行航线规划，然后再启动无人机进行巡检；

具体地，当规划完一个杆塔的航线后，先不控制无人机起飞进行巡检，而是通过电力公司提供的杆塔建造图纸，确实下一个杆塔的坐标，进而执行步骤1-4，确定下一个杆塔的航线；直至作业要求里的所有杆塔航线均规划完，再控制无人机起飞进行巡检，即一次飞行，可以完成输电线路上多个杆塔的巡检，以提高巡检效率。

以上所述的实施例及/或实施方式，仅是用以说明实现本发明技术的较佳实施例及/或实施方式，并非对本发明技术的实施方式作任何形式上的限制，任何本领域技术人员，在不脱离本发明内容所公开的技术手段的范围，当可作些许的更动或修改为其它等效的实施例，但仍应视为与本发明实质相同的技术或实施例。

Claims (8)

1.一种无人机塔杆巡检航线自动规划方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：判断需要巡检的杆塔塔型，根据所述杆塔塔型自动确定所述杆塔上待拍照的目标点；

步骤2：确定所述待拍照的目标点坐标；

步骤3：根据所述步骤2中确定的目标点坐标，自动生成所述无人机的飞行航线；

步骤4：检查所述航线与电线，树木之间的距离，判断所述距离是否满足飞行条件，若满足飞行条件，则进行下一步；若不满足飞行条件，则需要对航线进行修改再进行步骤4；

步骤5：对一个杆塔规划完航线后，进行下一个杆塔的航线规划；直到规划完所有作业任务规定的需要巡检的杆塔。

2.根据权利要求1所述的无人机塔杆巡检航线自动规划方法，其特征在于，所述步骤1中，判断需要巡检的杆塔塔型，根据所述杆塔塔型自动确定所述杆塔上待拍照的目标点具体包括：

若当前杆塔的杆塔类型是直线杆塔，则所述杆塔上待拍照的目标点包括绝缘子串、悬垂绝缘子横担端、挂点；

若当前杆塔的杆塔类型是耐张杆塔，则所述杆塔上待拍照的目标点包括耐张绝缘子横担端、耐张绝缘子串、挂点。

3.根据权利要求2所述的无人机塔杆巡检航线自动规划方法，其特征在于，确定挂点为目标点具体包括：根据点云数据确定所述目标点，将所述杆塔点云图一分为二，面向大号侧，向左侧延伸或向右侧延伸都为塔外，即远离输电杆塔的方向，其中，小号侧、大号侧是依据实际线路走向塔号牌序号相对来进行确定的；

已知输电杆塔塔型和横担中心点的基础上，以横担中心点为基准，向大号侧、小号侧方向外延1/2塔头长度，等0.5m间隔划分提取点云，当点云高程范围小于1.5m，同时外延距离大于1/4塔头长度时，则判断已找到左右挂点位置并记录，其中，耐张塔存在前后两组绝缘子单元，靠近塔号牌数字小的绝缘子单元为小号侧，另一侧为大号侧；

获取下挂点到所属横担中心点线段的中点，以此中点为中心构造半径为1.5m的球型范围，若该范围内点云个数大于1，则认为有跳线绝缘子并记录标记，否则不记录，记录的跳线绝缘子作为后续需要添加的跳线绝缘子拍照点，此处指提取结构点，针对不同的塔型描述会不同，输电线路交流直线塔此处为导线端挂点，输电线路交流耐张塔此处为跳线，在后面的目标点添加时会在此控制点的空间位置处添加对应目标点点位，通过横担中心点提取跳线绝缘子，为关联提取的信息，先提取横担、再提取挂点的时候，以当前横担为基准提取到的挂点数据会记录所属横担ID，进行关系记录，方便关联计算；

以横担中心点为基准，按从下到上、从左到右、先小号侧后大号侧的顺序提取并组织记录挂点位置信息，该挂点包括之前的左右挂点及跳线绝缘子，输电杆塔一般存在多层横担，需要找到并记录每层横担的左右挂点以及跳线最低点；同时每个单元结构基本一样，重复执行找到并记录其余挂点位置信息。

4.根据权利要求1所述的无人机塔杆巡检航线自动规划方法，其特征在于， 所述步骤2中，确定所述待拍照的目标点坐标具体包括：

根据电力杆塔的设计图纸得到电力杆塔的三维结构图，然后将无人机的起飞点作为坐标系的原点建立坐标系，然后选取所述塔杆上地线的挂点P₁和P₂，通过测量原点与P₁和P₂的x，y，z三个方向的距离，即可得到P₁和P₂在所述坐标系的坐标P₁（x₁，y₁，z₁）和P₂（x₂，y₂，z₂）；根据P₁和P₂即可得到所述塔杆的所有位置的坐标，最后根据该坐标系确定所有所述目标点的坐标。

5.根据权利要求1所述的无人机塔杆巡检航线自动规划方法，其特征在于，所述步骤3：根据所述步骤2中确定的目标点坐标，自动生成所述无人机的飞行航线具体包括：

根据所述步骤2确定的目标点，设置目标点远离所述杆塔8m水平距离8m的点位拍照点，根据设置的多个所述拍照点生成所述无人机的航线。

6.根据权利要求1所述的无人机塔杆巡检航线自动规划方法，其特征在于，所述步骤4：检查所述航线与电线，树木之间的距离，判断所述距离是否满足飞行条件，若满足飞行条件，则进行下一步；若不满足飞行条件，则需要对航线进行修改在进行步骤4具体包括：

对所述自动巡检航线进行安全检测，获取不满足所述输电杆塔的安全要求的拍照点区段，筛选出待调整拍照点；对所述待调整拍照点进行调整，直至满足所述输电杆塔的安全距离要求；然后根据所述拍照点，自动生成巡检航线。

7.根据权利要求6所述的无人机塔杆巡检航线自动规划方法，其特征在于，所述飞行条件具体为：无人机距离电线的最小安全距离应大于等于8米以及在航线上不存在树木障碍物。

8.根据权利要求1所述的无人机塔杆巡检航线自动规划方法，其特征在于，步骤5：对一个杆塔规划完航线后，进行下一个杆塔的航线规划；直到规划完所有作业任务规定的需要巡检的杆塔具体包括：

当规划完一个杆塔的航线后，先不控制无人机起飞进行巡检，而是通过电力公司提供的杆塔建造图纸，确实下一个杆塔的坐标，进而执行步骤1-4，确定下一个杆塔的航线；直至作业要求里的所有杆塔航线均规划完，再控制无人机起飞进行巡检。

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