CN116774736B - 一种免预设航线的无人机自主巡检系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种免预设航线的无人机自主巡检系统及方法，包括识别杆塔塔顶圆心点位置及对绝缘子圆心数据，再让相机目标中心点与杆塔顶部中心点重合，而后控制无人机向正南方向平移距离k并定位至圆心位置后停止并记录俯角α，最后根据拍摄内容调整无人机机头及相机朝向；该方法可在无人机自动开展电力架空线路巡检飞行前，不需要人工通过其他方式提前定位飞行航点，减少配电网等大设备量无人机巡检作业的前期准备工作周期和成本投入，解决配电网线路切改频繁，无人机自主巡检飞行航线更新及时性不足的问题。

Description

一种免预设航线的无人机自主巡检系统及方法

技术领域

本发明涉及电力系统无人机巡检技术领域，具体为一种免预设航线的无人机自主巡检系统及方法。

背景技术

随着无人机技术的发展和与电力行业的业务融合不断深入，与人工巡检和无人机巡检相比，无人机在电网巡检作业中的机动灵活、视角全面、作业高效等优势不断凸显。近年来已广泛应用于架空输电线路巡检工作，并且输电无人机自主巡检模式的推广带来了显著的收益，当前输电线路无人机自主巡检模式主要采用三维激光点云建模的方式进行自主巡检航线规划，该技术路线的前提是需要采用专业的机载激光雷达设备对输电线路及其通道进行全网的现场数据采集和建模工作，且一旦现场环境发生变化需要及时进行数据更新。

由于传统的自主巡检模式需要预先对无人机飞行的航线进行精确的规划，因此在配电网推广应用中暴露出了许多问题：一是，三维激光点云设备价格较高、操作难度大，难以大范围推广；二是配网线路规模相较输电为数倍之多，全量航线的人工预规划成本较高；三是配电网环境复杂多变、线路切改异动频繁，航线预规划难以跟上线路环境的变化速度，以上问题都限制了无人机技术在配电网应用和发展。

经检索，发现以下公开专利：

中国公开专利，公开号：CN111913495A，公开日：2020-11-10，具体公开了一种输电线路无人机自主巡检方法及装置，其利用输电线路相同电压等级同种类型杆塔的塔头尺寸相同的特点，预先构建杆塔巡检标准航线数据库，当有输电线路巡检需求时，根据杆塔的电压等级和杆塔类型，从杆塔巡检标准航线数据库中确定对应的标准巡检航线，然后将标准巡检航线与起降航线进行组合，得到待巡检杆塔的巡检航线，最终，按照待巡检杆塔的巡检航线控制无人机执行巡检任务，完成待巡检杆塔的巡检任务。本申请提供的输电线路无人机自主巡检过程中，只需确定杆塔的电压等级和杆塔类型，即可自动与起降航线组合生成输电线路的巡检航线，控制无人机执行巡检任务，从而降低对巡检人员专业知识的要求。

上述专利并未结合杆塔中心点及多个绝缘子的圆心位置定位无人机的控制点位，且无人机的定位方法亦不同于本发明，因此不影响本发明的新颖性。

综上，如何减少配电网等大设备量无人机巡检作业的前期准备工作周期和成本投入，解决配电网线路切改频繁，无人机自主巡检飞行航线更新及时性不足的问题。便成为本领域人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种免预设航线的无人机自主巡检系统及方法，可在无人机自动开展电力架空线路巡检飞行前，不需要人工通过其他方式提前定位飞行航点，减少配电网等大设备量无人机巡检作业的前期准备工作周期和成本投入，解决配电网线路切改频繁，无人机自主巡检飞行航线更新及时性不足的问题。

一种免预设航线的无人机自主巡检方法，包括以下步骤：

步骤1：基于电网GIS二维平台数据和杆塔塔高数据，设置接续点位置；

步骤2：将无人机通过遥控器控制飞行至接续点，并将无人机镜头调整为正下方，确保无人机视频中可见杆塔顶部，机头朝向正北方向；

步骤3：启动免预设航线的自主巡检算法程序；

步骤4：识别子模块对杆塔塔顶进行实时识别并返回带有圆心点位置标注的图像数据，同时对绝缘子进行识别，并返回一组图像数据，该图像数据带有三个绝缘子的圆心位置标注；

步骤5：业务处理子模块控制无人机调整位置，让相机目标中心点与杆塔顶部中心点重合，并记录无人机三维坐标位置A，记为x1，y1，z1；

步骤6：同时业务处理子模块通过识别的一组三个绝缘子圆心拟合形成连线并确定出杆塔塔头朝向；

步骤7：业务处理子模块控制无人机向正南方向平移距离k，其中0.1≤K≤2，并逐步抬高相机云台，实时识别塔头，定位至圆心位置后停止并记录俯角α，同时记录无人机三维坐标位置B，记为x2，y2，z2；

步骤8：通过A点坐标、B点坐标、平移距离k，B点俯角α，计算出塔顶三维坐标；

步骤9：业务处理子模块控制无人机飞回塔顶坐标上方2米的巡检高度；

步骤10：结合塔顶三维坐标和杆塔塔头朝向，设置无人机机头朝向与杆塔塔头垂直，调整相机云台正向下翻转直至-90°完成该杆塔的巡检拍照；

步骤11：逐步抬高云台角度直至云台角度至0°，通过识别子模块对杆塔模型进行识别，当识别到杆塔后逐步平移飞向下一基杆塔，若识别画面中的未出现杆塔则调整无人机的机头朝向至180°，而后重复步骤10；

步骤12：飞行过程中通过识别子模块识别杆塔模板并向下调整相机云台，直至画面中出现杆塔顶部识别目标；

步骤13：重复步骤4至步骤12，直至完成杆塔巡检工作，并手动暂停免预设航线的自主巡检算法程序。

优选的，步骤1中需选取一段主线或分支线路的终端杆塔顶部5米处为接续点。

一种免预设航线的无人机自主巡检方法中采用的系统，包括多旋翼无人机、无人机遥控器、AI控制单元以及免预设航线的自主巡检算法模块；多旋翼无人机提供影像数据和无人机本体差分定位信息，并执行自主巡检飞行和相机云台调整动作；无人机遥控器进行多旋翼无人机与AI控制单元之间的图像传输和数据通信；AI控制单元为免预设航线的自主巡检算法提供载体，并提供边缘端图像识别算力；免预设航线的自主巡检算法模块对多旋翼无人机提供的影像目标识别、巡检目标位置测量、进行目标对准、引导无人机进行飞行和拍照。

优选的，多旋翼无人机具备RTK差分定位功能。

优选的，AI控制单元载体为一块安卓主板，其集成了一块负责逻辑计算的CPU处理单元和一块负责图像识别的GPU处理单元。

优选的，免预设航线的自主巡检算法模块包括识别子模块和业务处理子模块；

识别子模块对多旋翼无人机提供的影像进行图片拆帧，拆帧的图片进行目标识别；

业务处理子模块进行巡检目标位置测量、进行目标对准、引导无人机进行飞行。

本发明的优点和技术效果是：

本发明的一种免预设航线的无人机自主巡检方法中采用的系统，可免除作业人员对高价值激光雷达设备的需求；可极大节省无人机自主巡检前期航线数据准备的成本；可有效解决配网环境变化和频繁异动切改对无人机自主巡检航线时效性要求极高的问题。

附图说明

图1为本发明的无人机自主巡检系统结构示意图；

图2为本发明中免预设航线的自主巡检算法中塔顶位置计算示意图；

图3为本发明中免预设航线的自主巡检算法中塔头朝向定向示意图；

图4为本发明中免预设航线的自主巡检算法中杆塔目标识别示意图。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。需要说明的是，本实施例是描述性的，不是限定性的，不能由此限定本发明的保护范围。

本发明的一种免预设航线的无人机自主巡检系统及方法，包括系统实施例及方法实施例，具体为：

实施例1：

如图1所示，本实施例中的系统包括多旋翼无人机、无人机遥控器、AI控制单元、免预设航线的自主巡检算法模块。

多旋翼无人机提供影像数据和无人机本体差分定位信息，并执行自主巡检飞行和相机云台调整动作；无人机遥控器实现多旋翼无人机与AI控制单元之间的图像传输和数据通信；AI控制单元为免预设航线的自主巡检算法提供载体，并提供边缘端图像识别算力；免预设航线的自主巡检算法模块对多旋翼无人机提供的影像目标识别、巡检目标位置测量、进行目标对准、引导无人机进行飞行和拍照。

实施例2：

见图2、图3、图4，其中免预设航线的自主巡检算法包括以下步骤：

步骤1：基于电网GIS二维平台数据和杆塔塔高数据，设置一段主线或分支线路的终端杆塔顶部大约5米处为接续点；

步骤2：将无人机通过遥控器控制飞行至接续点，并将无人机镜头调整为正下方，确保无人机视频中可见杆塔顶部，机头朝向正北方向；

步骤3：启动免预设航线的自主巡检算法程序；

步骤4：如图2，识别子模块对杆塔塔顶进行实时识别并返回圆心点位置标注，同时对绝缘子进行识别返回一组三个绝缘子圆心位置标注；

步骤5：业务处理子模块控制无人机调整位置，让相机目标中心点与杆塔顶部中心点重合，并记录无人机三维坐标位置A（x1，y1，z1）；

步骤6：同时业务处理子模块通过识别的一组三个绝缘子圆心拟合形成连线并确定出杆塔塔头朝向。

步骤7：业务处理子模块控制无人机向正南方向平移距离k（k在0.1米至2米之间），并逐步抬高相机云台，实时识别塔头，定位至圆心位置后停止并记录俯角α，同时记录无人机三维坐标位置B（x2，y2，z2）；

步骤8：如图3，通过A点坐标、B点坐标、平移距离k，B点俯角α，计算出塔顶三维坐标；

步骤9：业务处理子模块控制无人机飞回塔顶坐标上方2米的巡检高度；

步骤10：结合塔顶三维坐标和杆塔塔头朝向，设置无人机机头朝向与杆塔塔头垂直，调整相机云台正向下（-90°）完成该杆塔的巡检拍照。

步骤11：逐步抬高云台角度直至云台角度至0°，如图4，通过识别子模块对杆塔模型进行识别，当识别到杆塔后逐步平移飞向下一基杆塔，若识别画面中的未出现杆塔则调整无人机朝向至180°，重复0°至-90°的云台调整并识别杆塔。

步骤12：飞行过程中通过识别子模块识别杆塔模板并向下调整相机云台，直至画面中出现杆塔顶部识别目标。

步骤13：重复步骤4至步骤12，直至完成杆塔巡检工作，手动暂停免预设航线的自主巡检算法程序。

最后，本发明的未述之处均采用现有技术中的成熟产品及成熟技术手段。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种免预设航线的无人机自主巡检方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：基于电网GIS二维平台数据和杆塔塔高数据，设置接续点位置；

步骤2：将无人机通过遥控器控制飞行至接续点，并将无人机镜头调整为正下方，确保无人机视频中可见杆塔顶部，机头朝向正北方向；

步骤3：启动免预设航线的自主巡检算法程序；

步骤4：识别子模块对杆塔塔顶进行实时识别并返回带有圆心点位置标注的图像数据，同时对绝缘子进行识别，并返回一组图像数据，该图像数据带有三个绝缘子的圆心位置标注；

步骤5：业务处理子模块控制无人机调整位置，让相机目标中心点与杆塔顶部中心点重合，并记录无人机三维坐标位置A，记为x1，y1，z1；

步骤6：同时业务处理子模块通过识别的一组三个绝缘子圆心拟合形成连线并确定出杆塔塔头朝向；

步骤7：业务处理子模块控制无人机向正南方向平移距离k，其中0.1≤K≤2，并逐步抬高相机云台，实时识别塔头，定位至圆心位置后停止并记录俯角α，同时记录无人机三维坐标位置B，记为x2，y2，z2；

步骤8：通过A点坐标、B点坐标、平移距离k，B点俯角α，计算出塔顶三维坐标；

步骤9：业务处理子模块控制无人机飞回塔顶坐标上方2米的巡检高度；

步骤10：结合塔顶三维坐标和杆塔塔头朝向，设置无人机机头朝向与杆塔塔头垂直，调整相机云台正向下翻转直至-90°完成该杆塔的巡检拍照；

步骤11：逐步抬高云台角度直至云台角度至0°，通过识别子模块对杆塔模型进行识别，当识别到杆塔后逐步平移飞向下一基杆塔，若识别画面中的未出现杆塔则调整无人机的机头朝向至180°，而后重复步骤10；

步骤12：飞行过程中通过识别子模块识别杆塔模板并向下调整相机云台，直至画面中出现杆塔顶部识别目标；

步骤13：重复步骤4至步骤12，直至完成杆塔巡检工作，并手动暂停免预设航线的自主巡检算法程序。

2.根据权利要求1所述的一种免预设航线的无人机自主巡检方法，其特征在于：所述步骤1中需选取一段主线或分支线路的终端杆塔顶部5米处为接续点。

3.一种如权利要求1所述的免预设航线的无人机自主巡检方法中采用的系统，其特征在于：包括多旋翼无人机、无人机遥控器、AI控制单元以及免预设航线的自主巡检算法模块；所述多旋翼无人机提供影像数据和无人机本体差分定位信息，并执行自主巡检飞行和相机云台调整动作；所述无人机遥控器进行多旋翼无人机与AI控制单元之间的图像传输和数据通信；所述AI控制单元为免预设航线的自主巡检算法提供载体，并提供边缘端图像识别算力；所述免预设航线的自主巡检算法模块对多旋翼无人机提供的影像目标识别、巡检目标位置测量、进行目标对准、引导无人机进行飞行和拍照。

4.根据权利要求3所述的一种免预设航线的无人机自主巡检方法中采用的系统，其特征在于：所述多旋翼无人机具备RTK差分定位功能。

5.根据权利要求3所述的一种免预设航线的无人机自主巡检方法中采用的系统，其特征在于：所述AI控制单元载体为一块安卓主板，其集成了一块负责逻辑计算的CPU处理单元和一块负责图像识别的GPU处理单元。

6.根据权利要求3所述的一种免预设航线的无人机自主巡检方法中采用的系统，其特征在于：所述免预设航线的自主巡检算法模块包括识别子模块和业务处理子模块；

所述识别子模块对多旋翼无人机提供的影像进行图片拆帧，拆帧的图片进行目标识别；

所述业务处理子模块进行巡检目标位置测量、进行目标对准、引导无人机进行飞行。