CN116841321A - 一种无人机配网巡检航线规划及断点安全续飞的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人机配网巡检航线规划及断点安全续飞的控制方法，方法通过采集杆塔的坐标和杆塔顶部的高程，确定塔头的坐标位置；结合前后杆塔的位置确定杆塔的塔头的朝向，再结合杆塔类型及型号确定巡检的点位及位置，形成单个杆塔的巡检航线；每个杆塔的正上方设置一个巡检航线的连接点，用于杆塔航线间的连接；同时，采集线路上方存在风险的点位生成航线的辅助点，保障配网自主巡检无人机的安全，该方法规划的航线与杆塔直接关联，并以杆塔为最小单位形成航线，可有效的避免配网架构变动频繁，导致的航线有效性低的问题。

Description

一种无人机配网巡检航线规划及断点安全续飞的控制方法

技术领域

本发明涉及电力系统无人机巡检技术领域，具体为一种无人机配网巡检航线规划及断点安全续飞的控制方法。

背景技术

随着电力系统的不断发展和扩张，人们对配电网的安全要求越来越高。传统的配网巡检方式主要是靠人工巡检，需要人员花费大量时间和精力进行巡检，而且由于人工巡检难以保证全面性和准确性，可能会导致故障漏检和误检等问题。所以使用无人机对电网进行巡检的技术应运而生。可以通过无人机对电网设备的巡检，及时发现潜在的故障隐患，保证了电力系统的安全稳定运行。目前，为了提供无人机巡检质量，减轻一线巡检人员的压力，无人机自主巡检系统已经在输变配巡检中广泛应用。

但是现有的无人机自主巡检也存在很多无法跨越的障碍。1.传统的无人机配网巡检存在着续航能力不足的问题，限制了其长时间巡检的能力；2.传统的无人机配网自主巡检需要使用示教飞行或点云模型规划等方式获取自主巡检航线，投入成本和人员专业要求太高。3.配网线路异动频繁，无人机巡检航线有效期短，重新建设的成本太高。4.无人机断点续飞技术不成熟，目前多采用直飞的形式，存在很大的安全隐患。

经检索，发现以下公开专利：

中国公开专利，公开号：CN112987781A，公开日：2021-06-18，具体公开了一种无人机航线生成方法及装置，包括：从基础杆塔模型库中，获取目标杆塔的三维点云；根据优选的目标杆塔的三维点云，获得优选的目标杆塔的航点；根据至少一个目标杆塔的航点，生成航线。该发明的方案可以利用基础的杆塔模型进行航点推算，减少了航点刺点工作的工作强度，节省刺点的工作时间，满足存在三维点云和不存在三维点云的情况。

上述专利中仍需采用三维点云获得杆塔位置坐标，且其解决的技术问题在于减少航点刺点工作的工作强度，节省刺点的工作时间，因此该专利不同于本发明。

综上，如何将航线与杆塔直接关联，解决人工示教飞行规划航线对人员飞行技术要求过高，以及点云模型规划航线成本大的问题，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，提供一种无人机配网巡检航线规划及断点安全续飞的控制方法，该方法规划的航线与杆塔直接关联，并以杆塔为最小单位形成航线，可有效的避免配网架构变动频繁，导致的航线有效性低的问题。

一种无人机配网巡检航线规划方法，该规划方法通过采集杆塔的坐标和杆塔顶部的高程，确定塔头的坐标位置；结合前后杆塔的位置确定杆塔的塔头的朝向，再结合杆塔类型及型号确定巡检的点位及位置，形成单个杆塔的巡检航线；每个杆塔的正上方设置一个巡检航线的连接点，用于杆塔航线间的连接；同时，采集线路上方存在风险的点位生成航线的辅助点，保障配网自主巡检无人机的安全，具体步骤为：

步骤1：采集杆塔坐标位置：使用无人机，飞至杆塔的正上方取点P1，拍摄设备保持正向下方即云台角度等于-90°，同时保持图像中心点与杆塔顶部中心点重合，拍摄杆塔定位图片；提取此图片属性中的经度lon1及纬度lat1信息，并将经纬度为杆塔的坐标；

步骤2：采集杆塔塔头高程：使用无人机，飞至杆塔上方取点P2，保持拍摄设备非正下方拍摄即云台角度不等于-90°；同时保持图像中心点与杆塔顶部中心点重合，记录云台俯角θ，拍摄杆塔塔头图片；提取此照片的图片属性中的高程h1、经度lon2、纬度lat2信息；计算P1到P2的水平距离L = R * arccos(sin(lat1) * sin(lat2) + cos(lat1) * cos(lat2) * cos(lon1 - lon2))，R为地球半径；再通过h1、θ和L计算塔顶高程H=(tanθ*L)-h1；

步骤3：计算杆塔朝向：设第一个杆塔T1、经度Tlat1和纬度Tlon1；以及第二个杆塔T2、经度Tlat2和维度Tlon2，以此得出两个杆塔相对正北角偏量；

步骤4：采集杆塔类型；录入杆塔的类型，包括：直线杆塔、耐张杆塔、转角杆塔及柱上变杆塔，录入杆塔的型号及对应杆塔的横担宽度信息；

步骤5：生成杆塔巡检航线；根据杆塔类型和型号，按照预设的巡检要求，自动计算被拍照点的经纬度坐标值和高程；并按照相对位置自动计算出无人机巡检航点的经纬度坐标值和高程；每条航线添加两个连接点，为此杆塔的第一个和最后一个航点，其坐标为杆塔坐标，高程为杆塔顶部高程加5米，即lon1，lat1，H+5；按顺序连接巡检航点形成杆塔的巡检航线；

步骤6：采集线路危险点；通过无人机采集线路沿线可能存在危险点类型如：树木侵入、高低压跨线及桥梁情况；同时使用无人机平视，即云台角度为0°障碍物上方和下方并拍照，记录障碍物的高程信息；

步骤7：组合完整的巡检航线；按照杆塔顺序号，连接每基杆塔的航线的连接点；即上一基杆塔航线的最后一个点，连接下一基杆塔的第一个航点；如果杆塔间有危险点，需要分情况进行处理；

步骤8：航线验证、调整；使用当前航线进行无人机实际飞行验证，验证时需要至少两名作业人员到场；如有特殊地理环境、杆塔设备不合规情况，导致巡检过程中出现无法巡视对应设备，甚至对无人机造成危险的情况，作业人员及时接管无人机，同时记录问题点，再通过三维可视化页面对航线进行修改。

优选的，步骤3的具体计算过程中下：

步骤3.1：将经纬度转换为弧度；Tlat1_rad = Tlat1 * π / 180；

步骤3.2：计算经度差值： delta_lon = lon2_rad - lon1_rad；

步骤3.3：计算方位角（初始角度）： y = sin(delta_lon) * cos(lat2_rad) x =cos(lat1_rad) * sin(lat2_rad) - sin(lat1_rad) * cos(lat2_rad) * cos(delta_lon) initial_bearing_rad = atan2(y, x)；

步骤3.4：将方位角转换为度数（0到360度）： initial_bearing_deg = initial_bearing_rad * 180 / π initial_bearing_deg = (initial_bearing_deg + 360) %360；

步骤3.5：计算T2相对于T1的正北角偏量：α = (360 - initial_bearing_deg) %360；

其中π为是圆周率的近似值；角度取值范围是大于等于0°，小于360°，其中正北为0°，正东为90°。

优选的，步骤3的计算过程中包括以下几种计算方式：

A、起点或终点杆塔计算方式；取起点杆塔T1坐标与其相邻杆塔T2，终点杆塔取其上一基杆塔；代入上诉公式计算相对角偏量α1，则杆塔横担一端末端相对正北角偏量为α1-90°；

B、线路中杆塔计算方式；取其上一基杆塔T3，本身杆塔T4，下一基杆塔T5坐标，分别代入上述公式计算T3相对T4的正北角偏量α2，T5相对T4的正北角偏量α3，则此杆塔横档一端末端相对正北角偏量为（α2+α3）/2；

C、转角杆塔计算方式；转角杆塔分上下两层横担，按照方式A的取点和计算方式计算横担末端的相对正北角偏量。

优选的，步骤7中，包括以下几种危险点情况：

如果危险点下方与相邻两基杆塔中高度较高的杆塔的高度相差10米或以上；直接采用原连接方式；

如果危险点下方与相邻两基杆塔的高度相差小于10米，并且危险点上高度与相邻两基杆塔中较低高度杆塔的高度相差小于30米；则相邻两个连接点间添加同坐标的航点，高程为危险点上方高度加5米；

如果危险点下方与相邻两基杆塔的高度相差小于10米，危险点上高度与相邻两基杆塔中较低高度杆塔的高度相差大于30米，则两基杆塔航线不能连接为一条航线。

一种无人机配网巡检航线规划方法中采用的断点安全续飞控制方法，采用断点续飞方式连接将无人机的多段航线并拼接为整体航线，将第一个航点为当前巡检的馈线中基准点，该基准点为距离当前位置最近的一基杆塔正上方5米；后续航点按馈线的顺序号，取每一基杆塔的正上方5米；

如存在分支线路情况，则按先主线后支线的顺序组成续飞航线；

如果杆塔间存在风险点，则使用步骤7的处理方式生成续飞航线；最后一个航点的坐标为断点前的最后一个航点坐标，高度取对应杆塔的塔顶高程加5米；完成续飞航线后，再起飞或降落到对应高度，继续执行未完成的自主巡检航线。

本发明的优点和技术效果是：

（1）本发明通过无人机配网巡检航线规划的方法，能够智能地确定最优巡检路径，避免了传统巡检方式中的人为决策和随机性，大大提高了配网巡检的效率。此外，本发明所采用的航线规划方法能够优化飞行路径，减少飞行时间和能量消耗，进一步降低了巡检成本。

（2）本发明提供的断点安全续飞的方法。当无人机自主巡检任务中断时，如电池耗尽、通信中断等。能够智能地规划续飞路径，使无人机能够自主、安全的继续执行巡检任务，保障了巡检设备的安全，提高了系统的稳定性、可靠性。

附图说明

图1为本发明中配网无人机巡检航线规划的方法流程图；

图2为本发明中无人机采集杆塔坐标及塔头照片示意图；

图3为本发明中无人机采集线路中风险点示意图；

图4为本发明的配网无人机自主巡检系统中，无人机安全断点续飞的方法的流程图。

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。

本发明的一种无人机配网巡检航线规划及断点安全续飞的控制方法，包括两项方法实施例，具体为：

实施例1：

通过采集杆塔的坐标和杆塔顶部的高程，确定塔头的坐标位置。结合前后杆塔的位置确定杆塔的塔头的朝向，再结合杆塔类型及型号确定巡检的点位及位置，形成单个杆塔的巡检航线。每个杆塔的正上方设置一个巡检航线的连接点，用于杆塔航线间的连接。同时，采集线路上方可能存在风险的点位，如树障、跨线等，用于生成航线的辅助点，保障配网自主巡检无人机的安全。

优选的无人机为具备RTK差分定位功能，并搭载了拍摄设备的多旋翼无人机系统。

优选的采集杆塔信息的无人机控制软件，支持对角线或中心点辅助对焦功能，拍摄图片属性中包含经纬度、高程信息。

具体方案技术要求如下：

步骤1：采集杆塔坐标位置：使用无人机，飞至杆塔的正上方取点P1，拍摄设备保持正向下方即云台角度等于-90°，同时保持图像中心点与杆塔顶部中心点重合，拍摄杆塔定位图片。提取此图片属性中的经度（lon1）、纬度（lat1）信息，并将经纬度为杆塔的坐标。

步骤2：采集杆塔塔头高程：使用无人机，飞至杆塔上方取点P2，保持拍摄设备非正下方拍摄即云台角度不等于-90°。同时保持图像中心点与杆塔顶部中心点重合，记录云台俯角θ，拍摄杆塔塔头图片。提取此照片的图片属性中的高程（h1）、经度（lon2）、纬度（lat2）信息。计算P1到P2的水平距离L（L = R * arccos(sin(lat1) * sin(lat2) + cos(lat1) *cos(lat2) * cos(lon1 - lon2))，R为地球半径）。再通过h1、θ和L计算塔顶高程H（H=(tanθ*L)-h1）。

步骤3：计算杆塔朝向。杆塔朝向需要计算两个杆塔相对正北角偏量，设第一个杆塔（T1）经度（Tlat1）和纬度（Tlon1）和第二个杆塔（T2）经度（Tlat2）和维度（Tlon2）,其计算过程如下：

将经纬度转换为弧度。Tlat1_rad = Tlat1 * π / 180。

计算经度差值： delta_lon = lon2_rad - lon1_rad

计算方位角（初始角度）： y = sin(delta_lon) * cos(lat2_rad) x = cos(lat1_rad) * sin(lat2_rad) - sin(lat1_rad) * cos(lat2_rad) * cos(delta_lon)initial_bearing_rad = atan2(y, x)

将方位角转换为度数（0到360度）： initial_bearing_deg = initial_bearing_rad * 180 / π initial_bearing_deg = (initial_bearing_deg + 360) % 360

计算T2相对于T1的正北角偏量：α = (360 - initial_bearing_deg) % 360

其中π为是圆周率的近似值。角度取值范围是大于等于0°，小于360°，其中正北为0°，正东为90°。

起点或终点杆塔计算方式。取起点杆塔T1坐标与其相邻杆塔T2，（终点杆塔取其上一基杆塔）。代入上诉公式计算相对角偏量α1，则杆塔横担一端末端相对正北角偏量为α1-90°。

线路中杆塔计算方式。取其上一基杆塔T3，本身杆塔T4，下一基杆塔T5坐标，分别代入上述公式计算T3相对T4的正北角偏量α2，T5相对T4的正北角偏量α3，则此杆塔横档一端末端相对正北角偏量为（α2+α3）/2。

转角杆塔计算方式。转角杆塔分上下两层横担，分别按“起点或终点杆塔计算方式”的取点和计算方式计算横担末端的相对正北角偏量。

步骤4：采集杆塔类型。录入杆塔的类型如：直线杆塔、耐张杆塔、转角杆塔、柱上变杆塔等，录入杆塔的型号及对应杆塔的横担宽度等信息。

步骤5：生成杆塔巡检航线。根据杆塔类型和型号，按照预设的巡检要求，自动计算被拍照点的经纬度坐标值和高程。并按照相对位置自动计算出无人机巡检航点的经纬度坐标值和高程。每条航线添加两个连接点，为此杆塔的第一个和最后一个航点，其坐标为杆塔坐标，高程为杆塔顶部高程加5米，即（lon1，lat1，H+5）。按顺序连接巡检航点形成杆塔的巡检航线。

步骤6：采集线路危险点。通过无人机采集线路沿线可能存在危险点类型如：树木侵入、高低压跨线、桥梁等情况。同时使用无人机平视（云台角度为0°）障碍物上方和下方并拍照，记录障碍物的高程信息。

步骤7：组合完整的巡检航线。按照杆塔顺序号，连接每基杆塔的航线的连接点。即上一基杆塔航线的最后一个点，连接下一基杆塔的第一个航点。如果杆塔间有危险点，需要分情况进行处理。

如果危险点下方与相邻两基杆塔中高度较高的杆塔的高度相差10米或以上。直接采用原连接方式；

如果危险点下方与相邻两基杆塔的高度相差小于10米，并且危险点上高度与相邻两基杆塔中较低高度杆塔的高度相差小于30米。则相邻两个连接点间添加同坐标的航点，高程为危险点上方高度加5米；

如果危险点下方与相邻两基杆塔的高度相差小于10米，危险点上高度与相邻两基杆塔中较低高度杆塔的高度相差大于30米，则两基杆塔航线不能连接为一条航线。

步骤8：航线验证、调整。使用当前航线进行无人机实际飞行验证，验证时需要至少两名作业人员到场。如果有特殊地理环境、杆塔设备不合规等情况，导致巡检过程中出现无法巡视对应设备，甚至对无人机造成危险等情况，作业人员及时接管无人机，同时记录问题点，再通过三维可视化页面，对航线进行修改。

实施例2：

根据配电网架构较为简单的特点。结合发明一的航线生成规则，制定一种沿配网导线进行断点续飞的策略以保障无人机的安全。

具体方案技术要求如下：不采用传统直飞的方式，而使用航线进行断点续飞。第一个航点为当前巡检的馈线中，距离当前位置最近的一基杆塔正上方5米。后续航点按馈线的顺序号，取每一基杆塔的正上方5米。如存在分支线路情况，则按“主线-支线”顺序组成续飞航线。如果杆塔间存在风险点，则使用步骤7的处理方式生成续飞航线。最后一个航点的坐标为断点前的最后一个航点坐标，高度取对应杆塔的塔顶高程加5米。完成续飞航线后，再起飞或降落到对应高度，继续执行未完成的自主巡检航线。

最后结合附图对上述实施例进行解释说明，具体如下：

通过采集杆塔图片、型号、类型，计算出杆塔的经纬度坐标、塔头高程、杆塔朝向。生成杆塔的巡检航线。结合杆塔间存在的风险点最终形式可用于无人机自主巡检的航线。见图1。

杆塔图片采集拍摄杆塔定位图片时，无人机必须处于杆塔正上方，并保持云台-90°，拍摄塔头照片时，无人机必须处于杆塔斜上方，保持图片中心点正对杆塔中心点。定位图片和塔头图片高度无特殊规定。见图2。

线路间风险点采集，需要采集风险点的最大、最小高程和延续长度。即图3中的H1、H2和W1。

借用自主巡检航线生成模式，制定安全的配网巡检断点续飞模式。采用沿杆塔飞行的方式，同时利用风险点信息，躲避障碍物。见图4。

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 (5)

1.一种无人机配网巡检航线规划方法，其特征在于：该规划方法通过采集杆塔的坐标和杆塔顶部的高程，确定塔头的坐标位置；结合前后杆塔的位置确定杆塔的塔头的朝向，再结合杆塔类型及型号确定巡检的点位及位置，形成单个杆塔的巡检航线；每个杆塔的正上方设置一个巡检航线的连接点，用于杆塔航线间的连接；同时，采集线路上方存在风险的点位生成航线的辅助点，保障配网自主巡检无人机的安全，具体步骤为：

步骤1：采集杆塔坐标位置：使用无人机，飞至杆塔的正上方取点P1，拍摄设备保持正向下方即云台角度等于-90°，同时保持图像中心点与杆塔顶部中心点重合，拍摄杆塔定位图片；提取此图片属性中的经度lon1及纬度lat1信息，并将经纬度为杆塔的坐标；

步骤2：采集杆塔塔头高程：使用无人机，飞至杆塔上方取点P2，保持拍摄设备非正下方拍摄即云台角度不等于-90°；同时保持图像中心点与杆塔顶部中心点重合，记录云台俯角θ，拍摄杆塔塔头图片；提取此照片的图片属性中的高程h1、经度lon2、纬度lat2信息；计算P1到P2的水平距离L = R * arccos(sin(lat1) * sin(lat2) + cos(lat1) * cos(lat2)* cos(lon1 - lon2))，R为地球半径；再通过h1、θ和L计算塔顶高程H=(tanθ*L)-h1；

步骤3：计算杆塔朝向：设第一个杆塔T1、经度Tlat1和纬度Tlon1；以及第二个杆塔T2、经度Tlat2和维度Tlon2，以此得出两个杆塔相对正北角偏量；

步骤4：采集杆塔类型；录入杆塔的类型，包括：直线杆塔、耐张杆塔、转角杆塔及柱上变杆塔，录入杆塔的型号及对应杆塔的横担宽度信息；

步骤5：生成杆塔巡检航线；根据杆塔类型和型号，按照预设的巡检要求，自动计算被拍照点的经纬度坐标值和高程；并按照相对位置自动计算出无人机巡检航点的经纬度坐标值和高程；每条航线添加两个连接点，为此杆塔的第一个和最后一个航点，其坐标为杆塔坐标，高程为杆塔顶部高程加5米，即lon1，lat1，H+5；按顺序连接巡检航点形成杆塔的巡检航线；

步骤6：采集线路危险点；通过无人机采集线路沿线可能存在危险点类型如：树木侵入、高低压跨线及桥梁情况；同时使用无人机平视，即云台角度为0°障碍物上方和下方并拍照，记录障碍物的高程信息；

步骤7：组合完整的巡检航线；按照杆塔顺序号，连接每基杆塔的航线的连接点；即上一基杆塔航线的最后一个点，连接下一基杆塔的第一个航点；如果杆塔间有危险点，需要分情况进行处理；

步骤8：航线验证、调整；使用当前航线进行无人机实际飞行验证，验证时需要至少两名作业人员到场；如有特殊地理环境、杆塔设备不合规情况，导致巡检过程中出现无法巡视对应设备，甚至对无人机造成危险的情况，作业人员及时接管无人机，同时记录问题点，再通过三维可视化页面对航线进行修改。

2.根据权利要求1所述的一种无人机配网巡检航线规划方法，其特征在于：所述步骤3的具体计算过程中下：

步骤3.1：将经纬度转换为弧度；Tlat1_rad = Tlat1 * π / 180；

步骤3.2：计算经度差值： delta_lon = lon2_rad - lon1_rad；

步骤3.3：计算方位角（初始角度）： y = sin(delta_lon) * cos(lat2_rad) x = cos(lat1_rad) * sin(lat2_rad) - sin(lat1_rad) * cos(lat2_rad) * cos(delta_lon)initial_bearing_rad = atan2(y, x)；

步骤3.4：将方位角转换为度数（0到360度）： initial_bearing_deg = initial_bearing_rad * 180 / π initial_bearing_deg = (initial_bearing_deg + 360) %360；

步骤3.5：计算T2相对于T1的正北角偏量：α = (360 - initial_bearing_deg) % 360；

其中π为是圆周率的近似值；角度取值范围是大于等于0°，小于360°，其中正北为0°，正东为90°。

3.根据权利要求2所述的一种无人机配网巡检航线规划方法，其特征在于：所述步骤3的计算过程中包括以下几种计算方式：

A、起点或终点杆塔计算方式；取起点杆塔T1坐标与其相邻杆塔T2，终点杆塔取其上一基杆塔；代入上诉公式计算相对角偏量α1，则杆塔横担一端末端相对正北角偏量为α1-90°；

B、线路中杆塔计算方式；取其上一基杆塔T3，本身杆塔T4，下一基杆塔T5坐标，分别代入上述公式计算T3相对T4的正北角偏量α2，T5相对T4的正北角偏量α3，则此杆塔横档一端末端相对正北角偏量为（α2+α3）/2；

C、转角杆塔计算方式；转角杆塔分上下两层横担，按照方式A的取点和计算方式计算横担末端的相对正北角偏量。

4.根据权利要求1所述的一种无人机配网巡检航线规划方法，其特征在于：所述步骤7中，包括以下几种危险点情况：

如果危险点下方与相邻两基杆塔中高度较高的杆塔的高度相差10米或以上；直接采用原连接方式；

如果危险点下方与相邻两基杆塔的高度相差小于10米，并且危险点上高度与相邻两基杆塔中较低高度杆塔的高度相差小于30米；则相邻两个连接点间添加同坐标的航点，高程为危险点上方高度加5米；

如果危险点下方与相邻两基杆塔的高度相差小于10米，危险点上高度与相邻两基杆塔中较低高度杆塔的高度相差大于30米，则两基杆塔航线不能连接为一条航线。

5.一种如权利要求1所述的无人机配网巡检航线规划方法中采用的断点安全续飞控制方法，其特征在于：采用断点续飞方式连接将无人机的多段航线并拼接为整体航线，将第一个航点为当前巡检的馈线中基准点，该基准点为距离当前位置最近的一基杆塔正上方5米；后续航点按馈线的顺序号，取每一基杆塔的正上方5米；

如存在分支线路情况，则按先主线后支线的顺序组成续飞航线；

如果杆塔间存在风险点，则使用步骤7的处理方式生成续飞航线；最后一个航点的坐标为断点前的最后一个航点坐标，高度取对应杆塔的塔顶高程加5米；完成续飞航线后，再起飞或降落到对应高度，继续执行未完成的自主巡检航线。