CN117848350B - 面向输电线路建设工程的无人机航线规划方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及输电线路建设技术领域。更具体地，本发明涉及面向输电线路建设工程的无人机航线规划方法，该方法包括三维点云数据确定障碍物类型；基于障碍物距离对障碍物进行聚类，并根据聚类结果计算每个障碍物的聚集度，并根据每个障碍物历史的位置变化计算出每个障碍物的稳定度；根据稳定度、聚集度和输电线路材料的重要性计算出无人机运输货物时的安全距离；根据输电线路材料的安全距离确定出无人机将物资运送到输电线路建设点的物资运输路线；计算当前建设点的输电线路材料使用量和理论材料使用量之间的误差，用于确定下一个建设点的物资运输路线和物资运输量。本发明的方案解决了目前运输无人机航线规划难度大、不准确的问题。
Description
技术领域
本发明一般地涉及输电线路建设技术领域。更具体地，本发明涉及面向输电线路建设工程的无人机航线规划方法。
背景技术
随着电网建设的不断发展，输电工程正不断受到城市发展、环境保护的新形势的影响，线路廊道越来越拥挤，施工环境越来越恶劣，部分区域距离遥远、道路狭窄崎岖、路面湿滑，地质地貌复杂，施工车辆无法进入。传统的输电线路施工方法作业强度大、效率低、安全风险高，现有模式下的输电工程运输模式无法完全适用于当前面临的形势。
运输无人机具备大载荷、长续航优势，对起降环境适应性高，研究无人机在建设工程机械化施工方面的相关关键技术，对推进电网输电工程建设无人机规范化管理，科学高效统筹管理基建无人机作业具有重要指导作用和现实意义。
建设工程项目飞行环境复杂，无人机作业任务增多，当有突发或紧急任务时，地面操作员需要处理的信息量激增，工作负荷增大，可能会出现操作失误，引起严重的飞行事故。
因此，如何解决目前运输无人机航线规划难度大、不准确的问题，是提升电网输电工程建设的关键。
发明内容
为解决上述一个或多个技术问题，本发明提出通过三维点云数据确定障碍物类型，并根据障碍物聚集度、稳定度和输电线路材料的重要性计算安全距离，结合安全距离进行物资运输路线规划，实现了对物资运输线路的准确规划，有效提升了电网输电工程建设效率。为此，本发明在如下的多个方面中提供方案。
在第一方面中，本发明提供了一种面向输电线路建设工程的无人机航线规划方法，包括：获取无人机周围环境的三维点云数据，以根据三维点云数据确定障碍物类型；基于障碍物距离对障碍物进行聚类，并根据聚类结果计算每个障碍物的聚集度，并根据每个障碍物历史的位置变化计算出每个障碍物的稳定度；其中障碍物的稳定度的计算公式为：
；
；
其中，表示第j个障碍物的稳定度，表示第i次检测到的障碍物的位置与历史
检测位置的中心点之间的偏差距离，历史检测位置为检测到的障碍物的所有检测位置，
表示第j个障碍物所有偏差距离的平均值，表示历史对第j个障碍物的检测次数，表示第
i次检测到的障碍物位置的x方向的坐标，表示历史检测位置的x方向的坐标平均值，表
示第i次检测到的障碍物位置的y方向的坐标，表示历史检测位置的y方向的坐标平均值，表示第i次检测到的障碍物位置的z方向的坐标，表示历史检测位置的z方向的坐标平
均值；根据所述稳定度、聚集度和输电线路材料的重要性计算出无人机运输货物时的安全
距离，其中输电线路材料的重要性通过输电线材料的重要性等级来体现，输电线材料的重
要性等级根据输电线材料的电性能和物理特性进行确定；所述安全距离的计算公式为：
；
其中，表示第k个输电线材料对第j个障碍物的安全距离，表示设定的
标准的安全距离，表示第j个障碍物的聚集度，表示第k个输电线材料的重要性等级，
表示第j个障碍物的稳定度；根据输电线路材料的安全距离确定出无人机将物资运送到输
电线路建设点的物资运输路线；计算当前建设点的输电线路材料使用量和理论材料使用量
之间的误差，用于确定下一个建设点的物资运输路线和物资运输量。
在一个实施例中，基于障碍物距离对障碍物进行聚类，并根据聚类结果计算每个障碍物的聚集度包括：对不同位置的障碍物基于距离进行聚类，以得到多个不同的聚类簇；根据障碍物所在聚类簇中障碍物的个数确定障碍物的聚集度，其中元素个数最少的聚类簇中的障碍物对应的聚集度为1，其余聚类簇中聚集度为聚类簇元素个数和最少的聚类簇元素个数之比。
在一个实施例中，根据输电线路材料的安全距离确定出无人机将物资运送到输电线路建设点的物资运输路线包括：根据所述安全距离和人工势场法的避障算法对物资运输路线进行规划。
在一个实施例中，其中人工势场法的避障算法中的计算公式包括：
；
；
；
其中，表示合力势场函数，表示引力势场函数，表示斥力势场函数，为
正比例增益系数，表示无人机的位置和目标点位置之间的欧式距离，为正比
例系数，表示无人机与第j个障碍物间的欧式距离，表示第k个输电线材料对第
j个障碍物的安全距离。
在一个实施例中，根据三维点云数据确定障碍物类型包括：对所述三维点云数据进行去噪处理，并在去噪完成后形成工程现场三维点云模型成果数据，生成标准化点云数据；将标准化点云数据输入训练好的障碍物检测模型，以获得障碍物类型。
本发明的有益效果在于：通过输电线路建设工程中不同障碍物的聚集度、稳定度和不同输电线建设材料的重要性计算出不同输电线建设材料对不同障碍物的安全距离，根据安全距离得到无人机运输的路线，再根据理论建设材料和实际建设材料使用量之间的误差对理论建设材料使用量进行不断的修正，提高了输电线路建设工程中无人机运输的安全性和运输数量的准确性，有效提升了输电线路建设效率。
附图说明
通过参考附图阅读下文的详细描述，本发明示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本发明的若干实施方式，并且相同或对应的标号表示相同或对应的部分，其中：
图1是示意性示出根据本发明的实施例的面向输电线路建设工程的无人机航线规划方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域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，都属于本发明保护的范围。
下面结合附图来详细描述本发明的具体实施方式。
本发明中利用基建现场航线规划技术，能够代替人在复杂的动态环境下进行飞行任务的规划与决策，有效地避免地面操作员的不安全控制行为，分担其任务工作压力，对提高无人机系统智能化水平，保证无人机飞行安全具有重要意义。
因此，使用机器学习的方法对无人机的运输路径进行规划是本发明中的重点。
图1是示意性示出根据本发明的实施例的面向输电线路建设工程的无人机航线规划方法100的流程图。
如图1所示，在步骤S101处，确定障碍物类型。具体地，获取无人机周围环境的三维点云数据，以根据三维点云数据确定障碍物类型。在一些实施例中，可以对三维点云数据进行去噪处理，并在去噪完成后形成工程现场三维点云模型成果数据，生成标准化点云数据。将标准化点云数据输入训练好的障碍物检测模型，以获得障碍物类型。
在步骤S102处，计算聚集度和稳定度。具体地，基于障碍物距离对障碍物进行聚类，并根据聚类结果计算每个障碍物的聚集度，并根据每个障碍物历史的位置变化计算出每个障碍物的稳定度。在一些实施例中，可以对不同位置的障碍物基于距离进行聚类，以得到多个不同的聚类簇。根据障碍物所在聚类簇中障碍物的个数确定障碍物的聚集度，其中元素个数最少的聚类簇中的障碍物对应的聚集度为1，其余聚类簇中聚集度为聚类簇元素个数和最少的聚类簇元素个数之比。
其中障碍物的稳定度的计算公式为：
；
；
其中，表示第j个障碍物的稳定度，表示第i次检测到的障碍物的位置与历史
检测位置的中心点之间的偏差距离，历史检测位置为检测到的障碍物的所有检测位置，
表示第j个障碍物所有偏差距离的平均值，表示历史对第j个障碍物的检测次数，表示第
i次检测到的障碍物位置的x方向的坐标，表示历史检测位置的x方向的坐标平均值，表
示第i次检测到的障碍物位置的y方向的坐标，表示历史检测位置的y方向的坐标平均值，表示第i次检测到的障碍物位置的z方向的坐标，表示历史检测位置的z方向的坐标平
均值。
在步骤S103处，确定安全距离。具体地，根据稳定度、聚集度和输电线路材料的重要性计算出无人机运输货物时的安全距离，其中输电线路材料的重要性通过输电线材料的重要性等级来体现，输电线材料的重要性等级根据输电线材料的电性能和物理特性进行确定。其中安全距离的计算公式为：
；
其中，表示第k个输电线材料对第j个障碍物的安全距离，表示设定的
标准的安全距离，表示第j个障碍物的聚集度，表示第k个输电线材料的重要性等级，
表示第j个障碍物的稳定度。
在步骤S104处，物资运输路线规划。具体地，根据输电线路材料的安全距离确定出无人机将物资运送到输电线路建设点的物资运输路线。在一些实施例中，可以根据所述安全距离和人工势场法的避障算法对物资运输路线进行规划。人工势场法是一种经典的机器人路径规划算法，该算法的基本思想是将机器人在周围环境中的运动设计成一种抽象的人造引力场中的运动，目标点对移动机器人产生“引力”，障碍物对移动机器人产生“斥力”，最后通过求合力来控制移动机器人的运动。
在步骤S105处，修正建设材料使用量。具体地，计算当前建设点的输电线路材料使用量和理论材料使用量之间的误差，用于确定下一个建设点的物资运输路线和物资运输量。
接下来将结合具体的实施方式对本发明的方案进一步阐述。
首先，通过无人机携带的激光雷达获取其周围环境的三维激光点云数据。在一些实施例中，通过无人机携带的激光雷达获取输电线路建设工程中环境的三维激光点云数据，对获取到的点云数据进行去噪处理，可以使用高斯滤波进行去噪，去噪完成后形成工程现场三维点云模型成果数据，生成标准化LAS（点云）数据。至此，得到标准化LAS数据。
然后，根据标准化LAS数据获得障碍物的类型，对障碍物基于距离进行聚类，根据聚类结果计算每个障碍物的聚集度。在一个应用场景中，根据标准化的LAS数据输入神经网络中获得障碍物的类型，优选的所述神经网络模型可以为卷积神经网络模型，输入是标准化的LAS数据，输出是标准化的LAS数据对应的障碍物类型，获得障碍物的类型后，对不同位置的障碍物基于距离进行聚类，优选的聚类算法使用k-means算法。
根据聚类结果可得不同位置的障碍物的聚集度不同，有的位置障碍物分布比较密集，有的位置障碍物比较分散，在通过障碍物密集区域时，无人机所载货物和障碍物的距离应该更大才能保证无人机和货物安全通过，因为障碍物越多的地方，障碍物整体的不稳定度较大，一个障碍物的不稳定可能会导致其周围障碍物也有不同程度的不稳定。
因此，分布密集的障碍物应该设置更大的安全距离，障碍物的聚集度有该障碍物所在的聚类簇中障碍物的个数决定，聚类簇中障碍物越多则该聚类簇中的障碍物的聚集度越大，计算聚集度时，将元素个数最少的聚类簇中的元素的聚集度设置为1，其余聚类簇中元素的聚集度为该聚类簇元素个数和最少的聚类簇元素个数之比。至此，得到不同障碍物的聚集度。
接着，根据每个障碍物历史的位置变化情况计算出每个障碍物的稳定度，障碍物的稳定度和聚集度结合输电线路建设材料的重要性计算出无人机运输货物时的安全距离。具体的每个障碍物的安全距离计算过程如下：
在使用无人机运输输电线路建设工程的材料时，需要考虑在这个过程中可能会遇到的障碍物。由于不同的障碍物有不同的稳定度，障碍物的位置会因为环境的变化而产生变化，如树木这种障碍物的位置会随风产生波动，因此在计算不同障碍物的安全距离时需要考虑到不同障碍物的稳定度，根据不同障碍物历史的位置变化情况计算出障碍物的稳定度，障碍物的稳定度计算如下：
；
其中，表示第j个障碍物的稳定度，表示第i次检测到的障碍物的位置与历史
检测位置的中心点之间的偏差距离，表示第j个障碍物所有偏差距离的平均值，表示历
史对第j个障碍物的检测次数，其中的计算公式如下：
；
其中，表示第i次检测到的障碍物的位置与历史检测位置的中心点之间的距离，表示第i次检测到的障碍物位置的x方向的坐标，表示历史检测位置的x方向的坐标平均
值，表示第i次检测到的障碍物位置的y方向的坐标，表示历史检测位置的y方向的坐标
平均值，表示第i次检测到的障碍物位置的z方向的坐标，表示历史检测位置的z方向的
坐标平均值。
计算出每个障碍物的稳定度后，无人机和障碍物之间的安全距离还与所载货物的重要性有关，在输电线路建设工程中，输电线相关设备的重要性和其他材料的重要性不同，如施工所需的水泥等材料的重要性较低，其与障碍物发生碰撞产生的损失较少，而杆塔光缆等材料的重要性较高，发生碰撞产生的损失较大。因此，给不同的输电线相关材料不同的重要性等级，等级越高，要求安全距离越大。在一个应用场景中，输电线材料的重要性等级可以根据输电线材料的电性能和物理特性进行确定，其中电性能采用电压等级，物理特性采用导热性、导电性进行确定。例如电压等级、导电性和导热性越高的材料的重要性等级越高。而电压等级越低、导电性和导热性越低的材料的重要性等级越低。
根据所述障碍物的稳定度、聚集度和无人机运输的输电线材料的重要性计算不同材料在不同运输环境中的安全距离，其计算公式如下：
；
其中，表示第k个输电线材料对第j个障碍物的安全距离，表示设定的
标准的安全距离，表示第j个障碍物的聚集度，表示第k个输电线材料的重要性等级，
表示第j个障碍物的稳定度。至此，得到无人机运输不同输电线材料的安全距离。
再接着，根据不同输电线材料的运输安全距离确定出无人机将物资运送到输电线路建设点的路线。优选的基于安全距离和避障算法规划出路径，避障算法可以是人工势场法，其中的合力势场函数如下：
；
其中，表示合力势场函数，表示引力势场函数，表示斥力势场函数，和的计算公式如下：
；
其中，为正比例增益系数，表示无人机的位置和目标点位置之间的
欧式距离。
；
其中，为正比例系数，/>表示无人机与第j个障碍物间的欧式距离，/>表示第k个输电线材料对第j个障碍物的安全距离，也表示障碍物对无人机产生作用的最大影响范围。通过人工势场法，引力场和斥力场分别对无人机有吸引力和斥力的作用，无人机沿着引力与斥力的合力来进行运动。至此，得到无人机运送输电线材料的路径。
最后，根据第一个建设点的实际材料使用情况和理论材料使用之间的误差，确定下一个建设点的物资运输路线和物资运输量。
具体地，根据上述步骤确定无人机运输路线后，根据输电线路建设材料的理论使用量，先将输电线路中第一个建设点所需材料运输到第一建设点位置。第一建设点建设完成后，根据第一建设点材料的真实使用情况和理论使用情况的差距，确定出理论材料使用量和真实的误差。根据该误差值和第二建设点的理论材料使用量确定出第二建设点的材料运输量。当第二建设点完成后，根据第一建设点和第二建设点材料使用量的误差平均值和第三建设点的理论材料使用量计算出第三建设点的材料运输量。依次类推，直到所有建设点的输电线路建设材料运输全部完成。
根据上述方式即可完成所有面向输电线路建设工程的无人机航线规划。
在本说明书的描述中，“多个”、“若干个”的含义是至少两个，例如两个，三个或更多个等，除非另有明确具体的限定。虽然本说明书已经示出和描述了本发明的多个实施例，但对于本领域技术人员显而易见的是，这样的实施例只是以示例的方式提供的。本领域技术人员会在不偏离本发明思想和精神的情况下想到许多更改、改变和替代的方式。应当理解的是在实践本发明的过程中，可以采用对本文所描述的本发明实施例的各种替代方案。
Claims (4)
1.一种面向输电线路建设工程的无人机航线规划方法，其特征在于，包括：
获取无人机周围环境的三维点云数据，以根据三维点云数据确定障碍物类型；
基于障碍物距离对障碍物进行聚类，并根据聚类结果计算每个障碍物的聚集度，并根据每个障碍物历史的位置变化计算出每个障碍物的稳定度；其中障碍物的稳定度的计算公式为：
；
；
其中，表示第j个障碍物的稳定度，/>表示第i次检测到的障碍物的位置与历史检测位置的中心点之间的偏差距离，历史检测位置为检测到的障碍物的所有检测位置，/>表示第j个障碍物所有偏差距离的平均值，/>表示历史对第j个障碍物的检测次数，/>表示第i次检测到的障碍物位置的x方向的坐标，/>表示历史检测位置的x方向的坐标平均值，/>表示第i次检测到的障碍物位置的y方向的坐标，/>表示历史检测位置的y方向的坐标平均值，/>表示第i次检测到的障碍物位置的z方向的坐标，/>表示历史检测位置的z方向的坐标平均值；
根据所述稳定度、聚集度和输电线路材料的重要性计算出无人机运输货物时的安全距离，其中输电线路材料的重要性通过输电线材料的重要性等级来体现，输电线材料的重要性等级根据输电线材料的电性能和物理特性进行确定；所述安全距离的计算公式为：
；
其中，表示第k个输电线材料对第j个障碍物的安全距离，/>表示设定的标准的安全距离，/>表示第j个障碍物的聚集度，/>表示第k个输电线材料的重要性等级，/>表示第j个障碍物的稳定度；
根据输电线路材料的安全距离确定出无人机将物资运送到输电线路建设点的物资运输路线；
计算当前建设点的输电线路材料使用量和理论材料使用量之间的误差，用于确定下一个建设点的物资运输路线和物资运输量；
基于障碍物距离对障碍物进行聚类，并根据聚类结果计算每个障碍物的聚集度包括：
对不同位置的障碍物基于距离进行聚类，以得到多个不同的聚类簇；
根据障碍物所在聚类簇中障碍物的个数确定障碍物的聚集度，其中元素个数最少的聚类簇中的障碍物对应的聚集度为1，其余聚类簇中聚集度为聚类簇元素个数和最少的聚类簇元素个数之比。
2.根据权利要求1所述的面向输电线路建设工程的无人机航线规划方法，其特征在于，根据输电线路材料的安全距离确定出无人机将物资运送到输电线路建设点的物资运输路线包括：
根据所述安全距离和人工势场法的避障算法对物资运输路线进行规划。
3.根据权利要求2所述的面向输电线路建设工程的无人机航线规划方法，其特征在于，其中人工势场法的避障算法中的计算公式包括：
；
；
；
其中，表示合力势场函数，/>表示引力势场函数，/>表示斥力势场函数，/>为正比例增益系数，/>表示无人机的位置/>和目标点位置/>之间的欧式距离，/>为正比例系数，/>表示无人机与第j个障碍物间的欧式距离，/>表示第k个输电线材料对第j个障碍物的安全距离。
4.根据权利要求1所述的面向输电线路建设工程的无人机航线规划方法，其特征在于，根据三维点云数据确定障碍物类型包括：
对所述三维点云数据进行去噪处理，并在去噪完成后形成工程现场三维点云模型成果数据，生成标准化点云数据；
将标准化点云数据输入训练好的障碍物检测模型，以获得障碍物类型。
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