CN110888452B - 一种无人机电力巡检自主飞行的避障方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人机电力巡检自主飞行的避障方法，所述无人机电力巡检自主飞行的避障方法为：构建禁飞区，防止路径规划不合理造成的无人机坠毁情况发生，禁飞区Ω在巡检空间Ψ内，巡检空间Ψ是指一个有充分测绘数据的封闭空间，其边界由测绘数据的边界、无人机***技术指标、待巡检电力设施空间坐标等共同确定；偏航校正，在无人机偏离预定航线时，自动进行校正返回至预定航线或根据前期无线传输的反向矢量路径进行原路径返航。本发明解决现有无人机在电力巡检自主飞行过程中自主避障能力差的问题。

Description

一种无人机电力巡检自主飞行的避障方法

技术领域

本发明涉及输电设备检测领域，具体涉及一种无人机电力巡检自主飞行的避障方法。

背景技术

随着社会的发展，无人机应用的范围越来越广，特别是在输电线路巡查过程中，提供了许多便利，国内的输电线路分散、面积广，所处地形复杂，自然环境恶劣。电力线及杆塔附件长期暴露在野外，受到持续的机械张力、雷击闪络、材料老化、人为影响而产生倒塔、断股、磨损、腐蚀等损坏，必须及时对其修复或更换。绝缘子还存在被雷击损伤，树木生长引起输电线放电，杆塔存在被偷窃等意外事件，也必须及时处理。传统的人工巡检方法不仅工作量大而且条件艰苦，特别是对山区和跨越大江大河的输电线路的巡检，以及在冰灾、水灾、地震、滑坡、夜晚期间巡线检查，所花时间长、人力成本高、困难大、风险高，所以无人机进行线路巡查是大势所趋。

无人机在自主飞行过程中受到线路、树木、塔架以及可移动障碍物的威胁，一旦无人机撞到障碍物将会造成无人机损伤甚至坠毁，若无人机触碰到输电线路将会造成输电线路的短路、断路等情况，严重影响电力输送造成较大的经济损失，所以需要无人机能够自动进行避障。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种无人机电力巡检自主飞行的避障方法，用以解决现有无人机在电力巡检自主飞行过程中自主避障能力差的问题。

为实现上述目的，本发明实施例提供一种无人机电力巡检自主飞行的避障方法，所述无人机电力巡检自主飞行的避障方法为:

构建禁飞区，防止路径规划不合理造成的无人机坠毁情况发生，禁飞区Ω在巡检空间Ψ内，巡检空间Ψ是指一个有充分测绘数据的封闭空间，其边界由测绘数据的边界、无人机***技术指标、待巡检电力设施空间坐标等共同确定，禁飞区Ω主要由以下三部分组成：

1)Ω₁：包含地表及地物(非待巡检电网设备)的禁飞子空间；

2)Ω₂：包含线路杆塔的禁飞子空间；

3)Ω₃：包含导地线的禁飞子空间，总禁飞区为所有禁飞子空间的并集；

偏航校正，在无人机偏离预定航线时，自动进行校正返回至预定航线或根据前期无线传输的反向矢量路径进行原路径返航。

优选地，所述禁飞子空间Ω₁采用如下方法计算得到：

1)由LiDAR测量点云数据的分类结果中提取地面点、地物(建筑物、桥梁、铁路、公路等)、植被等分类结果的点云子集τ₁₀，确定高程增量Δz₁，对τ₁₀中所有散射点的高程值增加Δz₁得到点云子集τ₁；

2)对点云子集τ₁进行基于Delaunay三角剖分的三维曲面重建得到曲面Γ₁；

3)基于三维曲面Γ₁以及巡检飞行空间Ψ的边界面构建封闭的禁飞子空间Ω₁。

优选地，所述禁飞子空间Ω₂采用如下方法计算得到：

1)由LiDAR测量点云数据的分类结果中提取一个铁塔以及附属绝缘子等的点云子集τ₂₀；

2)将τ₂₀按照高程以固定长度为步进划分为数据集{τ₂₀|_i},i＝1,2,3,…,K；

3)对每一个数据集τ₂₀|_i向东北平面(东北天坐标系)做投影，计算投影后数据的外边界点集，进行曲线拟合，并沿拟合曲线垂线方向向外，对x，y坐标均增加一定距离进行整体外扩，得到数据集τ₂₀|_i的扩大投影边界l_i；

4)以l_i为准线，与天方向平行、固定长度的直线段为母线，得到柱面。该柱面与其上下底面共同构成封闭曲面Γ₂|_i；

5)封闭曲面Γ₂|_i内部空间为Ω₂|_i，禁飞子空间

优选地，所述禁飞子空间Ω₃采用如下方法计算得到：

1)由LiDAR测量点云数据的分类结果中提取导线、地线、引流线等的点云子集τ₃₀，点云子集τ₃₀为离散的三维曲线；

2)确定半径Δr₃,以τ₃₀描述的三维曲线为轴心，计算半径为Δr₃的柱面Γ₃；

3)基于三维曲面Γ₃以及巡检飞行空间Ψ的边界面构建封闭的禁飞子空间Ω₃。

优选地，所述禁飞区采用构网的方式将三维实景划分为以固定长度为边长的正方体所组成的基础单元格，用基础单元格以规避设备误差带来的可能危险隐患。

优选地，所述偏航校正过程中，通信中断情况发生时，根据前期无线传输的反向矢量路径进行原始路径返航。

优选地，所述偏航校正过程中，***根据RTK位置反馈判定无人机在某一导航点未能到达预期的矢量线导航折点单元格时，则自主返航至上一矢量线导航折点单元格。

优选地，所述偏航校正过程中，无人机因风偏等不可预计因素在两导航点之间偏离***预计的单元格序列，则按照最短路径返回***预计的单元格序列中，并继续按照已规划最短路径中的导航矢量线引导的单元格进行飞行。

本发明实施例具有如下优点：

本发明实施例公开了一种无人机电力巡检自主飞行的避障方法，通过构建禁飞区，确保了无人机自主飞行的过程中不会触碰到已知的障碍物，当无人机受外力影响偏离航线或遇到动态障碍物时，能够自动校正航线继续飞行或者沿前期无线传输的反向矢量路径进行原始路径返航，提高了无人机的作业质量，防止线路本体受损及无人机坠毁。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例

本实施例公开了一种无人机电力巡检自主飞行的避障方法，所述避障方法为：

构建禁飞区，防止路径规划不合理造成的无人机坠毁情况发生，禁飞区Ω在巡检空间Ψ内，巡检空间Ψ是指一个有充分测绘数据的封闭空间，其边界由测绘数据的边界、无人机***技术指标、待巡检电力设施空间坐标等共同确定，禁飞区Ω主要由以下三部分组成：

1)Ω₁：包含地表及地物(非待巡检电网设备)的禁飞子空间；

2)Ω₂：包含线路杆塔的禁飞子空间；

3)Ω₃：包含导地线的禁飞子空间，总禁飞区为所有禁飞子空间的并集；

偏航校正，在无人机偏离预定航线时，自动进行校正返回至预定航线或根据前期无线传输的反向矢量路径进行原路径返航。

所述禁飞子空间Ω₁采用如下方法计算得到：

1)由LiDAR测量点云数据的分类结果中提取地面点、地物(建筑物、桥梁、铁路、公路等)、植被等分类结果的点云子集τ₁₀，确定高程增量Δz₁，对τ₁₀中所有散射点的高程值增加Δz₁得到点云子集τ₁；

2)对点云子集τ₁进行基于Delaunay三角剖分的三维曲面重建得到曲面Γ₁；

3)基于三维曲面Γ₁以及巡检飞行空间Ψ的边界面构建封闭的禁飞子空间Ω₁。

所述禁飞子空间Ω₂采用如下方法计算得到：

1)由LiDAR测量点云数据的分类结果中提取一个铁塔以及附属绝缘子等的点云子集τ₂₀；

2)将τ₂₀按照高程以固定长度为步进划分为数据集{τ₂₀|_i},i＝1,2,3,…,K；

3)对每一个数据集τ₂₀|_i向东北平面(东北天坐标系)做投影，计算投影后数据的外边界点集，进行曲线拟合，并沿拟合曲线垂线方向向外，对x，y坐标均增加一定距离进行整体外扩，得到数据集τ₂₀|_i的扩大投影边界l_i；

4)以l_i为准线，与天方向平行、长度为固定长度的直线段为母线，得到柱面。该柱面与其上下底面共同构成封闭曲面Γ₂|_i；

5)封闭曲面Γ₂|_i内部空间为Ω₂|_i，禁飞子空间

所述禁飞子空间Ω₃采用如下方法计算得到：

1)由LiDAR测量点云数据的分类结果中提取导线、地线、引流线等的点云子集τ₃₀，点云子集τ₃₀为离散的三维曲线；

2)确定半径Δr₃,以τ₃₀描述的三维曲线为轴心，计算半径为Δr₃的柱面Γ₃；

3)基于三维曲面Γ₃以及巡检飞行空间Ψ的边界面构建封闭的禁飞子空间Ω₃。

所述禁飞区采用构网的方式将三维实景划分为以固定长度为边长的正方体所组成的基础单元格，用基础单元格以规避设备误差带来的可能危险隐患，***总误差来源于多个方面，其中最主要来自于激光雷达测绘误差与无人机***控制误差。激光雷达可确认精度误差常规在3cm左右、最大不超过5cm，现有RTK技术可实现无人机位置判定平面精度误差不超过10cm、高程精度误差不超过20cm；由此判断***总误差

对巡检空间Ψ进行三维网格划分，单元格为大于***总误差的固定边长的正方体，在路径规划、航迹修正***中均以单元格为最小分辨单元。即当无人机反馈其实时位置位于***预期的单元格中时，认为满足精度要求。

由于飞行过程中存在较多的不确定干扰因素，所以无人机自主飞行过程中需要具备一定的自主校正航线的能力，所述偏航校正过程中，***根据RTK位置反馈判定无人机在某一导航点未能到达预期的矢量线导航折点单元格时，则自主返航至上一矢量线导航折点单元格；无人机因风偏等不可预计因素在两导航点之间偏离***预计的单元格序列，则按照最短路径返回***预计的单元格序列中，并继续按照已规划最短路径中的导航矢量线引导的单元格进行飞行；一旦通信中断情况发生时，根据前期无线传输的反向矢量路径进行原始路径返航。

无人机在电力巡检自主飞行过程中自动进行避障，使其在复杂多变的线路通道环境中量化地提高作业质量，防止线路本体受损及无人机坠毁，提升了作业效率，降低了经济成本。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (7)

1.一种无人机电力巡检自主飞行的避障方法，其特征在于，所述无人机电力巡检自主飞行的避障方法为:

构建禁飞区，防止路径规划不合理造成的无人机坠毁情况发生，禁飞区Ω在巡检空间Ψ内，巡检空间Ψ是指一个有充分测绘数据的封闭空间，其边界由测绘数据的边界、无人机***技术指标和待巡检电力设施空间坐标共同确定，禁飞区Ω主要由以下三部分组成：

1)Ω₁：包含地表及非待巡检电网设备的禁飞子空间；

2)Ω₂：包含线路杆塔的禁飞子空间；

3)Ω₃：包含导地线的禁飞子空间，总禁飞区为所有禁飞子空间的并集；

偏航校正，在无人机偏离预定航线时，自动进行校正返回至预定航线或根据前期无线传输的反向矢量路径进行原路径返航；

所述禁飞子空间Ω₂采用如下方法计算得到：

1)由LiDAR测量点云数据的分类结果中提取一个铁塔以及附属绝缘子的点云子集τ₂₀；

2)将τ₂₀按照高程以固定长度为步进划分为数据集{τ₂₀|_i},i＝1,2,3,…,K；

3)对每一个数据集τ₂₀|_i向东北天坐标系做投影，计算投影后数据的外边界点集，进行曲线拟合，并沿拟合曲线垂线方向向外，对x，y坐标均增加一定距离进行整体外扩，得到数据集τ₂₀|_i的扩大投影边界l_i；

4)以l_i为准线，与天方向平行、长度为固定长度的直线段为母线，得到柱面，该柱面与其上下底面共同构成封闭曲面Γ₂|_i；

5)封闭曲面Γ₂|_i内部空间为Ω₂|_i，禁飞子空间

2.如权利要求1所述的一种无人机电力巡检自主飞行的避障方法，其特征在于，所述禁飞子空间Ω₁采用如下方法计算得到：

1)由LiDAR测量点云数据的分类结果中提取地面点、建筑物、桥梁、铁路、公路和植被分类结果的点云子集τ₁₀，确定高程增量Δz₁，对τ₁₀中所有散射点的高程值增加Δz₁得到点云子集τ₁；

2)对点云子集τ₁进行基于Delaunay三角剖分的三维曲面重建得到曲面Γ₁；

3)基于三维曲面Γ₁以及巡检飞行空间Ψ的边界面构建封闭的禁飞子空间Ω₁。

3.如权利要求1所述的一种无人机电力巡检自主飞行的避障方法，其特征在于，所述禁飞子空间Ω₃采用如下方法计算得到：

1)由LiDAR测量点云数据的分类结果中提取导线、地线和引流线的点云子集τ₃₀，点云子集τ₃₀为离散的三维曲线；

2)确定半径Δr₃,以τ₃₀描述的三维曲线为轴心，计算半径为Δr₃的柱面Γ₃；

3)基于三维曲面Γ₃以及巡检飞行空间Ψ的边界面构建封闭的禁飞子空间Ω₃。

4.如权利要求1所述的一种无人机电力巡检自主飞行的避障方法，其特征在于，所述禁飞区采用构网的方式将三维实景划分为以固定长度为边长的正方体所组成的基础单元格，用基础单元格以规避设备误差带来的可能危险隐患。

5.如权利要求1所述的一种无人机电力巡检自主飞行的避障方法，其特征在于，所述偏航校正过程中，通信中断情况发生时，根据前期无线传输的反向矢量路径进行原始路径返航。

6.如权利要求1所述的一种无人机电力巡检自主飞行的避障方法，其特征在于，所述偏航校正过程中，***根据RTK位置反馈判定无人机在某一导航点未能到达预期的矢量线导航折点单元格时，则自主返航至上一矢量线导航折点单元格。

7.如权利要求1所述的一种无人机电力巡检自主飞行的避障方法，其特征在于，所述偏航校正过程中，无人机因风偏不可预计因素在两导航点之间偏离***预计的单元格序列，则按照最短路径返回***预计的单元格序列中，并继续按照已规划最短路径中的导航矢量线引导的单元格进行飞行。