CN111044044B - 一种电力无人机巡检路线规划方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电力无人机巡检路线规划方法和装置，该方法包括环境建模、任务建模、路线规划3个步骤。本发明提出的电力无人机巡检路线规划方法，将待巡视的杆塔、线路、场地等电力设施及其周边环境，进行空间三维建模；将巡检任务所包含的各个任务点的位置坐标、拍摄角度等参数进行整理，得到子任务集合；根据环境建模结果和任务建模结果，计算最优路线。该方法具有安全性强、规划速度快、巡检效率高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种电力无人机巡检路线规划方法和电力无人机巡检路线规划装置。
背景技术
随着电网技术发展，使用无人机进行输电线路巡检已经成为常态，现有的电力巡检无人机通常由巡检人员操作飞行，或事先将飞行路径设置好，再由智能飞控***操作无人机飞行。
在无人机巡检路线规划方面，一般是专业技术人员根据自己的经验和习惯手动决定。人工进行无人机巡检线路规划，比较方便，但也比较粗糙，往往得不到一个耗时耗能最低的巡检方案。而如果经过精确计算，来获得一个耗时耗能较低的巡检方案，又需要花费很长时间来进行计算和规划。
因此，需要一种电力无人机巡检路线智能规划方法，来对无人机巡检的方案进行高效快速规划，并得到安全可靠、低耗时低耗能的巡检路线。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电力无人机巡检路线规划方法，以代替人工手动规划。
本发明的目的还在于提供一种电力无人机巡检路线规划装置，以代替人工手动规划。
为此，本发明一方面提供了一种电力无人机巡检线路规划方法，包括以下步骤：空间建模步骤：对待巡视的电力设施及其周边环境，进行空间三维建模，得到他们的空间占位信息；状态建模步骤：根据现场安全因素设置安全飞行距离和安全飞行高度，结合空间建模步骤的信息，得到无人机在此次任务中允许飞行的空间；任务建模步骤：将此次巡检任务所包含的各个任务点的相关参数进行整理，得到子任务集合，且分别设置合适的起飞位置范围和合适的降落位置范围，分别对应起飞前状态和降落后状态；问题建模步骤：将无人机路线规划问题转换为一个简单有向图的周游问题，其中，所述简单有向图的节点包括：无人机起飞前的状态为起始节点，落地状态为终止节点，各个子任务的状态为中间节点；所述简单有向图的节点之间边的权重为无人机从一个节点到达另一个节点的最低代价；以及问题求解步骤：利用图论相关算法，对所述问题建模步骤产生的周游问题求最优解，得到无人机路线规划最优方案。
根据本发明的另一方面，提供了一种电力无人机巡检线路规划装置，包括：空间建模模块，用于对待巡视的电力设施及其周边环境，进行空间三维建模，得到他们的空间占位信息；状态建模模块，用于根据现场安全因素设置安全飞行距离和安全飞行高度，结合所述三维建模的信息，得到无人机在此次任务中允许飞行的空间；任务建模模块，用于将此次巡检任务所包含的各个任务点的相关参数进行整理，得到子任务集合，且分别设置合适的起飞位置范围和合适的降落位置范围，分别对应起飞前状态和降落后状态；问题建模模块，用于将无人机路线规划问题转换为一个简单有向图的周游问题，其中，所述简单有向图的节点包括：无人机起飞前的状态为起始节点，落地状态为终止节点，各个子任务的状态为中间节点；所述简单有向图的节点之间边的权重为无人机从一个节点到达另一个节点的最低代价；以及问题求解模块，用于利用图论相关算法，对所述周游问题，求最优解，得到无人机路线规划最优方案。
本发明的电力无人机巡检路线规划方法具有如下优势：
1、根据巡检目标的空间占位，考虑运行状态、环境状态等因素，确定安全距离，得到空间中的安全飞行范围，保证了路线规划的结果的安全性；
2、利用智能路线规划方法，规划速度比人工规划有显著提升；
3、将路线规划问题转换为图论问题求解，得到的巡检路线方案具有低耗时低耗能等优点，提高了无人机巡检的效率。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是根据本发明的杆塔及周边环境空间建模示意图；
图2是根据本发明的状态建模示意图；
图3是根据本发明的任务规划示意图；
图4是根据本发明的有向简单图构建示意图；
图5是根据本发明的电力无人机巡检路线规划方法的流程图；以及
图6是根据本发明的电力无人机巡检路线规划装置的框图。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
本发明将待巡视的杆塔、线路、场地等电力设施及其周边环境，进行空间三维建模；将巡检任务所包含的各个任务点的位置坐标、拍摄角度等参数进行整理，得到子任务集合；根据环境建模结果和任务建模结果，计算最优路线。该方法具有安全性强、规划速度快、巡检效率高等优点。
结合参照图1至图4，本发明提出了一种电力无人机巡检路线规划方法，包括环境建模、任务建模、路线规划3个步骤。
所述环境建模步骤包括空间建模、状态建模2个环节(或称为子步骤)。
在所述空间建模环节，对待巡视的杆塔、线路、场地等电力设施及其周边山水树路地等环境，进行空间三维建模，得到他们的空间占位信息。
在空间三维建模中优选地以简单的几何体例如圆柱体、球体、长方体、圆锥体、圆台体、多面体等，来代替复杂形状的巡检对象、障碍物。
在所述状态建模环节，根据线路电压等级、通电状态、环境风速、气温、气压等因素，设置安全飞行距离和安全飞行高度。结合空间建模环节的信息，得到无人机在此次任务中允许飞行的空间。
在所述任务建模步骤，将此次巡检任务所包含的各个任务点的位置坐标、拍摄角度等参数进行整理，得到子任务集合。
所述路线规划步骤包含问题建模和问题求解2个环节。
在所述问题建模环节，将无人机路线规划问题转换为一个简单有向图的周游问题。
所述简单有向图的节点包括：无人机起飞前的状态为起始节点，落地状态为终止节点，各个子任务的状态为中间节点。有且仅有1个起始节点、1个终止节点，有至少1个中间节点。
所述简单有向图的节点之间边的权重为无人机从一个节点到达另一个节点的最低代价，例如耗时最低、耗能最低、或者耗时耗能综合指标均最低，其中起始节点只有出边，终止节点只有入边。中间节点到中间节点的权重，通过环境建模的结果，以及无人机的性能参数，计算、实验或预估得到；起始节点到某一中间节点的权重，是以合适的起飞范围内任一地点作为起飞点，到该中间节点的最低代价的最小值；某一中间节点到终止节点的权重，是以合适的降落范围内任一地点作为降落点，该中间节点到降落点的最低代价的最小值。
所述周游问题的优化目标是无人机从起始节点出发，经过所有中间节点，最后到达终止节点，并使得所经过的边的权重总和最低。
在所述问题求解环节，利用图论相关算法，对问题建模环节产生的问题，求最优解，并根据图论问题最优解，得到无人机路线规划最优解。
所述的无人机路线规划最优解，包括无人机的起飞点位置、降落点位置、各子任务的执行顺序。
下面结合图1至图5以无人机对杆塔巡检为例对本方法加以说明。
S1、环境建模
S1.1、空间建模
对杆塔及周边环境进行空间建模，如图1所示。本实例中以圆柱体代替杆塔的复杂形状。
S1.2、状态建模
根据运行状态，天气，风速等，设置安全距离，得到可飞行范围，如图2所示。
S2、任务建模
对巡检任务，进行整理，得到子任务集合。确定合适的起飞和降落位置范围，如图3所示。
S3、路线规划
S3.1、问题建模
根据S1.2和S2的结果，计算起飞前状态到各任务点的最低代价，计算各任务点之间的最低代价，计算各任务点到降落后状态的最低代价。构建有向简单图的节点、边、权重，如图4所示。
S3.2、问题求解
利用穷举法对图的周游问题求最优解，得到总权重最小的周游路径。结果是“起始-任务2-任务1-终止”。
S4、巡检方案
根据S3.2的结果，确定无人机的任务执行顺序，即“任务2-任务1”。
根据S3.1计算最低代价的中间结果，确定起飞点，即从合适起飞范围内，到达任务2的最低代价达到最小值的位置；确定降落点，即从任务1到合适降落范围内，最低代价达到最小值的位置。
根据S3.1计算最低代价的中间结果，确定各任务点之间飞行的精确路线。
本发明通过环境建模、任务建模和路线规划，智能地对无人机巡检任务进行路线规划，得到无人机巡检方案，具有安全性强、规划速度快、巡检效率高等优点。
本发明还提供了一种电力无人机巡检线路规划装置，如图6所示，包括：环境建模10、任务建模20、路线规划30这3个模块。其中，环境建模模块10包括空间建模11、状态建模12这2个子模块。路线规划模块30包含问题建模31和问题求解32这2个子模块。
所述空间建模模块11用于对待巡视的电力设施及其周边环境，进行空间三维建模，得到他们的空间占位信息。
所述状态建模模块12用于根据现场安全因素设置安全飞行距离和安全飞行高度，结合所述空间占位信息，得到无人机在此次任务中允许飞行的空间。
所述任务建模模块20用于将此次巡检任务所包含的各个任务点的相关参数进行整理，得到子任务集合，且分别设置合适的起飞位置范围和合适的降落位置范围，分别对应起飞前状态和降落后状态。
所述问题建模模块31用于将无人机路线规划问题转换为一个简单有向图的周游问题，其中，所述简单有向图的节点包括：无人机起飞前的状态为起始节点，落地状态为终止节点，各个子任务的状态为中间节点；所述简单有向图的节点之间边的权重为无人机从一个节点到达另一个节点的最低代价。
所述问题求解模块32用于利用图论相关算法，对所述周游问题，求最优解，得到无人机路线规划最优方案。
本发明通过环境建模、任务建模和路线规划，智能地对无人机巡检任务进行路线规划，得到无人机巡检方案，具有安全性强、规划速度快、巡检效率高等优点。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种电力无人机巡检线路规划方法，其特征在于，包括以下步骤：
对待巡视的电力设施及其周边环境，进行空间三维建模，得到他们的空间占位信息；
根据现场安全因素设置安全飞行距离和安全飞行高度，结合空间占位信息，得到无人机在此次任务中允许飞行的空间；
在所述允许飞行的空间内，将此次巡检任务所包含的各个任务点的相关参数进行整理，得到子任务集合，且分别设置起飞位置范围和降落位置范围，分别对应起飞前状态和降落后状态；
将无人机路线规划问题转换为一个简单有向图的周游问题，其中，所述简单有向图的节点包括：无人机起飞前状态为起始节点，降落后状态为终止节点，各个子任务的状态为中间节点；所述简单有向图的节点之间边的权重为无人机从一个节点到达另一个节点的最低代价；以及
对所述周游问题求最优解，得到无人机路线规划最优方案。
2.根据权利要求1所述的电力无人机巡检线路规划方法，其特征在于，所述周游问题的优化目标是无人机从起始节点出发，经过所有中间节点，最后到达终止节点，并使得所经过的边的权重总和最低。
3.根据权利要求1所述的电力无人机巡检线路规划方法，其特征在于，所述从一个节点到达另一个节点的最低代价是指耗时最低、耗能最低、或者耗时耗能均最低。
4.根据权利要求1所述的电力无人机巡检线路规划方法，其特征在于，
所述中间节点到中间节点的权重是通过环境建模的结果，以及无人机的性能参数，计算、实验或预估得到；
所述起始节点到某一中间节点的权重，是以起飞范围内任一地点作为起飞点，到该中间节点的最低代价的最小值；
所述某一中间节点到终止节点的权重，是以降落范围内任一地点作为降落点，该中间节点到降落点的最低代价的最小值。
5.根据权利要求1所述的电力无人机巡检线路规划方法，其特征在于，所述待巡视的电力设施包括杆塔、线路和场地，所述周边环境包括山、水、树、路和地。
6.根据权利要求1所述的电力无人机巡检线路规划方法，其特征在于，所述现场安全因素包括线路电压等级、通电状态、环境风速、气温和气压。
7.根据权利要求1所述的电力无人机巡检线路规划方法，其特征在于，所述各个任务点的相关参数包括位置坐标和拍摄角度。
8.根据权利要求1所述的电力无人机巡检线路规划方法，其特征在于，所述无人机路线规划最优解包括无人机的起飞点位置、降落点位置、以及各子任务的执行顺序。
9.一种电力无人机巡检线路规划装置，其特征在于，包括：
空间建模模块，用于对待巡视的电力设施及其周边环境，进行空间三维建模，得到他们的空间占位信息；
状态建模模块，用于根据现场安全因素设置安全飞行距离和安全飞行高度，结合所述三维建模的信息，得到无人机在此次任务中允许飞行的空间；
任务建模模块，用于将此次巡检任务所包含的各个任务点的相关参数进行整理，得到子任务集合，且分别设置合适的起飞位置范围和合适的降落位置范围，分别对应起飞前状态和降落后状态；
问题建模模块，用于将无人机路线规划问题转换为一个简单有向图的周游问题，其中，所述简单有向图的节点包括：无人机起飞前的状态为起始节点，落地状态为终止节点，各个子任务的状态为中间节点；所述简单有向图的节点之间边的权重为无人机从一个节点到达另一个节点的最低代价；以及
问题求解模块，用于利用图论相关算法，对所述周游问题，求最优解，得到无人机路线规划最优方案。
10.根据权利要求9所述的电力无人机巡检线路规划装置，其特征在于，所述无人机路线规划最优解包括无人机的起飞点位置、降落点位置、以及各子任务的执行顺序。
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