CN115686073A - 一种基于无人机的输电线路巡检控制方法及*** - Google Patents

一种基于无人机的输电线路巡检控制方法及*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于无人机的输电线路巡检控制方法及***，涉及电力巡检技术领域，方法包括：无人机根据接收的巡检控制指令飞行至待巡检输电线路上方，并根据配置的初始飞行高度和初始飞行速度飞行；飞行过程中无人机检测与输电线路的距离，根据检测的距离控制无人机与输电线路保持安全距离；飞行过程中无人机采集输电线路图像，基于霍夫直线检测算法对输电线路图像中的输电线路进行识别和处理，根据识别结果控制无人机的飞行方向和输电线路的长度方向保持一致；检测输电线路图像中是否出现杆塔，若出现杆塔，则控制无人机悬停，之后按照预先配置的过塔高度和过塔飞行速度继续向前飞行。

Description

一种基于无人机的输电线路巡检控制方法及***
技术领域
本发明涉及电力巡检技术领域，尤其涉及一种基于无人机的输电线路巡检控制方法及***。
背景技术
无人机输电线路巡检普遍成为电力巡检中主要的巡检方式，而无人机自动化巡检将会大大提高巡检效率，减轻巡检人员的工作负担。
而无人机的巡检，需要预先对其进行路径规划，使得无人机按照预设的路径进行巡检，在此过程中，需要考虑无人机能够实时按照输电线路的方向飞行，遇到杆塔时实现固定高度飞行的自主过塔，目前有通过杆塔GPS位置信息对无人机飞行方向进行控制，但是在输电线路的环境中，由于杆塔数量过多并且位置大多接近城市生活地区，杆塔GPS位置信息难以采集，无法通过杆塔GPS位置信息对无人机飞行方向进行调整控制；另外，有通过视觉测距方式控制无人机与输电导线保持距离，实现自动仿线巡检，然而输电线路环境复杂，视觉测距的方案在实际场景中难以可靠实用；有通过三维激光雷达测距方式控制无人机与输电导线与其他障碍物保持距离，实现自动仿线巡检。例如，专利文献CN113778137A公开了一种输电线路的无人机自主巡检方法，无人机上搭载有激光雷达及定位模块， 无人机进行自主巡检时，激光雷达及所述定位模块实时采集数据；基于所述激光雷达及所述定位模块采集的数据生成所述输电线路的走廊区域的三维 实时点云数据；基于所述三维实时点云数据识别出预定目标物，并生成自动电力线跟随方案，以控制所述无人机跟随电力线飞行。激光雷达测距方式相对具有更强的鲁棒性，而三维激光雷达成本很高。
发明内容
本发明提供了一种基于无人机的输电线路巡检控制方法及***，能够有效降低无人机仿线飞行巡检的成本，并且可靠性高。
一种基于无人机的输电线路巡检控制方法，包括：
无人机根据接收的巡检控制指令飞行至待巡检输电线路上方，并根据配置的初始飞行高度和初始飞行速度飞行；
飞行过程中所述无人机检测与输电线路的距离，根据检测的距离控制无人机与输电线路保持安全距离；
飞行过程中所述无人机采集输电线路图像，基于霍夫直线检测算法对所述输电线路图像中的输电线路进行识别和处理，根据识别结果控制无人机的飞行方向和输电线路的长度方向保持一致；
检测所述输电线路图像中是否出现杆塔，若出现杆塔，则控制无人机悬停，之后按照预先配置的过塔高度和过塔飞行速度继续向前飞行。
进一步地，所述无人机基于PID控制算法控制无人机与输电线路保持安全距离。
进一步地，所述无人机基于残差神经网络模型检测所述输电线路图像中是否出现杆塔。
进一步地，所述方法还包括：
无人机接收返航指令，根据所述返航指令进行悬停，之后调整飞行方向飞行至指定返航点。
进一步地，基于霍夫直线检测算法对所述输电线路图像中的输电线路进行识别和处理，包括：
基于霍夫直线检测对所述输电线路图像中的线段进行检测，获得初步线段集合；
基于空间和角度对所述初步线段集合中的线段进行筛选和合并，获得合并线段集合；
从所述合并线段集合中选择最终最长线段作为输电线路。
进一步地，基于空间和角度对所述初步线段集合中的线段进行筛选和合并，获得合并线段集合，包括：
对所述初步线段集合中的所有线段按照长度进行排序，获得线段序列，所述线段序列中的各个线段包含端点坐标信息、长度信息和角度信息；
确定所述线段序列中的初始最长线段；
将所述线段序列中的其他线段与所述初始最长线段进行角度差值计算，选择角度差值不超过预设角度的线段加入第一相似线段集合；
遍历所述第一相似线段集合，计算所述第一相似线段集合中的各个线段的端点与所述初始最长线段对应的端点的欧式距离，将欧式距离不超过预设距离的线段加入第二相似线段集合；
根据所述初始最长线段的端点与第二相似线段集合中的线段端点的距离计算结果进行线段合并，获得合并线段集合。
进一步地，根据所述初始最长线段的端点与第二相似线段集合中的线段端点的距离计算结果进行线段合并，包括：
确定所述初始最长线段的两个端点分别为第一端点和第二端点，遍历所述第二相似线段集合，查找与所述第一端点距离最近的第三端点，将第三端点所在线段i的另一个端点定义为第四端点；
计算第一端点和第三端点的第一距离，第一端点和第四端点的第二距离，第二端点与第三端点的第三距离，第二端点与第四端点的第四距离；
将所述第一距离、第二距离、第三距离和第四距离进行比较，选择其中的最大距离，将所述初始最长线段和所述线段i进行合并，将最大距离对应的端点作为合并线段的两个端点。
一种应用于上述方法的基于无人机的输电线路巡检控制***，包括地面控制端和无人机，所述地面控制端用于发送巡检控制指令，所述无人机包括处理器和存储装置，所述存储装置存储有多条指令，所述处理器用于读取所述多条指令并执行：
根据接收的巡检控制指令飞行至待巡检输电线路上方，并根据配置的初始飞行高度和初始飞行速度飞行；
飞行过程中检测与输电线路的距离，根据检测的距离控制无人机与输电线路保持安全距离；
飞行过程中采集输电线路图像，基于霍夫直线检测算法对所述输电线路图像中的输电线路进行识别和处理，根据识别结果控制无人机的飞行方向和输电线路的长度方向保持一致；
检测所述输电线路图像中是否出现杆塔，若出现杆塔，则控制无人机悬停，之后按照预先配置的过塔高度和过塔飞行速度继续向前飞行。
进一步地，所述无人机上还设置有正交雷达模组和图像采集装置，所述无人机通过正交雷达模组检测与输电线路的距离，通过所述图像采集装置采集输电线路图像。
进一步地，所述正交雷达模组包括两个单线雷达和挂载挂件，两个单线雷达的扫描面相互正交，所述挂载挂件用于将两个单线雷达挂载于无人机的底部。
进一步地，所述处理器还用于执行：基于PID控制算法控制无人机与输电线路保持安全距离。
进一步地，所述处理器还用于执行：基于残差神经网络模型检测所述输电线路图像中是否出现杆塔。
进一步地，所述处理器还用于执行：接收返航指令，根据所述返航指令进行悬停，之后调整飞行方向飞行至指定返航点。
进一步地，所述处理器还用于执行：
基于霍夫直线检测对所述输电线路图像中的线段进行检测，获得初步线段集合；
基于空间和角度对所述初步线段集合中的线段进行筛选和合并，获得合并线段集合；
从所述合并线段集合中选择最终最长线段作为输电线路。
进一步地，所述处理器还用于执行：
对所述初步线段集合中的所有线段按照长度进行排序，获得线段序列，所述线段序列中的各个线段包含端点坐标信息、长度信息和角度信息；
确定所述线段序列中的初始最长线段；
将所述线段序列中的其他线段与所述初始最长线段进行角度差值计算，选择角度差值不超过预设角度的线段加入第一相似线段集合；
遍历所述第一相似线段集合，计算所述第一相似线段集合中的各个线段的端点与所述初始最长线段对应的端点的欧式距离，将欧式距离不超过预设距离的线段加入第二相似线段集合；
根据所述初始最长线段的端点与第二相似线段集合中的线段端点的距离计算结果进行线段合并，获得合并线段集合。
进一步地，所述处理器还用于执行：
遍历所述第二相似线段集合，确定所述初始最长线段与所述第二相似线段集合中第i个线段端点距离最近的第一端点和第二端点，确定所述初始最长线段与第i个线段的其他的第三端点和第四端点；
将所述初始最长线段和所述第i个线段进行合并，计算第一端点和第三端点的第一距离，第一端点和第四端点的第二距离，第二端点与第三端点的第三距离，第三端点与第四端点的第四距离；
将所述第一距离、第二距离、第三距离和第四距离进行比较，选择其中的最大距离，将最大距离对应的端点作为合并线段的两个端点。
本发明提供的基于无人机的输电线路巡检控制方法及***，至少包括如下有益效果：
（1）通过正交雷达模组检测与输电线路距离、输电线路的直线方向的识别以及杆塔识别，共同完成无人机仿线飞行，能够有效降低无人机巡检成本；
（2）相对于激光雷达和复杂的视觉识别技术，通过PID控制算法完成距离控制，通过霍夫直线检测及线段处理实现无人机仿线飞行，方法更为简单，节省无人机机载计算机的算法流程，并且可靠性更高；
（3）通过霍夫直线检测获得输电线路的基本线段，之后基于最长线段进行空间和角度的筛选以及合并，使得识别的输电线路准确性更高，从而为无人机的飞行方向提供依据。
附图说明
图1为本发明提供的基于无人机的输电线路巡检控制方法一种实施例的流程图。
图2为本发明提供的基于无人机的输电线路巡检控制方法中对输电线路进行识别和处理一种实施例的流程图。
图3为本发明提供的基于无人机的输电线路巡检控制方法中对线段进行筛选和合并一种实施例的流程图。
图4为本发明提供的基于无人机的输电线路巡检控制方法中对线段合并一种实施例的示意图。
图5为本发明提供的基于无人机的输电线路巡检控制***一种实施例的结构示意图。
图6为本发明提供的基于无人机的输电线路巡检控制***中无人机一种实施例的结构示意图。
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案做详细的说明。
参考图1，在一些实施例中，提供一种基于无人机的输电线路巡检控制方法，包括：
S1、无人机根据接收的巡检控制指令飞行至待巡检输电线路上方，并根据配置的初始飞行高度和初始飞行速度飞行；
S2、飞行过程中所述无人机检测与输电线路的距离，根据检测的距离控制无人机与输电线路保持安全距离；
S3、飞行过程中所述无人机采集输电线路图像，基于霍夫直线检测算法对所述输电线路图像中的输电线路进行识别和处理，根据识别结果控制无人机的飞行方向和输电线路的长度方向保持一致；
S4、检测所述输电线路图像中是否出现杆塔，若出现杆塔，则控制无人机悬停，之后按照预先配置的过塔高度和过塔飞行速度继续向前飞行。
具体地，步骤S1中，通过地面控制端向无人机发送巡检控制指令，无人机设置有无线通信模块，作为一种可选的实施方式，该无线通信模块为2.4GHz无线传输模块，通过该无线通信模块与地面控制端进行通信连接，无人机预先设置初始飞行高度、初始飞行速度、过塔高度和过塔飞行速度，无人机接收到巡检控制指令后飞行至待巡检输电线路上方，并根据配置的初始飞行高度和初始飞行速度飞行。
进一步地，步骤S2中，步骤S2中，无人机检测与输电线路的距离，根据检测的距离控制无人机与输电线路保持安全距离，其中，无人机上设置有正交雷达模组，通过该正交雷达模型检测与输电线路的距离。
作为一种可选的实施方式，正交雷达模组包括两个单线雷达和挂载挂件，两个单线雷达的扫描面相互正交，所述挂载挂件用于将两个单线雷达挂载于无人机的底部。
无人机设置有嵌入式计算机，通过该嵌入式计算机进行所以的逻辑计算。
作为一种可选的实施方式，无人机基于PID控制算法控制无人机与输电线路保持安全距离。
PID控制，通过给定值和实际输出值构成控制偏差，将偏差按比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。鲁棒性好，可靠性高。
无人机通过正交雷达模组采集与输电线路的距离，对其进行动态控制，使得无人机与输电线路保持安全距离。
通过正交雷达模组采集的距离控制无人机与输电线路保持安全距离，相对于三维激光雷达，控制方法简单、可靠性强且成本低，然而还需进一步控制无人机按照输电线路方向飞行。
进一步地，步骤S3中，参考图2，基于霍夫直线检测算法对所述输电线路图像中的输电线路进行识别和处理，包括：
S31、基于霍夫直线检测对所述输电线路图像中的线段进行检测，获得初步线段集合；
S32、基于空间和角度对所述初步线段集合中的线段进行筛选和合并，获得合并线段集合；
S33，从所述合并线段集合中选择最终最长线段作为输电线路。
具体地，步骤S31中，基于霍夫直线检测对所述输电线路图像中的线段进行检测，获得初步线段集合D，由于输电线路环境复杂，霍夫直线检测的结果不一定都是由输电导线组成，并且同一条输电导线可能以多条断裂线段表示。因此，对检测的线段从空间和角度两个方面进行筛选合并处理。
进一步地，步骤S32中，参考图3，基于空间和角度对所述初步线段集合中的线段进行筛选和合并，获得合并线段集合，包括：
S321、对所述初步线段集合D中的所有线段按照长度进行排序，获得线段序列
Figure 54485DEST_PATH_IMAGE001
，n为线段数量，所述线段序列L中的各个线段包含端点坐标信息、长度信息 和角度信息；
S322、确定所述线段序列中的初始最长线段
Figure 440467DEST_PATH_IMAGE002
，其中，
Figure 79259DEST_PATH_IMAGE003
、
Figure 192578DEST_PATH_IMAGE004
、
Figure 600425DEST_PATH_IMAGE005
、
Figure 94992DEST_PATH_IMAGE006
分别为最长线段的左端点坐标、右端点坐标、长度和角度；
S323、当序列线段L不为空时，将线段序列L中的其他线段与所述初始最长线段进 行角度差值计算，选择角度差值不超过预设角度的线段加入第一相似线段集合Q1；即将线 段序列中其他线段
Figure 83064DEST_PATH_IMAGE007
的角度与角度
Figure 875439DEST_PATH_IMAGE006
进行比较，将差值不超过预设角度
Figure 278739DEST_PATH_IMAGE008
的线段
Figure 865578DEST_PATH_IMAGE009
从线段序列中删除，加入第一相似线段集合Q1。否则，筛选合并处理完成，
S324、遍历所述第一相似线段集合Q1，计算所述第一相似线段集合中的各个线段的端点与所述初始最长线段对应的端点的欧式距离，将欧式距离不超过预设距离的线段加入第二相似线段集合Q2；
S325、根据所述初始最长线段的端点与第二相似线段集合中的线段端点的距离计算结果进行线段合并，获得合并线段集合M。
具体地，参考图4，根据所述初始最长线段的端点与第二相似线段集合中的线段端点的距离计算结果进行线段合并，包括：
确定所述初始最长线段的两个端点分别为第一端点a和第二端点b，遍历所述第二相似线段集合，查找与所述第一端点a距离最近的第三端点c，将第三端点c所在线段i的另一个端点定义为第四端点d；
计算第一端点a和第三端点c的第一距离，第一端点a和第四端点d的第二距离，第二端点b与第三端点c的第三距离，第二端点b与第四端点d的第四距离；
将第一距离、第二距离、第三距离和第四距离进行比较，选择其中的最大距离，将所述初始最长线段和所述线段i进行合并，将最大距离对应的端点作为合并线段的两个端点。
经过上述计算，以识别的最长线段为基准，从空间和角度两个方面进行筛选合并处理，进而识别出输电线路，从而为无人机的飞行方向提供依据。
进一步地，步骤S4中，所述无人机基于残差神经网络模型检测所述输电线路图像中是否出现杆塔。
具体地，无人机上设置有图像采集装置，可以为可见光高清摄像头，可支持水平和垂直两个方向转动，用于无人机仿线飞行过程中对输电线路图像采集。
进一步地，当无人机电量不足或者无人机已经完成巡检任务等需要无人机返航的情况下可通过地面控制端发送返航指令至无人机，无人机接收返航指令，根据所述返航指令进行悬停，之后调整飞行方向飞行至指定返航点。
参考图5，在一些实施例中，提供一种应用于上述方法的基于无人机的输电线路巡检控制***，包括地面控制端1和无人机2，地面控制端1用于发送巡检控制指令，无人机2包括处理器21和存储装置22，存储装置22存储有多条指令，处理器21用于读取所述多条指令并执行：
根据接收的巡检控制指令飞行至待巡检输电线路上方，并根据配置的初始飞行高度和初始飞行速度飞行；
飞行过程中检测与输电线路的距离，根据检测的距离控制无人机与输电线路保持安全距离；
飞行过程中采集输电线路图像，基于霍夫直线检测算法对所述输电线路图像中的输电线路进行识别和处理，根据识别结果控制无人机的飞行方向和输电线路的长度方向保持一致；
检测所述输电线路图像中是否出现杆塔，若出现杆塔，则控制无人机悬停，之后按照预先配置的过塔高度和过塔飞行速度继续向前飞行。
参考图6，无人机2上还设置有正交雷达模组23和图像采集装置24，无人机2通过正交雷达模组23检测与输电线路的距离，通过图像采集装置24采集输电线路图像。
其中，正交雷达模组23包括两个单线雷达和挂载挂件，两个单线雷达的扫描面相互正交，挂载挂件用于将两个单线雷达挂载于无人机的底部。
上述实施例提供的基于无人机的输电线路巡检控制方法及***，至少包括如下有益效果：
（1）通过正交雷达模组检测与输电线路距离、输电线路的直线方向的识别以及杆塔识别，共同完成无人机仿线飞行，能够有效降低无人机巡检成本；
（2）相对于激光雷达和复杂的视觉识别技术，通过PID控制算法完成距离控制，通过霍夫直线检测及线段处理实现无人机仿线飞行，方法更为简单，节省无人机机载计算机的算法流程，并且可靠性更高；
（3）通过霍夫直线检测获得输电线路的基本线段，之后基于最长线段进行空间和角度的筛选以及合并，使得识别的输电线路准确性更高，从而为无人机的飞行方向提供依据。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种基于无人机的输电线路巡检控制方法，其特征在于，包括：
无人机根据接收的巡检控制指令飞行至待巡检输电线路上方，并根据配置的初始飞行高度和初始飞行速度飞行；
飞行过程中所述无人机检测与输电线路的距离，根据检测的距离控制无人机与输电线路保持安全距离；
飞行过程中所述无人机采集输电线路图像，基于霍夫直线检测算法对所述输电线路图像中的输电线路进行识别和处理，根据识别结果控制无人机的飞行方向和输电线路的长度方向保持一致；
检测所述输电线路图像中是否出现杆塔，若出现杆塔，则控制无人机悬停，之后按照预先配置的过塔高度和过塔飞行速度继续向前飞行。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述无人机基于PID控制算法控制无人机与输电线路保持安全距离。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述无人机基于残差神经网络模型检测所述输电线路图像中是否出现杆塔。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
无人机接收返航指令，根据所述返航指令进行悬停，之后调整飞行方向飞行至指定返航点。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于霍夫直线检测算法对所述输电线路图像中的输电线路进行识别和处理，包括：
基于霍夫直线检测对所述输电线路图像中的线段进行检测，获得初步线段集合；
基于空间和角度对所述初步线段集合中的线段进行筛选和合并，获得合并线段集合；
从所述合并线段集合中选择最终最长线段作为输电线路。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，基于空间和角度对所述初步线段集合中的线段进行筛选和合并，获得合并线段集合，包括：
对所述初步线段集合中的所有线段按照长度进行排序，获得线段序列，所述线段序列中的各个线段包含端点坐标信息、长度信息和角度信息；
确定所述线段序列中的初始最长线段；
将所述线段序列中的其他线段与所述初始最长线段进行角度差值计算，选择角度差值不超过预设角度的线段加入第一相似线段集合；
遍历所述第一相似线段集合，计算所述第一相似线段集合中的各个线段的端点与所述初始最长线段对应的端点的欧式距离，将欧式距离不超过预设距离的线段加入第二相似线段集合；
根据所述初始最长线段的端点与第二相似线段集合中的线段端点的距离计算结果进行线段合并，获得合并线段集合。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，根据所述初始最长线段的端点与第二相似线段集合中的线段端点的距离计算结果进行线段合并，包括：
确定所述初始最长线段的两个端点分别为第一端点和第二端点，遍历所述第二相似线段集合，查找与所述第一端点距离最近的第三端点，将第三端点所在线段i的另一个端点定义为第四端点；
计算第一端点和第三端点的第一距离，第一端点和第四端点的第二距离，第二端点与第三端点的第三距离，第二端点与第四端点的第四距离；
将所述第一距离、第二距离、第三距离和第四距离进行比较，选择其中的最大距离，将所述初始最长线段和所述线段i进行合并，将最大距离对应的端点作为合并线段的两个端点。
8.一种应用于如权利要求1-7任一所述方法的基于无人机的输电线路巡检控制***，其特征在于，包括地面控制端和无人机，所述地面控制端用于发送巡检控制指令，所述无人机包括处理器和存储装置，所述存储装置存储有多条指令，所述处理器用于读取所述多条指令并执行：
根据接收的巡检控制指令飞行至待巡检输电线路上方，并根据配置的初始飞行高度和初始飞行速度飞行；
飞行过程中检测与输电线路的距离，根据检测的距离控制无人机与输电线路保持安全距离；
飞行过程中采集输电线路图像，基于霍夫直线检测算法对所述输电线路图像中的输电线路进行识别和处理，根据识别结果控制无人机的飞行方向和输电线路的长度方向保持一致；
检测所述输电线路图像中是否出现杆塔，若出现杆塔，则控制无人机悬停，之后按照预先配置的过塔高度和过塔飞行速度继续向前飞行。
9.根据权利要求8所述的***，其特征在于，所述无人机上还设置有正交雷达模组和图像采集装置，所述无人机通过正交雷达模组检测与输电线路的距离，通过所述图像采集装置采集输电线路图像。
10.根据权利要求9所述的***，其特征在于，所述正交雷达模组包括两个单线雷达和挂载挂件，两个单线雷达的扫描面相互正交，所述挂载挂件用于将两个单线雷达挂载于无人机的底部。
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