一种基于串结构的自主巡检路径规划方法

2024-05-16李小宁郭光瑞

中国新通信 2024年4期

李小宁郭光瑞

摘要：本文介紹了一种基于串结构的自主巡检路径规划方法，通过对串结构的最短路径进行路径规划，并对串结构进行排序，计算巡检点顺序，实现了杆塔巡检的自动执行。该方法能够自动计算每个目标点的安全距离上的拍摄点和无人机载荷的姿态，确保整个串结构都能被拍摄到。同时，该方法能够自动计算拍摄塔基、全塔和塔号等目标点的拍摄点，具有选点少、自动化程度高的特点。通过使用该路径规划方法，可以降低人工选点的数量，同时提高巡检的效率和质量。

关键词：无人机；杆塔；线路；巡检；路径；规划；串结构

针对输电线路巡检作业，国网公司提出加强巡检技术应用，以取代传统的依靠人力为主的巡检方式。这种技术应用具有巡视范围广、巡检手段全面和作业效率高的优势。随着该技术在电力行业的广泛应用，对电力巡检的智能化和自主化水平提出了更高要求。

目前，应输电线路巡检的技术应用多种多样，其中大疆产品应用最为广泛。然而，大疆类产品自带的软件并不专门针对电网应用需求而研制，导致在真实巡检作业中存在一些问题。例如，巡检作业主要依赖手机获取影像，并要求无人机的位置精确，这限制了每次作业的效率。此外，目前的巡检作业大多为手控方式，缺乏智能化，且操作风险较高。专业人员稀缺和人工成本的制约也限制了输电线路巡检的规模发展。

另外，国内其他电力杆塔自主规划算法多以点云上某个目标点作为算法输入，需要人工或算法获得更多的目标点，并进行无人机和载荷的姿态设计。

鉴于上述问题，本文旨在提出一种基于串结构的自主巡检路径规划方法，以解决现有技术方案中基于点的航迹规划需要人工选取点云的问题，同时也解决无人机和载荷姿态需要人工调节的困难，这两个问题增加了人工成本并引入了人为误差。本文将通过算法设计、航线仿真、航线导出，以及算法验证结果四个方面来阐述基于串结构的自主巡检路径规划方法。

一、算法设计

本文所述的基于串结构的自主巡检路径规划方法以串结构为最短路径进行路径规划，并对串结构进行排序，计算巡检点顺序，执行杆塔巡检。在串结构巡检过程中，路径规划的最短距离可能是指绝缘子串的长度，即沿着绝缘子串进行巡检的最短路径，以确保覆盖所有检查点。

（一）总体方法以串结构为单位进行路径规划

根据串结构的信息，将其作为最小的巡检单元进行路径规划。同时，对串结构进行排序，以确定巡检顺序；

判断拍摄覆盖范围：根据串结构的幅宽，计算串结构端点的拍摄范围是否能够覆盖整个塔。如果无法覆盖，根据幅宽反算得到中间拍摄点，该点拍摄的照片能够覆盖整个串结构。

计算拍照点和姿态：根据两个地线挂点的位置，自动计算得到串结构、塔基以及其他目标点的拍照点。同时，根据目标点的特点，可以自动计算出相应的无人机和载荷姿态，以便进行合适的拍照操作。

计算其他目标点的拍照点和姿态：除了串结构和塔基等目标点，还可以根据需要自动计算其他目标点（如全塔）的拍照点和相应的无人机和载荷姿态。

（二）具体方法

（1）参数输入：在点云上拾取两类串结构，即绝缘子串和地线挂点。绝缘子串是有方向的线段组成的串结构，地线挂点是单独的点组成的特殊的串结构。将塔上的左、中、右、上、中、下绝缘子串及最上面两个地线挂点在拾取后得到各个点的三维坐标和方向属性，构造成算法需要的串结构。

①定向：沿着线路走向的方向，分左右侧。以线路走向为分界线，将各个串结构区分出左右属性。

②内容：具有包含①中方向属性的杆塔左右侧地线挂点和串结构的xyh坐标。对串结构的方向属性描述例如左侧地线挂点，右侧中绝缘子串。这样串结构具有方向、属性、三维位置坐标，是进行后续计算的数学基础。

（2）寻找杆塔最上面两端的地线挂点：根据（1）中参数输入的具有方向属性的杆塔左右侧地线挂点和串结构，遍历查找到属性为左侧或右侧地线挂点的串结构。

（3）根据步骤（2）中两个地线挂点信息，计算塔参数：方位角、单位向量、法向量、塔顶中心坐标、塔基中心坐标等。塔的单位向量是两个地线挂点组成的向量归一化后的单位向量v1；塔的法向量是v1沿着线路走向旋转90度构成的单位向量v2。

（4）将所有串拆分成左右串结构的集合L1，L2。

（5）左右串结构的集合L1，L2分别进行步骤（6）到（13）的操作。

（6）以串结构为单位，计算所有串结构的中心点。对于线段组成的串结构，中心点是两个端点坐标的平均值；对于单点如地线挂点组成的串结构，中心点就是本身。然后计算每两串结构中心点的距离，放在二维数组中，行列号都表示每个串结构索引0，1…，存放的数据是行号点到列号点的距离。同时记录高度值最大的值hmax和对应点的索引号。

（7）步骤（6）中最大高度对应的索引点作为起算点，寻找距离此点最近的点，将其索引放入新数组中。下次以此最近的点作为起算点，寻找距离此点最近且不在新数组中的点，将其索引放入新数组中。循环遍历得到由高到低依次排序的存放由串结构的有序数组。

（8）对有序数组中的串结构计算对应缓冲串结构，即安全串结构。通过沿着塔的单位向量的缩放平移，将串结构平移至安全距离，得到串结构对应的安全串结构，将得到的安全串结构加入新数组，并逆序排列，形成从下往上的有序数组。这个有序数组表示的是在此位置相对杆塔是安全的，无论是做拍照动作还是做过渡飞行动作。有了安全距离上的航线基础，才能进行进一步的拍照姿态的计算。没有安全，其他动作无从谈起。

（9）在安全串结构上计算对原始串结构的目标拍照点，对步骤（8）中安全串的端点即无人机航点，计算无人机对着目标点的无人机姿态和载荷姿态，并估算幅宽，对于两个端点不能覆盖到全串结构的情况，根据串结构长度反向计算中间拍照点，该点能够拍摄全串结构。要么两个端点能够覆盖全串结构，不需要增加辅助拍照点；要么两个端点能够覆盖不了全串结构，需要增加辅助拍照点，而这个辅助点是基于串中心点外延算出来的。

（10）通过沿着塔的单位向量的缩放旋转平移，计算地线挂点的安全点，并计算无人机对着目标点的无人机姿态和载荷姿态，即地线挂点拍照点。

（11）计算无人机载荷对准塔基的点，即看塔基的点，并计算无人机对着目标点的无人机姿态和载荷姿态，就是对塔基的拍照点。

（12）计算过渡点，用于安全地从上往下过渡。该点是左侧串结构上的端点、地线挂点、塔基三种点中距离塔中心点的水平投影距离最大，高度与塔顶一样的点。选取从塔顶端飞行出于安全考虑，塔下方的环境包括人、建筑、植被等不确定因素，塔上方环境更多的是空旷天空。

（13）整理左侧航线，依次为：过渡点，塔基拍照点，串结构的目标拍照点，地线挂点拍照点，过渡点。过渡点不拍照，姿态不做计算，用于无人机过渡航线用。

（14）计算进入全塔的点：看全塔的点，计算无人机对着全塔的无人机航点和载荷姿态，即全塔拍照点。杆塔的塔基到塔顶作为一个塔身的向量，塔身向天空方向加高h米，计算无人机距离多远，俯视多少角度能看全这个塔。

（15）计算看塔号的点，并计算无人机对着目标点的无人机姿态和载荷姿态，即塔号拍照点。塔号在点云上看不到，但是相同或类似塔形的杆塔塔号一般都在同一个位置。这里的塔号约定在塔头位置。基于两个地线挂点的中点沿着杆塔法向量延长一定长度，作为拍摄杆塔塔号的航点，将无人机的载荷向下俯视一定角度（基于不同塔型，角度有一个经验值）。以此得到无人机对着目标点的无人机航点位置和载荷姿态。

（16）计算退出全塔的点：在塔正上方俯视塔基开始拍照或录像的点，计算无人机对着目标点的无人机姿态和载荷姿态，即导线拍照或录像点。无人机以此点开始飞向下一个杆塔，在飞行过程中正对导线，通过视频或拍照形式，记录导线的此刻状态。

（17）整理规划航线。左侧航线和右侧航线重复6-13步骤，结合14-16的航点，得到规划后的航线，整理顺序依次为：全塔拍照点，左侧航线，塔号拍照点，右侧航线，导线拍照或录像点。这里说的航线是针对一个杆塔的巡线航线，基于杆塔单元的航线将整条线路上所有杆塔的巡线航线连接起来，就是一整条无人机自动巡检的航线。

二、航线仿真

航线仿真是指对设计好的巡检单塔的航线进行模拟仿真，通过动画演示来动态展示无人机的巡检顺序和姿态，并利用三维仿真来辅助预判航线的安全性和合理性。本文所述的基于串结构的自主巡检路径规划方法所得到的完整无人机自动巡检航线在投入实际外场飞行之前，需要经过航线仿真这一重要环节，而仿真模块则显得至关重要。仿真模块具有两个主要功能，即安全预警和飞行仿真。

安全预警，是指通过设置安全距离，并借助碰撞检测算法来判断各个航道和杆塔之间的距离是否在安全阈值范围内，从而对当前的航迹规划进行危险点检测。危险点检测的结果将直接展示在航线上，对航点和航线分别进行高亮標注，并提供危险点的统计信息，包括危险点的起止航点、危险距离等信息，便于清晰统计。

飞行仿真，是指以无人机的第一人称角度来观察各个航点下无人机在该姿态下的载荷视线内容，即观察该位置处的串结情况。支持手动调整无人机航点和姿态参数，可实时调整载荷俯仰角和安全距离，得到调整后的视线内容。仿真模块在航点列表及点云视图中删除所选航点信息；选中航点列表中的某一航点数据后，该航点的飞机姿态、载荷姿态和安全距离信息会显示在航点规划参数设置相应文本框中，可通过按钮来修改具体数据。对于需要修改整塔安全距禇，可在“整塔安全距离”文本框中输入数据后进行修改。

任何航线规划后必须进行仿真，只有在安全性得到保证的基础上再进行业务功能的验证，才能确保实际外场飞行的正常完成。

三、航线导出

航线导出是指根据输入的起始杆塔和终止杆塔，生成无人机飞行所需的航线格式。当起始杆塔和终止杆塔相同时，即为巡检单塔；否则，为巡检特定杆塔线路。

航线导出包括两种格式：①算法自定义格式：该格式的航线坐标以测量坐标系XYH为基准，用于软件内部的导入和导出；②KML格式（大疆无人机支持）：该格式的航线坐标使用相对坐标系，相对于无人机起飞点，因此在导出前需要输入无人机起飞点的高度。导出后，可以在支持KML格式的三维软件中打开并进行预览。

航线导出还支持双机巡检模式的选择，包括异侧同向和双机异向：①异侧同向：两架无人机沿着杆塔线路的同一个侧面、同一个方向飞行，分别巡检相同杆塔的不同关键点；②双机异向：飞行任务被划分为两个段落，每架无人机负责巡检若干个杆塔，航线巡检的杆塔不同。

根据飞行任务的需求，选择相应的双机巡检模式进行航线导出。

四、算法验证结果

本文所述的基于串结构的自主巡检路径规划方法在飞行验证过程中，设置安全距离为3或4米，并将算法得到的航线导出成大疆KML格式，然后使用大疆无人机进行实地飞行测试。尽管距离是安全的，但由于距离过近，在地线挂点处触发了大疆避障功能。因此，选择关闭避障功能以继续航行。

在与其他同类软件进行用户试用时，基于串结构的自主巡检路径规划方法和软件收到用户的反馈，称自动计算航线航点和姿态的流程自动化程度高。

该基于串结构的自主巡检路径规划方法已成功应用于杆塔巡检项目中。通过多次飞行巡检任务，对规划仿真数据和实际拍摄效果进行分析和经验值调整，例如调整拍摄塔头的俯视角度。实际拍摄结果显示，照片中的销钉清晰可见，全塔拍摄完整，塔基拍摄清晰，绝缘子串拍摄完整，并且达到了预期的拍摄效果，绝缘子串和销钉清晰可见。

五、结束语

相对于现有技术，本文所述的基于串结构的自主巡检路径规划方法具有多项优势。首先，该方法能够自动计算每个目标点上的安全拍照点以及无人机和载荷的姿态，确保整个串结构都能被拍摄到。此外，该方法还能够自动计算塔基、全塔、塔号等拍摄点，大大减少了人工选点的数据量，提高了路径规划的精度和效率。