CN108733755A - 一种基于输电线路三维信息的智能巡检方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于输电线路三维信息的智能巡检方法及系统，获取目标对象三维数据，提取输电线路目标对象型号、位置信息和/或目标对象的附属部件信息；利用三维建模技术生成目标对象或/和附属部件的三维模型；根据各个目标对象类型信息，获取其在三维空间中的局部坐标信息，计算各个目标对象中心的三维空间位置；确定安全巡检作业距离，结合待检测的部件三维空间位置，确定悬停坐标，依据输电线路走向与悬停坐标制定巡检路径和/或局部飞行策略，生成飞行巡检任务。

Description

一种基于输电线路三维信息的智能巡检方法及系统

技术领域

本发明涉及一种基于输电线路三维信息的智能巡检方法及系统。

背景技术

随着社会与经济的发展，对电力需求与依赖日趋增大，输电线路的运行状态，直接影响着社会的安定与国家经济的发展。无人机巡检技术作为一种新型、高效的巡检模式被引入到日常的巡检任务中，极大的提高了巡检的工作效率与巡检精度。但是目前无人机对输电线路的巡检任务依然主要是依靠人工操作来完成，工作人员通过地面站与遥控器实现无人机巡检平台的手动控制，劳动强度大且对工作人员的操作经验、巡检经验要求较高，亟需智能化、自动化的巡检系统以实现输电线路关键部件的智能化、自动化巡检，进而推广无人机巡检技术在输电线路巡检领域中的应用。

在现有输电线路自动采集系统及方法中，山东省电力集团电力科学研究院提出的基于视觉伺服的输电线路无人机巡检云台控制方法(ZL201210302421.0)与一种基于视觉伺服的杆塔图像采集系统及其方法(ZL201510907466.7)，通过基于视觉的方法捕捉输电线路及杆塔的关键部件，并结合视觉伺服系统实现关键部件的自动采集。由于输电线路处于空旷的自然环境中，视觉方法易受光照、天气等因素的影响，导致关键部件定位精度降低，从而无法稳定地实现关键部件信息的智能采集。航天图景(北京)科技有限公司提出的线路巡检标准化采集方法及系统(CN201510504379.4)，利用前期手控飞行及作业积累数据，设定无人机巡检的航路数据及相机参数，实现了针对特定设备信息的定点、重复采集。该方法只能依赖历史数据进行重复巡检工作，在执行新的巡检任务时，需要事先人工操作无人机巡检平台，获取航迹数据、悬停GPS信息及相机转动数据信息，有大量的重复性劳动。而且，无人机户外工作环境复杂，无人机平台无法保证重复巡检航路、GPS信息的准确性，导致采集信息失准。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种基于输电线路三维信息的智能巡检方法及系统，本发明利用三维建模技术，建立输电线路的三维信息；然后根据巡检任务确定目标对象及部件的全局信息与局部信息，计算部件的中心位置；最后根据输电线路走向及悬停坐标，规划巡检路线并形成巡检任务，下发至无人机巡检平台飞控端，由巡检平台自主完成关键部件的智能采集。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于输电线路三维信息的智能巡检方法，可应用于巡检无人机，包括以下步骤：

获取目标对象三维数据，提取输电线路目标对象的附属信息；

利用三维建模技术生成目标对象的三维模型；

根据各个目标对象类型信息，获取其在三维空间中的局部坐标信息，计算各个目标对象中心的三维空间位置；

确定安全巡检作业距离，结合待检测的部件三维空间位置，确定悬停坐标。依据输电线路走向与悬停坐标制定巡检路径和\或局部飞行策略，生成飞行巡检任务。

进一步的，利用三维建模技术生成目标对象的三维模型的过程包括：

构建目标对象及包括目标对象结构和绝缘子和金具在内的附属部件模型；

提取输电线路信息中的目标对象型号、目标对象位置、目标对象方向以及附属部件的全局坐标与局部坐标信息，形成部件模块与目标对象模块间的相对位置信息；

建立目标对象模型的信息索引表，以信息索引表为基础进行模块化的目标对象三维重建，形成输电线路目标对象三维抽象图。

更进一步的，构建目标对象及附属部件模型的过程包括：

对角铁进行三维抽象建模，并设定变换参数，对角铁长度进行修正，根据目标对象施工规范，组合成目标对象的支撑主体；

对目标对象的各类型塔头进行建模，设定不同的结构参数；

对绝缘子及重点巡查的金具进行抽象建模，描绘各部件大体的形状信息。

更进一步的，信息索引表的基本信息包括设备名称、类型和属性信息。

更进一步的，所述属性信息包括角度、长度和坐标。

进一步的，获取目标对象附属部件在三维空间中的局部坐标信息的过程包括：

根据构建的输电线路目标对象三维抽象图，获取部件各个端点的三维坐标信息，计算部件中心点位置；

结合巡检前进方向，对各部件中心点位置进行由下至上的排列。

更进一步的，部件中心点位置为该部件的各个端点的三维坐标信息之和的平均值。

进一步的，生成飞行巡检任务的过程中，依据部件位置与安全巡检作业距离生成巡检悬停序列，根据目标对象及线路走向，初步规划航迹，使航迹与线路走向相同，且与线路保持安全巡检作业距离。

进一步的，在进行悬停作业时，应用悬停航迹规划路线，将悬停空间切割成网格结构，利用图搜索算法进行局部路径规划，生成由一个悬停点到另一个悬停点的最短的飞行路径。

一种基于输电线路三维信息的智能巡检系统，包括：

参数获取模块，连接电网GIS系统，获取目标对象三维数据，提取输电线路目标对象型号、位置信息等附属部件信息；

三维建模模块，利用三维建模技术生成目标对象的三维模型；

位置信息获取模块，根据各个目标对象的类型信息，获取其在三维空间中的局部坐标信息，计算各个目标对象中心的三维空间位置；

巡检策略构建模块，确定安全巡检作业距离，结合待检测的部件三维空间位置，确定悬停坐标，依据输电线路走向与悬停坐标制定巡检路径和\或局部飞行策略，生成飞行巡检任务。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明利用三维建模技术，建立输电线路的三维信息；然后根据巡检任务确定目标对象的全局信息与局部信息，计算目标部件的中心位置；中心位置由精确的GIS静态信息计算得到，对环境的鲁棒性高、精度高；最后根据输电线路走向及悬停坐标，规划巡检路线并形成巡检任务，能够自主完成关键部件的智能采集。

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申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明目标对象三维建模流程图；

图2为本发明基于输电线路三维信息的无人机智能巡检方法流程图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。

本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。

如图2所示，一种基于输电线路三维信息的无人机智能巡检方法，以杆塔为目标对象进行说明。

当然，在其他实施例中，可以利用输电线路上其他具有代表性的物体作为目标对象，如利用绝缘子串作为目标对象。

通过电网GIS系统获取精准的杆塔GPS信息、杆塔型号及附属部件类型，利用三维建模技术，建立输电线路的三维信息；然后根据巡检任务确定杆塔及部件的全局信息与局部信息，计算部件的中心位置；最后根据输电线路走向及悬停坐标，规划巡检路线并形成巡检任务，下发至无人机巡检平台飞控端，由巡检平台自主完成关键部件的智能采集。

具体的方案如下：

步骤一：杆塔三维数据获取。对接电网GIS系统，筛选输电线路杆塔型号、位置信息、附属部件信息；

步骤二：利用三维建模技术，生成关键部件三维模型，通过建立基于模块化的输电线路杆塔建模规范，完成杆塔三维数据生成。

步骤三：关键部件位置获取。根据杆塔附属关键部件类型信息，获取其在三维空间中的局部坐标信息，并计算部件中心的三维空间位置，形成系列部件坐标。

步骤四：巡检任务规划。根据巡检作业规范，确定安全巡检作业距离，结合部件三维空间位置，确定无人机平台悬停坐标；依据输电线路走向与悬停坐标制定巡检路径和\或局部飞行策略，形成具体的飞行巡检任务。

步骤五：关键目标信息采集。通过飞行平台搭载的数据采集设备，对关键部件进行数据采集。

为实现快速的输电线路三维建模，利用基于模块化的建模方式构建杆塔三维模型，所述步骤二中的具体步骤为：

(1)构建杆塔及附属部件模型。杆塔的支撑结构是由不同型号的角铁组合而成。首先对角铁进行三维抽象建模，并设定变换参数，可对角铁长度进行修正，根据杆塔施工规范，组合成杆塔的支撑主体。其次，对杆塔的各类型塔头进行建模，设定不同的塔头结构参数，并与杆塔支撑主体组成整个杆塔支撑结构，最后，对绝缘子及重点巡查的金具进行抽象建模，描绘各部件大体的形状信息。

(2)对接电网GIS系统，过滤、提取输电线路信息中的杆塔型号、杆塔位置、杆塔方向、绝缘子挂点、金具挂点等设备的全局坐标与局部坐标信息，形成部件模块与杆塔模块间的相对位置信息。

(3)建立杆塔模型索引表。输电线路杆塔附属部件较多，且每种杆塔的附属部件不尽相同，为此制定统一的命名规范：杆塔型号_附属部件名称，每个部件有其典型属性及安装位置，在索引表的属性栏中，添加详细的属性参数及安装位置参数。

表1杆塔模型索引表

(4)输电线路杆塔三维重建。对接GIS系统，形成杆塔模型索引表具体内容，并以此为基础进行模块化的杆塔三维重建，形成输电线路杆塔三维抽象图。建模流程如图1所示。

为了实现关键部件的智能采集，需要定位出关键部件的空间位置，并形成巡检任务，指导无人机平台进行线路信息的采集。步骤三的具体步骤如下所示：

(1)获取关键部件空间位置。关键部件在三维空间中呈现出立体特性，通过步骤二中构建的输电线路杆塔三维抽象图，获取部件各个端点的三维坐标信息，计算部件中心点位置：

这里的Center(x,y,z)为部件中心点位置，P_i(x,y,z)为各部件端点位置。

(2)生成部件位置序列。对部件中心点位置进行排序，以部件的Z轴坐标为依据，结合巡检前进方向，对各部件中心点位置进行由下至上的排列。

为了保证巡检作业的安全进行，无人机巡检过程中需要与线路保持一定的安全作业距离，通过巡检任务规划，形成三维巡检策略，指导无人机平台进行智能巡检。

步骤四的具体内容如下：

(1)悬停序列，依据部件位置与安全距离生成巡检悬停序列：

Hang(x,y,z)＝Center(x,y,z)+(0,d,0)

Hang(x,y,z)为悬停位置，(0,d,0)为安全距离，其中d可以根据实际需求设定。

(2)巡检任务规划主要包括两部分：一是线路航迹规划、二是悬停航迹规划：

1)根据杆塔及线路走向，初步规划航迹，航迹走向与线路走向相同，且与线路保持安全距离。

2)在进行悬停作业时，应用悬停航迹规划路线，将悬停空间切割成N*N*N的网格结构，N设定为待巡检的部件数目，当无人机平台由一个悬停点到另一个悬停点时，利用图搜索算法进行局部路径规划，生成最短的飞行路径。

基于上述方法的输电线路三维信息的智能巡检系统，包括：

参数获取模块，连接电网GIS系统，获取杆塔三维数据，提取输电线路杆塔型号、位置信息和附属部件信息；

三维建模模块，利用三维建模技术生成杆塔附属部件的三维模型；

位置信息获取模块，根据各个杆塔附属部件类型信息，获取其在三维空间中的局部坐标信息，计算各个杆塔附属部件中心的三维空间位置；

巡检策略构建模块，确定安全巡检作业距离，结合待检测的部件三维空间位置，确定悬停坐标，依据输电线路走向与悬停坐标制定巡检路径和\或局部飞行策略，生成飞行巡检任务。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种基于输电线路三维信息的智能巡检方法，其特征是：包括以下步骤：

获取目标对象三维数据，提取输电线路目标对象的附属信息；

利用三维建模技术生成目标对象的三维模型；

根据各个目标对象类型信息，获取其在三维空间中的局部坐标信息，计算各个目标对象中心的三维空间位置；

确定安全巡检作业距离，结合待检测的部件三维空间位置，确定悬停坐标；依据输电线路走向与悬停坐标制定巡检路径和\或局部飞行策略，生成飞行巡检任务。

2.如权利要求1所述的一种基于输电线路三维信息的智能巡检方法，其特征是：利用三维建模技术生成目标对象附属部件的三维模型的过程包括：

构建目标对象及包括目标对象结构或/和附属部件模型；

提取输电线路信息中的目标对象型号、目标对象位置、目标对象方向以及附属部件的全局坐标与局部坐标信息，形成部件模块与目标对象模块间的相对位置信息；

建立目标对象模型的信息索引表，以信息索引表为基础进行模块化的目标对象三维重建，形成输电线路目标对象三维抽象图。

3.如权利要求1所述的一种基于输电线路三维信息的智能巡检方法，其特征是：构建目标对象及附属部件模型的过程包括：

对角铁进行三维抽象建模，并设定变换参数，对角铁长度进行修正，根据目标对象施工规范，组合成目标对象的支撑主体；

对目标对象的各类型塔头进行建模，设定不同的结构参数；

对绝缘子及重点巡查的金具进行抽象建模，描绘各部件大体的形状信息。

4.如权利要求2所述的一种基于输电线路三维信息的智能巡检方法，其特征是：信息索引表的基本信息包括设备名称、类型和属性信息。

5.如权利要求2所述的一种基于输电线路三维信息的智能巡检方法，其特征是：所述属性信息包括角度、长度和坐标。

6.如权利要求1所述的一种基于输电线路三维信息的智能巡检方法，其特征是：获取目标对象附属部件在三维空间中的局部坐标信息的过程包括：

根据构建的输电线路目标对象三维抽象图，获取部件各个端点的三维坐标信息，计算部件中心点位置；

结合巡检前进方向，对各部件中心点位置进行由下至上的排列。

7.如权利要求6所述的一种基于输电线路三维信息的智能巡检方法，其特征是：部件中心点位置为该部件的各个端点的三维坐标信息之和的平均值。

8.如权利要求2所述的一种基于输电线路三维信息的智能巡检方法，其特征是：生成飞行巡检任务的过程中，依据部件位置与安全巡检作业距离生成巡检悬停序列，根据目标对象及线路走向，初步规划航迹，使航迹与线路走向相同，且与线路保持安全巡检作业距离。

9.如权利要求2所述的一种基于输电线路三维信息的智能巡检方法，其特征是：在进行悬停作业时，应用悬停航迹规划路线，将悬停空间切割成网格结构，利用图搜索算法进行局部路径规划，生成由一个悬停点到另一个悬停的最短的飞行路径。

10.一种基于输电线路三维信息的智能巡检系统，其特征是：包括：

参数获取模块，连接电网GIS系统，获取目标对象三维数据，提取输电线路目标对象型号、位置信息等附属部件信息；

三维建模模块，利用三维建模技术生成目标对象的三维模型；

位置信息获取模块，根据各个目标对象的类型信息，获取其在三维空间中的局部坐标信息，计算各个目标对象中心的三维空间位置；

巡检策略构建模块，确定安全巡检作业距离，结合待检测的部件三维空间位置，确定悬停坐标，依据输电线路走向与悬停坐标制定巡检路径和\或局部飞行策略，生成飞行巡检任务。