CN117826854A - 基于三维空间目标点提取的电力巡检航线全自主规划方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于三维空间目标点提取的电力巡检航线全自主规划方法，通过对线路点云模型进行解析加载，然后点云自动分类提取；针对不同塔型航拍流程，分析判断杆塔塔身航点位置及偏航角参数，判断绝缘子串类型及空间方位，而后计算生成杆塔航点和绝缘子航点，按照巡飞作业流程要求，按顺序对所有航点依次连接，形成当前杆塔完整的巡检航线；然后航线安全校验并进行修改调整，最终输出安全可靠的自主巡检航线。本发明实现输电线路自主巡检航线的全自动规划，并结合安全距离阈值进行安全校核计算，最终输出安全、可靠的巡检航线。
Description
技术领域
本发明属于电力巡检技术领域，涉及基于三维空间目标点提取的电力巡检航线全自主规划方法。
背景技术
当前，输配电线路已普遍使用激光点云模型规划自主巡视航线，逐步从手动刺点的人工规划模式，升级至航线匹配规划的半自动模式，利用输电线路点云与杆塔的类型、型号等台账字段的映射关系对航线方案进行对应匹配，完成自主巡检航线规划。该方式需提前建立规模庞大的航线方案数据库，以满足各类塔型的航线规划应用。此外，同类型同型号的杆塔，受呼高、横担架设角度不同等因素影响，导致所匹配的航线方案，常常不能与杆塔需巡检的航拍点完全匹配对应，仍需人工介入调整，存在较大的航线修改工作量。
发明内容
针对现阶段输电线路自主巡检航线规划方式中存在的现状问题，本发明提供了基于三维空间目标点提取的电力巡检航线全自主规划方法。本发明利用点云模型自动分类技术，实现输电线路点云模型中杆塔、绝缘子、导线等点云类别的自动识别及提取，分析导地线挂点、绝缘子挂点位置，而后结合输电精细化巡检航拍流程要求，实现输电线路自主巡检航线的全自动规划，并结合安全距离阈值进行安全校核计算，最终输出安全、可靠的巡检航线。
本发明实现上述目的本发明的技术方案为：基于三维空间目标点提取的电力巡检航线全自主规划方法，包括以下步骤：
步骤S1：对线路点云模型进行解析加载，然后点云自动分类提取；
步骤S2：针对不同塔型航拍流程，分析判断杆塔塔身航点位置及偏航角参数，判断绝缘子串类型及空间方位，而后计算生成杆塔航点和绝缘子航点，按照巡飞作业流程要求，按顺序对所有航点依次连接，形成当前杆塔完整的巡检航线；
步骤S3：完成航线自动规划后，通过航线安全校验功能，结合所设定的安全距离阀值，对无人机飞行路径航线航点与点云进行安全净距离校验，展现不满足安全距离要求的航点信息，辅助对危险航点位置及参数进行修改调整，最终输出安全可靠的自主巡检航线。
进一步优选，步骤S1所述对线路点云模型进行解析加载包括：填写线路名称、电压等级、存储路径，完成任务创建；导入线路点云模型数据，选择线路所在坐标系度代，对线路点云模型进行轻量可视化解析，为后续杆塔标记提供线路真实场景；结合可视化场景，选择合适框选范围，填写杆塔编号名称及起始点编号，对场景中点云杆塔模型塔顶进行逐一标记，形成上下杆塔连接关系，生成杆塔列表，为线路航点提供杆塔归属。
进一步优选，步骤S1所述点云自动分类提取包括数据预处理、网格分割、聚类分析、特征提取和点云分类。
进一步优选，杆塔航点计算生成过程包括：
杆塔基本参数计算：使用聚类簇得到杆塔空间三维坐标点集合，通过遍历杆塔点云坐标点，迭代计算坐标区间，生成杆塔点云的包围盒，根据包围盒可得杆塔顶点、杆塔中心点、塔基坐标以及全塔塔高参数；
杆塔塔身航点位置计算：
i)无人机的偏航角求取；
ii)无人机的坐标位置求取；
iii)云台俯仰角求取。
进一步优选，绝缘子航点计算生成过程包括：
绝缘子串串型判断及提取；
绝缘子串空间位置判断；
绝缘子串航点位置计算。
进一步优选，所述绝缘子串串型判断及提取包括串类型判定方法和绝缘子串提取；其中所述串类型判定方法为：基于绝缘子导线挂点位置连通率特征分析绝缘子串类型，对于绝缘子串类型识别的连通率统计的坐标轴采用杆塔的局部坐标系，以杆塔横担方向为X轴，大号侧方向为Y轴，垂直方向为Z轴；
i)对于V串，X轴、Y轴、Z轴三个方向的连通率范围为fx＜0.05,fy＜0.05,fz＜0.05；
ii)对于悬垂串，X轴、Y轴、Z轴三个方向的连通率范围分别为fx＜0.05,fy＜0.05,fz＞0.3；
iii)对于耐张串，X轴、Y轴、Z轴三个方向的连通率范围分别为fx＜0.05,fy＞0.3,fz＜0.05。
进一步优选，所述绝缘子串提取过程如下：杆塔、导线点云分类完成后，首先搜索与杆塔点云相临近的导线点云位置，该位置通常为绝缘子串的导线挂点位置，找到该位置对应的点云体素，通过检查这些点云在X轴、Y轴、Z轴方向的连通率，初步区分出该位置的绝缘子串类型；
i)对于V串挂点位置，通过在挂点体素上方一定领域内搜索相邻体素，进而找到整个V串所占的点云体素；每次检索到的新的邻域体素，检查该点云体素的连通率，若该体素满足V串体素的连通率特征，将其归类为V串体素，否则，停止搜索；
ii)对于悬垂串挂线点，通过在挂点体素正上方搜索相邻体素，每次检索到的新的邻域体素，需检查该点云体素的连通率，若该体素满足悬垂串体素的连通率特征，将其归类为悬垂串体素，否则，停止搜索；
iii)对于耐张串挂线点，通过在靠近杆塔侧的水平方向上搜索挂点体素的相邻体素，找到整个耐张串点云体素，每次检索到的新的邻域体素，检查该点云体素的连通率，若该体素满足耐张串体素的连通率特征，将其归类为耐张串体素，否则，停止搜索。
进一步优选，所述绝缘子串空间位置判断：首先需要分析杆塔的导线分布形式，然后根据不同形式，确定该绝缘子串在杆塔中的具体空间位置关系。
进一步优选，导线分布形式有：双回路垂直分布、单回路水平分布、单回路垂直分布、单回路三角分布4种形式；为了区分这4种排列形式，先统计输电线路的导线相个数n，如果n>3，则判定为双回路垂直排列，如果n≤3，则判定为单回路；
在进行绝缘子串位置排列分析之前，需要确定每个串的中心点坐标Pn(xn,yn,zn)，其中n为绝缘子串的序号，其中：
m为该串绝缘子所包含的点云个数；xni、yni、zni分别为第n个绝缘子串中第i个点云的X轴、Y轴、Z轴坐标值。
进一步优选，对于双回路垂直排布的输电线路形式，首先需确定绝缘子串在杆塔的左侧还是右侧，杆塔中心点与串中心点Pn(xn,yn,zn连线所构成的向量/>该向量与线路方向向量/>分别在XOY平面上投影得到：
将投影后的两向量进行向量叉乘：
根据叉乘后向量的Z轴坐标值正负判断绝缘子串的空间位置(大号侧方向)，当时，判定绝缘子串在左侧，当时，判定绝缘子串在右侧；
在完成绝缘子串的横向分布判断后，将绝缘子串分为左侧串集合和右侧串集合{Pyou，1,Pyou,2...}，通过串中心点的Z轴坐标值即可判定绝缘子串的纵向排列和具体位置，其中第i个左侧串Pzuo,i坐标为(xzuo,i,yzuo,i,zzuo,i)，第j个左侧串Pyou,j坐标为(xyou,j,yyou,j,zyou,j)，i，j＝1,2…；
对于左侧串集合，若zzuo,i＝max{zzuo,1,zzuo,2...}，则该串绝缘子是左侧上相串；若zzuo,i＝min{zzuo,1,zzuo,2...}时，则该串绝缘子是左侧下相串，否则就是左侧中相串；
对于右侧串集合，若zyou,j＝max{zyou,1,zyou,2...}，则该串绝缘子是右侧上相串；若zyou,j＝min{zyou,1,zyou,2...}时，则该串绝缘子是右侧下相串，否则就是右侧中相串。
进一步优选，对于单回路输电线路，首先需确定整体排布方式，根据绝缘子串中心点之间的水平距离与垂直距离比值的情况进行判定。
进一步优选，绝缘子串航点位置计算，针对含悬垂串和V串绝缘子的输电线路包括：
拍摄中相V串时无人机的空间位置及姿态计算：
根据无人机巡检要求，无人机拍摄V串时需位于绝缘子正前方，分别拍摄左侧子串、右侧子串及挂点位置；设杆塔中心点水平投影坐标为Pc＝(xc,yc,0)，杆塔前进方向单位向量为竖直向上的单位向量为/>设V串中点云的点集合为PV＝{(xVi,yVi,zVi)|(i＝0...n)}，其中n为该点云集合中点的个数。
其中，对于满足以下条件的点云集合判定为左侧子串点云：
其中(xj,yj,zj)为第j个点的三维坐标；
对满足左侧子串条件的点集合计算其包围盒，根据Z轴坐标值确定杆塔挂点PVLt＝(xjt,yjt,zjmax)和导线挂点PVLx＝(xjx,yjx,zjmin)，通过包围盒计算左侧子串的中点(xjt,yjt,zjmax)为杆塔挂点PVLt的三维坐标，(xjx,yjx,zjmin)为导线挂点PVLx的三维坐标；
同理，对于满足以下条件的点云集合判定为右侧子串点云：
其中，(xk,yk,zk)为第k个点的三维坐标；
对满足右侧子串条件的点的集合计算包围盒，根据Z轴坐标值确定杆塔挂点PVRt＝(xkt,ykt,zkmax)和导线挂点PVRx＝(xkx,ykx,zkmin)，通过包围盒计算右侧子串的中点(xkt,ykt,zkmax)为杆塔挂点PVRt的三维坐标，(xkx,ykx,zkmin)为导线挂点PVRx的三维坐标；
i)无人机的位置坐标求取：
无人机拍摄V串的坐标位置Pw通过目标点PVLR＝{PVLt,PVLx,PVLc,PVRt,PVRx,PVRc}、无人机与杆塔预设的安全距离d、线路前视方向向量进行计算求取；计算公式如下：
ii)无人机的偏航角求取；
iii)云台俯仰角求取。
绝缘子串航点位置计算，还包括拍摄左右侧悬垂串时无人机的空间位置及姿态计算：
设悬垂串串中点云的点集合为PI＝{(xIi,yIi,zIi)|(i＝0...n)}，其中n为该点云集合中点的个数；
其中，对于满足以下条件的点云集合判定为左侧悬垂串点云：
对满足左侧悬垂串条件的点集合计算其包围盒，根据z轴坐标值确定杆塔挂点PILt＝(xIjt,yIjt,zIjmax)和导线挂点PILx＝(xIjx,yIjx,zIjmin)，通过包围盒计算左侧悬垂串的中点
同理，对于满足以下条件的点云集合判定为右侧悬垂串点云：
对满足右侧悬垂串条件的点的集合计算包围盒，根据z轴坐标值确定杆塔挂点PIRt＝(xIkt,yIkt,zIkmax)和导线挂点PIRx＝(xIkx,yIkx,zIkmin)，通过包围盒计算右侧悬垂串的中点i)无人机的位置坐标求取：
求取无人机位置坐标前，首先需要确定无人机前进方向向量由于无人机拍摄悬垂串时，其机头前进方向向量/>与杆塔前进方向向量/>垂直，因此拍摄左侧悬垂串时机头前进方向向量/>由以下公式确定：
拍摄右侧悬垂串时机头前进方向向量由以下公式确定：
无人机拍摄悬垂串的坐标位置Pw通过悬垂串目标点PILR＝{PILt,PILx,PILc,PIRt,PIRx,PIRc}、无人机与杆塔预设的安全距离d、机头前进方向向量进行计算求取；计算公式如下：
ii)无人机的偏航角求取；
iii)云台俯仰角求取。
拍摄耐张串时无人机的空间位置及姿态计算过程如下：
根据无人机巡检要求，无人机拍摄耐张串时需位于耐张串侧面，
设耐张串串中点云的点集合为PN＝{(xNi,yNi,zNi)|(i＝0...n)}，其中n为该点云集合中点的个数；
对于满足以下条件的点云集合判定为中相耐张串点云：
PNC＝{(xNm,yNm,zNm)|zNm-zNav＞0,PNC∈PN}
其中
中相耐张串杆塔挂点PNCt＝(xNmt,yNmt,zNmt)和导线挂点PNCx＝(xNmx,yNmx,zNmx)可根据耐张串坐标点与杆塔中心点Pc的距离确定，即：
中相耐张串的中点
左侧耐张串点云和右侧耐张串点云的判断方法和对应目标点的求取方法与悬垂串一致；
i)无人机的位置坐标求取：
无人机拍摄耐张串的坐标位置Pw可以通过耐张串目标点PNLR＝{PNCt,PNCx,PNCc,PNLt,PNLx,PNLc,PNRt,PNRx,PNRc}、无人机与杆塔预设的安全距离d、机头前进方向向量进行计算求取；PNLt,PNLx,PNLc分别为左相耐张串的杆塔挂点、导线挂点和耐张串中心点；PNRt,PNRx,PNRc分别为右相耐张串的杆塔挂点、导线挂点和耐张串中心点；
ii)无人机的偏航角求取：
无人机拍摄耐张串的偏航角求取与前述拍摄杆塔塔身航点的偏航角计算一致；
iii)云台俯仰角求取。
本发明的优点：
1.基于点云自动分类提取、航线自动规划等技术应用，实现巡检航线的自动规划，大幅减少人工参与规划及调整的工作量，避免过多人员操作因素所导致的错误，提升自主巡检航线规划效率，确保航线安全可靠。
2.该方案可有效规避航线方案库建立及维护耗时费力问题。同时，相较于航线方案库匹配方式，有效避免相同塔型呼高不同所导致的航点匹配不精准的问题，具有较强的适用性，可满足不同塔型间的航线规划需求。
附图说明
图1是本发明的流程图
图2是绝缘子串型判断流程图。
图3是无人机与中相V串位置关系图。
图4为无人机与杆塔相对位置关系图。
图5为无人机机头方向与杆塔前进垂直的相对位置关系图。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细阐明本发明。
参照图1，基于三维空间目标点提取的电力巡检航线全自主规划方法，包括以下步骤：
步骤S1：对线路点云模型进行解析加载，然后点云自动分类提取；
步骤S2：针对不同塔型航拍流程，分析判断杆塔塔身航点位置及偏航角参数，判断绝缘子串类型及空间方位，而后计算生成杆塔航点和绝缘子航点，按照巡飞作业流程要求，按顺序对所有航点依次连接，形成当前杆塔完整的巡检航线；
步骤S3：航线安全校验；完成航线自动规划后，通过航线安全校验功能，结合所设定的安全距离阀值，对无人机飞行路径航线航点与线路杆塔本体、导线、植被、房屋等点云进行安全净距离校验，展现不满足安全距离要求的航点信息，辅助对危险航点位置及参数进行修改调整，最终输出安全可靠的自主巡检航线。航线安全校验以安全距离为体素大小，对全局点云进行体素化。通过判断航线是否与点云体素相交，快速筛选出有可能有安全距离风险的点云体素。对于有安全距离风险的点云体素，再计算点云体素内的每个点与航线的距离，以达到精确判断航线是否存在超限风险的目的。
较佳的实施例，步骤S1所述对线路点云模型进行解析加载包括：
(1)任务创建点云导入：填写线路名称、电压等级、存储路径等信息，完成任务创建。导入线路点云模型数据，选择线路所在坐标系度代，对线路点云模型进行轻量可视化解析，为后续杆塔标记提供线路真实场景。
点云杆塔标记：结合可视化场景，选择合适框选范围，填写杆塔编号名称及起始点编号，对场景中点云杆塔模型塔顶进行逐一标记，形成上下杆塔连接关系，生成杆塔列表，为线路航点提供杆塔归属。
较佳的实施例，步骤S1所述点云自动分类提取包括数据预处理、网格分割、聚类分析、特征提取和点云分类。
所述数据预处理是对原始点云数据进行数据清洗、降噪、规格化等预处理操作，以提高数据的质量和精度。
所述网格分割是将预处理后的点云数据按照空间位置划分为若干个网格。每个网格中包含了一组点云数据，这些数据在空间位置上相邻且具有相似的特征。
所述聚类分析是对每个网格进行聚类分析，将点云数据分为不同的簇。使用经典的聚类算法，K-means、DBSCAN等，对每个网格中的点云数据进行聚类。
所述特征提取是根据不同的簇，提取其特有的特征。如，对于杆塔，提取其高度、宽度等特征；对于绝缘子，提取其形状、大小等特征；对于导线，提取其直径、曲率等特征。
所述点云分类是利用机器学习或深度学习算法(包含支持向量机(SVM)、随机森林(RandomForest)等)，将每个簇分类到预定的类别中。基于输入的特征，学习并判断每个簇所属的类别；将分类的结果输出，实现输电线路杆塔、绝缘子、导线的自动分类提取，为后续精细化巡检航线自动规划提供杆塔本体部件精准的分类信息。
步骤S21、杆塔航点计算生成。
线路巡检主要是对杆塔本体、绝缘子串及导地线挂点处进行巡视拍照，排查是否存在危害线路安全运行的缺陷隐患。结合输电线路巡检规范要求，对于杆塔本体巡视的杆塔航点主要包含：全塔、塔头、塔身、塔基等几处，上述几个杆塔航点的计算生成主要过程如下：
1)杆塔基本参数计算
使用聚类簇得到杆塔空间三维坐标点集合，通过遍历杆塔点云坐标点，迭代计算坐标区间，生成杆塔点云的包围盒，根据包围盒可得杆塔顶点、杆塔中心点、塔基坐标以及全塔塔高参数。
包围盒数学表达式为：
xmin≤x≤xmax
ymin≤y≤ymax；
zmin≤z≤zmax
塔顶坐标为Ptop((xmin+xmax)/2,(ymin+ymax)/2,zmax)；
中心点坐标为Pcenter((xmin+xmax)/2,(ymin+ymax)/2,(zmin+zmax)/2)；
塔基坐标为Pbottom((xmin+xmax)/2,(ymin+ymax)/2,zmin)；
全塔塔高为H＝zmax-zmin；
其中，x,y,z分别为包围盒内点的横、纵、竖坐标；xmax、xmin分别为包围盒的横坐标最大值、最小值；ymax、ymin分别为包围盒的纵坐标最大值、最小值；zmax、zmin分别为包围盒的竖坐标最大值、最小值。
2)杆塔塔身航点位置计算
为满足输电线路巡检作业要求，无人机采集图像时需要控制无人机拍照的俯仰角度、高度、距离，而无人机飞控系统中，只有偏航角、云台俯仰角和无人机的经纬度坐标3个控制参量。为了实现无人机全自动拍摄符合巡检作业要求的图片，需要将无人机距杆塔距离、高度、俯仰角以及杆塔前进方向向量等参数转换为无人机飞控所需的控制参量信息。
i)无人机的偏航角求取
无人机的偏航角指的是机体坐标系xb轴在水平面上投影与地面坐标系xg轴之间的夹角。无人机的机体坐标系xb轴即为无人机机头的前进方向，其方向向量与杆塔大号侧方向向量一致，设定无人机机头前进的方向向量为杆塔大号侧方向向量为/>即有设定正北方向为地面坐标系xg轴，根据右手定则，正西方向为地面坐标系yg轴，偏航角ψ可以表示为：
当时，ψ取+；
当时，ψ取-；
其中和/>分别为地面坐标系xg轴和yg轴的方向向量。
ii)无人机的坐标位置求取
无人机的坐标位置Pw可以通过杆塔拍摄目标点坐标位置Pt、无人机与杆塔预设的安全距离d进行计算求取：
杆塔拍摄目标点的坐标位置可表示为：
其中zset为依据杆塔对应目标点位置预设的高度坐标。
iii)云台俯仰角求取
云台俯仰角是云台与水平面的夹角，可以依据无人机位置坐标Pw与拍摄目标点位置坐标Pt构成的向量与杆塔大号侧方向向量为/>构成的角度进行求取，云台俯仰角θ可以表示为：
步骤S22、绝缘子航点计算生成。
结合输电巡检规范，需根据不同塔型绝缘子串特点及所处位置设置不同的航点信息。因此，为确保自动规划过程中绝缘子串上航点满足巡检要求，需先对绝缘子串的类型(主要分为耐张绝缘子串、悬垂绝缘串以及V型绝缘子串)及空间位置进行判断分析。具体过程如下：
1)绝缘子串串型判断及提取
绝缘子串串型影响到目标点插入位置和航点的偏航角。结合输电线路巡检规范指导手册要求，悬垂绝缘子串和耐张串拍照方向是从杆塔左右侧面向杆塔进行拍照，V型串是从杆塔前进方向进行拍照。悬垂串、耐张串和V型串拍照点位也不一样。悬垂串是竖向取三个点，耐张串是横向取三个点，而V型串需要取5个拍照点。绝缘子串型判断流程图如2所示。
①串类型判定方法
对杆塔进行体素化，减少后续计算量。由于不同电压等级，杆塔尺寸上差异较大，因此500kV及以上电压等级的杆塔采用1m×1m×1m的立方体素，110kV及220kV采用0.5m×0.5m×0.5m的立方体素。
基于绝缘子导线挂点位置连通率特征分析绝缘子串类型，连通率指的是在基于某一个点，在X、Y、Z三个轴方向上的最大的连续非空体素占比(以x轴为例，连通率为其中nx表示X轴方向连续非空体素的个数，mx表示x轴方向上的体素个数)。对于绝缘子串类型识别的连通率统计的坐标轴采用杆塔的局部坐标系，以杆塔横担方向为X轴，大号侧方向为Y轴，垂直方向为Z轴。
i)对于V串，绝缘子点云在挂点位置的X轴、Y轴、Z轴方向都是空的，因此3个方向的点云连通率都很低(通常X轴、Y轴、Z轴三个方向的连通率范围为fx＜0.05,fy＜0.05,fz＜0.05)；
ii)对于悬垂串，绝缘子点云在挂点位置Z轴方向的点云连通率较高，而前后方向(Y轴)和水平方向(X轴)的连通率都较低(通常X轴、Y轴、Z轴三个方向的连通率范围分别为fx＜0.05,fy＜0.05,fz＞0.3)；
iii)对于耐张串，绝缘子点云在挂点位置Y轴方向的点云连通率较高，其他方向都比较低(通常X轴、Y轴、Z轴三个方向的连通率范围分别为fx＜0.05,fy＞0.3,fz＜0.05)。
②绝缘子串提取
杆塔、导线点云分类完成后，首先搜索与杆塔点云相临近的导线点云位置，该位置通常为绝缘子串的导线挂点位置，找到该位置对应的点云体素(通常有1～6个)，通过检查这些点云在X轴、Y轴、Z轴方向的连通率，初步区分出该位置的绝缘子串类型。
i)对于V串挂点位置，由于V型绝缘子串处于导线挂点上方并按V字分开，因此通过在挂点体素上方一定领域内搜索相邻体素，进而找到整个V串所占的点云体素。为了避免将杆塔体素误判为V串，每次检索到的新的邻域体素，需检查该点云体素的连通率，若该体素满足V串体素的连通率特征，将其归类为V串体素，否则，停止搜索。
ii)对于悬垂串挂线点，由于悬垂绝缘子串处于导线挂点正上方，因此通过在挂点体素正上方搜索相邻体素，即可找到整个悬垂串点云体素。为了避免把杆塔点云体素误判为悬垂串体素，每次检索到的新的邻域体素，需检查该点云体素的连通率，若该体素满足悬垂串体素的连通率特征，将其归类为悬垂串体素，否则，停止搜索。
iii)对于耐张串挂线点，由于耐张绝缘子串处于导线挂点靠近杆塔侧的水平方向，因此通过在靠近杆塔侧的水平方向上搜索挂点体素的相邻体素，即可找到整个耐张串点云体素。为了避免把杆塔体素误判为耐张串，每次检索到的新的邻域体素，需检查该点云体素的连通率，若该体素满足耐张串体素的连通率特征，将其归类为耐张串体素，否则，停止搜索。
2)绝缘子串空间位置判断
为了判断某个绝缘子串的空间位置情况，首先需要分析杆塔的导线分布形式，然后根据不同形式，确定该绝缘子串在杆塔中的具体空间位置关系。
常见的输电线路的导线分布形式有：双回路垂直分布、单回路水平分布、单回路垂直分布、单回路三角分布4种形式。为了区分这4种排列形式，先统计输电线路的导线相个数n，如果n>3，则判定为双回路垂直排列，如果n≤3，则判定为单回路。
在进行绝缘子串位置排列分析之前，需要确定每个串的中心点坐标Pn(xn,yn,zn)，其中n为绝缘子串的序号(序号与串排序无关，仅用于表示具体的串)，其中
m为该串绝缘子所包含的点云个数；xni、yni、zni分别为第n个绝缘子串中第i个点云的X轴、Y轴、Z轴坐标值。
i)双回路垂直排布类型
①对于双回路垂直排布的输电线路形式，首先需确定绝缘子串在杆塔的左侧还是右侧，杆塔中心点与串中心点Pn(xn,yn,zn)连线所构成的向量/>该向量与线路方向向量(小号侧到大号侧方向)/>分别在XOY平面上投影得到：
将投影后的两向量进行向量叉乘：
根据叉乘后向量的Z轴坐标值正负判断绝缘子串的空间位置(大号侧方向)，当时，判定绝缘子串在左侧，当时，判定绝缘子串在右侧。
②在完成绝缘子串的横向分布判断后，将绝缘子串分为左侧串集合和右侧串集合{Pyou，1,Pyou,2...}，通过串中心点的Z轴坐标值即可判定绝缘子串的纵向排列和具体位置，其中第i个左侧串Pzuo,i坐标为(xzuo,i,yzuo,i,zzuo,i)，第j个左侧串Pyou,j坐标为(xyou,j,yyou,j,zyou,j)，i，j＝1,2…。
对于左侧串集合，若zzuo,i＝max{zzuo,1,zzuo,2...}，则该串绝缘子是左侧上相串；若zzuo,i＝min{zzuo,1,zzuo,2...}时，则该串绝缘子是左侧下相串，否则就是左侧中相串。
对于右侧串集合，若zyou,j＝max{zyou,1,zyou,2...}，则该串绝缘子是右侧上相串；若zyou,j＝min{zyou,1,zyou,2...}时，则该串绝缘子是右侧下相串，否则就是右侧中相串。
ii)单回路类型
①对于单回路输电线路，首先需确定整体排布方式，可根据绝缘子串中心点之间的水平距离与垂直距离比值的情况进行判定。
以交流输电线路为例，假定abc相对应的三个绝缘子串为J1、J2、J3，两两之间的中心点垂直距离分别为v12、v13、v23，中心点水平距离分别为h12、h13、h23，判据Pn如下：
当Pn<0.3时，判定绝缘子串整体呈水平排列，当Pn>3时，判定绝缘子串整体呈垂直排列。
②确定了线路的排布方式后，可以根据绝缘子串中心点的坐标确定串的具体位置。对于垂直排布的绝缘子串，判定方法与上述双回路垂直排布输电线路的纵向排列判定方法相同，可直接通过串中心点的z值判定绝缘子串的纵向排列和具体位置。
对于水平排布以及三角排布的绝缘子串，可通过比较各绝缘子串与其余串之间水平距离之和的值的大小首先确定中相串，判据如下：
hi＝hij+hik(i,j,k∈{1,2,3}，且i≠j≠k)
其中hi为第i串绝缘子中心点与其余两串绝缘子中心点的水平距离之和，hij为第i串绝缘子中心点第j串绝缘子中心点的水平距离，hik为第i串绝缘子中心点第k串绝缘子中心点的水平距离。当hi取值最小时，对应绝缘子串为中相绝缘子串。其余两串绝缘子左右位置分布的判定方法与上述双回路垂直分布输电线路的判定方法相同。
③至于输电线路是水平排布还是三角排布，可通过如下判据确定：
vi＝vij+vik(i,j,k∈{1,2,3}，且i≠j≠k)
其中vi为第i串绝缘子中心点与其余两串绝缘子中心点的垂直距离之和，vij为第i串绝缘子中心点第j串绝缘子中心点的垂直距离，vik为第i串绝缘子中心点第k串绝缘子中心点的垂直距离。当vi取值超过预设值时，输电线路呈三角排布，否则为水平排布。
3)绝缘子串航点位置计算
确定绝缘子串点云体素对应的串型及绝缘子串空间位置后，计算无人机飞控所需的控制参量信息。
3.1)针对含悬垂串和V串绝缘子的输电线路
以交流线路单回路直线酒杯塔为例：
3.1.1)拍摄中相V串时无人机的空间位置及姿态计算：
根据无人机巡检要求，无人机拍摄V串时需位于绝缘子正前方，分别拍摄左侧子串、右侧子串及挂点位置。无人机与中相V串位置关系如图3所示，设杆塔中心点水平投影坐标为Pc＝(xc,yc,0)，杆塔前进方向单位向量为竖直向上的单位向量为/>设V串中点云的点集合为PV＝{(xVi,yVi,zVi)|(i＝0...n)}，其中n为该点云集合中点的个数。
其中，对于满足以下条件的点云集合判定为左侧子串点云：
其中(xj,yj,zj)为第j个点的三维坐标。
对满足左侧子串条件的点集合计算其包围盒，根据Z轴坐标值确定杆塔挂点PVLt＝(xjt,yjt,zjmax)和导线挂点PVLx＝(xjx,yjx,zjmin)，通过包围盒计算左侧子串的中点(xjt,yjt,zjmax)为杆塔挂点PVLt的三维坐标，(xjx,yjx,zjmin)为导线挂点PVLx的三维坐标；
同理，对于满足以下条件的点云集合判定为右侧子串点云：
其中，(xk,yk,zk)为第k个点的三维坐标；
对满足右侧子串条件的点的集合计算包围盒，根据Z轴坐标值确定杆塔挂点PVRt＝(xkt,ykt,zkmax)和导线挂点PVRx＝(xkx,ykx,zkmin)，通过包围盒计算右侧子串的中点(xkt,ykt,zkmax)为杆塔挂点PVRt的三维坐标，(xkx,ykx,zkmin)为导线挂点PVRx的三维坐标。
i)无人机的位置坐标求取
无人机拍摄V串的坐标位置Pw可以通过目标点PVLR＝{PVLt,PVLx,PVLc,PVRt,PVRx,PVRc}、无人机与杆塔预设的安全距离d、线路前视方向向量进行计算求取。计算公式如下：
ii)无人机的偏航角求取
无人机拍摄V串的偏航角求取与前述拍摄杆塔塔身航点的偏航角计算一致，这里不再赘述。
iii)云台俯仰角求取
在拍摄V串时，无人机飞行高度与V串目标点等高，因此俯仰角θ＝0°
3.1.2)拍摄左右侧悬垂串时无人机的空间位置及姿态计算
根据无人机巡检要求，无人机拍摄左右侧悬垂串时需位于杆塔两侧，此时无人机与杆塔相对位置关系如图4所示；
设悬垂串串中点云的点集合为PI＝{(xIi,yIi,zIi)|(i＝0...n)}，其中n为该点云集合中点的个数。
其中，对于满足以下条件的点云集合判定为左侧悬垂串点云：
对满足左侧悬垂串条件的点集合计算其包围盒，根据z轴坐标值确定杆塔挂点PILt＝(xIjt,yIjt,zIjmax)和导线挂点PILx＝(xIjx,yIjx,zIjmin)，通过包围盒计算左侧悬垂串的中点
同理，对于满足以下条件的点云集合判定为右侧悬垂串点云：
对满足右侧悬垂串条件的点的集合计算包围盒，根据z轴坐标值确定杆塔挂点PIRt＝(xIkt,yIkt,zIkmax)和导线挂点PIRx＝(xIkx,yIkx,zIkmin)，通过包围盒计算右侧悬垂串的中点
i)无人机的位置坐标求取
求取无人机位置坐标前，首先需要确定无人机前进方向向量由于无人机拍摄悬垂串时，其机头前进方向向量/>与杆塔前进方向向量/>垂直，因此拍摄左侧悬垂串时机头前进方向向量/>由以下公式确定：
拍摄右侧悬垂串时机头前进方向向量由以下公式确定：
无人机拍摄悬垂串的坐标位置Pw可以通过悬垂串目标点PILR＝{PILt,PILx,PILc,PIRt,PIRx,PIRc}、无人机与杆塔预设的安全距离d、机头前进方向向量进行计算求取。计算公式如下：
ii)无人机的偏航角求取
无人机拍摄悬垂串的偏航角求取与前述拍摄杆塔塔身航点的偏航角计算一致，这里不再赘述。
iii)云台俯仰角求取
在拍摄悬垂串时，无人机飞行高度与悬垂串目标点等高，因此俯仰角θ＝0°。
3.2)针对含耐张串的输电线路
以交流线路单回路干字塔为例，杆塔外观如下图所示：
拍摄耐张串时无人机的空间位置及姿态计算过程如下：
根据无人机巡检要求，无人机拍摄耐张串时需位于耐张串侧面，此时无人机机头方向与杆塔前进垂直的相对位置关系如图5所示：
设耐张串串中点云的点集合为PN＝{(xNi,yNi,zNi)|(i＝0...n)}，其中n为该点云集合中点的个数。
对于满足以下条件的点云集合判定为中相耐张串点云：
PNC＝{(xNm,yNm,zNm)|zNm-zNav＞0,PNC∈PN}
其中
中相耐张串杆塔挂点PNCt＝(xNmt,yNmt,zNmt)和导线挂点PNCx＝(xNmx,yNmx,zNmx)可根据耐张串坐标点与杆塔中心点Pc的距离确定，即：
中相耐张串的中点
左侧耐张串点云和右侧耐张串点云的判断方法和对应目标点的求取方法与悬垂串一致，因此不再赘述。
i)无人机的位置坐标求取
无人机拍摄耐张串的坐标位置Pw可以通过耐张串目标点PNLR＝{PNCt,PNCx,PNCc,PNLt,PNLx,PNLc,PNRt,PNRx,PNRc}、无人机与杆塔预设的安全距离d、机头前进方向向量进行计算求取。计算公式与悬垂串一致，不再赘述。PNLt,PNLx,PNLc分别为左相耐张串的杆塔挂点、导线挂点和耐张串中心点；PNRt,PNRx,PNRc分别为右相耐张串的杆塔挂点、导线挂点和耐张串中心点。
ii)无人机的偏航角求取
无人机拍摄耐张串的偏航角求取与前述拍摄杆塔塔身航点的偏航角计算一致，这里不再赘述。
iii)云台俯仰角求取。
在拍摄耐张串时，无人机飞行高度与耐张串目标点等高，因此俯仰角θ＝0°。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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.基于三维空间目标点提取的电力巡检航线全自主规划方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：对线路点云模型进行解析加载，然后点云自动分类提取；
步骤S2：针对不同塔型航拍流程，分析判断杆塔塔身航点位置及偏航角参数，判断绝缘子串类型及空间方位，而后计算生成杆塔航点和绝缘子航点，按照巡飞作业流程要求，按顺序对所有航点依次连接，形成当前杆塔完整的巡检航线；
步骤S3：完成航线自动规划后，通过航线安全校验功能，结合所设定的安全距离阀值，对无人机飞行路径航线航点与点云进行安全净距离校验，展现不满足安全距离要求的航点信息，辅助对危险航点位置及参数进行修改调整，最终输出安全可靠的自主巡检航线。
2.根据权利要求1所述的基于三维空间目标点提取的电力巡检航线全自主规划方法，其特征在于，步骤S1所述对线路点云模型进行解析加载包括：填写线路名称、电压等级、存储路径，完成任务创建；导入线路点云模型数据，选择线路所在坐标系度代，对线路点云模型进行轻量可视化解析，为后续杆塔标记提供线路真实场景；结合可视化场景，选择合适框选范围，填写杆塔编号名称及起始点编号，对场景中点云杆塔模型塔顶进行逐一标记，形成上下杆塔连接关系，生成杆塔列表，为线路航点提供杆塔归属。
3.根据权利要求1所述的基于三维空间目标点提取的电力巡检航线全自主规划方法，其特征在于，步骤S1所述点云自动分类提取包括数据预处理、网格分割、聚类分析、特征提取和点云分类。
4.根据权利要求1所述的基于三维空间目标点提取的电力巡检航线全自主规划方法，其特征在于，杆塔航点计算生成过程包括：
杆塔基本参数计算：使用聚类簇得到杆塔空间三维坐标点集合，通过遍历杆塔点云坐标点，迭代计算坐标区间，生成杆塔点云的包围盒，根据包围盒可得杆塔顶点、杆塔中心点、塔基坐标以及全塔塔高参数；
杆塔塔身航点位置计算：
i)无人机的偏航角求取；
ii)无人机的坐标位置求取；
iii)云台俯仰角求取。
5.根据权利要求1所述的基于三维空间目标点提取的电力巡检航线全自主规划方法，其特征在于，绝缘子航点计算生成过程包括：
绝缘子串串型判断及提取；
绝缘子串空间位置判断；
绝缘子串航点位置计算。
6.根据权利要求5所述的基于三维空间目标点提取的电力巡检航线全自主规划方法，其特征在于，所述绝缘子串串型判断及提取包括串类型判定方法和绝缘子串提取；其中所述串类型判定方法为：基于绝缘子导线挂点位置连通率特征分析绝缘子串类型，对于绝缘子串类型识别的连通率统计的坐标轴采用杆塔的局部坐标系，以杆塔横担方向为X轴，大号侧方向为Y轴，垂直方向为Z轴；
i)对于V串，X轴、Y轴、Z轴三个方向的连通率范围为fx＜0.05,fy＜0.05,fz＜0.05；
ii)对于悬垂串，X轴、Y轴、Z轴三个方向的连通率范围分别为fx＜0.05,fy＜0.05,fz＞0.3；
iii)对于耐张串，X轴、Y轴、Z轴三个方向的连通率范围分别为fx＜0.05,fy＞0.3,fz＜0.05。
7.根据权利要求6所述的基于三维空间目标点提取的电力巡检航线全自主规划方法，其特征在于，所述绝缘子串提取过程如下：杆塔、导线点云分类完成后，首先搜索与杆塔点云相临近的导线点云位置，该位置通常为绝缘子串的导线挂点位置，找到该位置对应的点云体素，通过检查这些点云在X轴、Y轴、Z轴方向的连通率，初步区分出该位置的绝缘子串类型；
i)对于V串挂点位置，通过在挂点体素上方一定领域内搜索相邻体素，进而找到整个V串所占的点云体素；每次检索到的新的邻域体素，检查该点云体素的连通率，若该体素满足V串体素的连通率特征，将其归类为V串体素，否则，停止搜索；
ii)对于悬垂串挂线点，通过在挂点体素正上方搜索相邻体素，每次检索到的新的邻域体素，需检查该点云体素的连通率，若该体素满足悬垂串体素的连通率特征，将其归类为悬垂串体素，否则，停止搜索；
iii)对于耐张串挂线点，通过在靠近杆塔侧的水平方向上搜索挂点体素的相邻体素，找到整个耐张串点云体素，每次检索到的新的邻域体素，检查该点云体素的连通率，若该体素满足耐张串体素的连通率特征，将其归类为耐张串体素，否则，停止搜索。
8.根据权利要求5所述的基于三维空间目标点提取的电力巡检航线全自主规划方法，其特征在于，所述绝缘子串空间位置判断：首先需要分析杆塔的导线分布形式，然后根据不同形式，确定该绝缘子串在杆塔中的具体空间位置关系；
导线分布形式有：双回路垂直分布、单回路水平分布、单回路垂直分布、单回路三角分布4种基本形式；为了区分这4种排列形式，先统计输电线路的导线相个数n，如果n>3，则判定为双回路垂直排列，如果n≤3，则判定为单回路；
在进行绝缘子串位置排列分析之前，需要确定每个串的中心点坐标Pn(xn,yn,zn)，其中n为绝缘子串的序号，其中：
m为该串绝缘子所包含的点云个数；xni、yni、zni分别为第n个绝缘子串中第i个点云的X轴、Y轴、Z轴坐标值。
9.根据权利要求1所述的基于三维空间目标点提取的电力巡检航线全自主规划方法，其特征在于，对于双回路垂直排布的输电线路形式，首先需确定绝缘子串在杆塔的左侧还是右侧，杆塔中心点与串中心点Pn(xn,yn,zn连线所构成的向量/>该向量与线路方向向量/>分别在XOY平面上投影得到：
将投影后的两向量进行向量叉乘：
根据叉乘后向量的Z轴坐标值正负判断绝缘子串的空间位置(大号侧方向)，当时，判定绝缘子串在左侧，当时，判定绝缘子串在右侧；
在完成绝缘子串的横向分布判断后，将绝缘子串分为左侧串集合{Pzuo，1,Pzuo,2...}和右侧串集合{Pyou，1,Pyou,2...}，通过串中心点的Z轴坐标值即可判定绝缘子串的纵向排列和具体位置，其中第i个左侧串Pzuo,i坐标为(xzuo,i,yzuo,i,zzuo,i)，第j个左侧串Pyou,j坐标为(xyou,j,yyou,j,zyou,j)，i，j＝1,2…；
对于左侧串集合，若zzuo,i＝max{zzuo,1,zzuo,2...}，则该串绝缘子是左侧上相串；若zzuo,i＝min{zzuo,1,zzuo,2...}时，则该串绝缘子是左侧下相串，否则就是左侧中相串；
对于右侧串集合，若zyou,j＝max{zyou,1,zyou,2...}，则该串绝缘子是右侧上相串；若zyou,j＝min{zyou,1,zyou,2...}时，则该串绝缘子是右侧下相串，否则就是右侧中相串；对于单回路输电线路，首先需确定整体排布方式，根据绝缘子串中心点之间的水平距离与垂直距离比值的情况进行判定。
10.根据权利要求1所述的基于三维空间目标点提取的电力巡检航线全自主规划方法，其特征在于，绝缘子串航点位置计算，针对含悬垂串和V串绝缘子的输电线路包括：拍摄中相V串时无人机的空间位置及姿态计算：
根据无人机巡检要求，无人机拍摄V串时需位于绝缘子正前方，分别拍摄左侧子串、右侧子串及挂点位置；设杆塔中心点水平投影坐标为Pc＝(xc,yc,0)，杆塔前进方向单位向量为竖直向上的单位向量为/>设V串中点云的点集合为PV＝{(xVi,yVi,zVi)|(i＝0...n)}，其中n为该点云集合中点的个数；
其中，对于满足以下条件的点云集合判定为左侧子串点云：
其中(xj,yj,zj)为第j个点的三维坐标；
对满足左侧子串条件的点集合计算其包围盒，根据Z轴坐标值确定杆塔挂点PVLt＝(xjt,yjt,zjmax)和导线挂点PVLx＝(xjx,yjx,zjmin)，通过包围盒计算左侧子串的中点(xjt,yjt,zjmax)为杆塔挂点PVLt的三维坐标，(xjx,yjx,zjmin)为导线挂点PVLx的三维坐标；
同理，对于满足以下条件的点云集合判定为右侧子串点云：
其中，(xk,yk,zk)为第k个点的三维坐标；
对满足右侧子串条件的点的集合计算包围盒，根据Z轴坐标值确定杆塔挂点PVRt＝(xkt,ykt,zkmax)和导线挂点PVRx＝(xkx,ykx,zkmin)，通过包围盒计算右侧子串的中点(xkt,ykt,zkmax)为杆塔挂点PVRt的三维坐标，(xkx,ykx,zkmin)为导线挂点PVRx的三维坐标；
i)无人机的位置坐标求取：
无人机拍摄V串的坐标位置Pw通过目标点PVLR＝{PVLt,PVLx,PVLc,PVRt,PVRx,PVRc}、无人机与杆塔预设的安全距离d、线路前视方向向量进行计算求取；计算公式如下：
ii)无人机的偏航角求取；
iii)云台俯仰角求取；
绝缘子串航点位置计算，还包括拍摄左右侧悬垂串时无人机的空间位置及姿态计算：
设悬垂串串中点云的点集合为PI＝{(xIi,yIi,zIi)|(i＝0...n)}，其中n为该点云集合中点的个数；
其中，对于满足以下条件的点云集合判定为左侧悬垂串点云：
对满足左侧悬垂串条件的点集合计算其包围盒，根据z轴坐标值确定杆塔挂点PILt＝(xIjt,yIjt,zIjmax)和导线挂点PILx＝(xIjx,yIjx,zIjmin)，通过包围盒计算左侧悬垂串的中点
同理，对于满足以下条件的点云集合判定为右侧悬垂串点云：
对满足右侧悬垂串条件的点的集合计算包围盒，根据z轴坐标值确定杆塔挂点PIRt＝(xIkt,yIkt,zIkmax)和导线挂点PIRx＝(xIkx,yIkx,zIkmin)，通过包围盒计算右侧悬垂串的中点
i)无人机的位置坐标求取：
求取无人机位置坐标前，首先需要确定无人机前进方向向量由于无人机拍摄悬垂串时，其机头前进方向向量/>与杆塔前进方向向量/>垂直，因此拍摄左侧悬垂串时机头前进方向向量/>由以下公式确定：
拍摄右侧悬垂串时机头前进方向向量由以下公式确定：
无人机拍摄悬垂串的坐标位置Pw通过悬垂串目标点PILR＝{PILt,PILx,PILc,PIRt,PIRx,PIRc}、无人机与杆塔预设的安全距离d、机头前进方向向量进行计算求取；计算公式如下：
ii)无人机的偏航角求取；
iii)云台俯仰角求取；
拍摄耐张串时无人机的空间位置及姿态计算过程如下：
根据无人机巡检要求，无人机拍摄耐张串时需位于耐张串侧面，
设耐张串串中点云的点集合为PN＝{(xNi,yNi,zNi)|(i＝0...n)}，其中n为该点云集合中点的个数；
对于满足以下条件的点云集合判定为中相耐张串点云：
PNC＝{(xNm,yNm,zNm)|zNm-zNav＞0,PNC∈PN}
其中
中相耐张串杆塔挂点PNCt＝(xNmt,yNmt,zNmt)和导线挂点PNCx＝(xNmx,yNmx,zNmx)可根据耐张串坐标点与杆塔中心点Pc的距离确定，即：
中相耐张串的中点
左侧耐张串点云和右侧耐张串点云的判断方法和对应目标点的求取方法与悬垂串一致；
i)无人机的位置坐标求取：
无人机拍摄耐张串的坐标位置Pw可以通过耐张串目标点PNLR＝{PNCt,PNCx,PNCc,PNLt,PNLx,PNLc,PNRt,PNRx,PNRc}、无人机与杆塔预设的安全距离d、机头前进方向向量进行计算求取；PNLt,PNLx,PNLc分别为左相耐张串的杆塔挂点、导线挂点和耐张串中心点；PNRt,PNRx,PNRc分别为右相耐张串的杆塔挂点、导线挂点和耐张串中心点；
ii)无人机的偏航角求取：
无人机拍摄耐张串的偏航角求取与前述拍摄杆塔塔身航点的偏航角计算一致；
iii)云台俯仰角求取。
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|---|---|---|---|
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| CN202311640199.XA CN117826854A (zh) | 2023-12-02 | 2023-12-02 | 基于三维空间目标点提取的电力巡检航线全自主规划方法 |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN118506036A (zh) * | 2024-07-17 | 2024-08-16 | 国网江西省电力有限公司电力科学研究院 | 一种输电线路转角铁塔点云塔型匹配及航点自动推荐方法 |
| CN118730124A (zh) * | 2024-09-02 | 2024-10-01 | 国网江西省电力有限公司电力科学研究院 | 一种基于复杂地形的飞行器航线迭代规划方法 |
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2023
- 2023-12-02 CN CN202311640199.XA patent/CN117826854A/zh active Pending
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN118506036A (zh) * | 2024-07-17 | 2024-08-16 | 国网江西省电力有限公司电力科学研究院 | 一种输电线路转角铁塔点云塔型匹配及航点自动推荐方法 |
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Legal Events
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